CN1322437A - 生成体育赛事虚拟视景的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种虚拟视景系统,使用来自放置在运动场地周围的摄像机的原始图像,生成所期望视点的运动赛事的虚拟视景。该系统由光学跟踪系统、虚拟环境服务器,以及一个或多个虚拟视景工作站组成。光学跟踪系统从策略性地放置在比赛场地周围的预定数量的摄像机接收原始的2维视频数据。原始的2维数据接着被分隔成数据门,并且经一系列图像软件处理器处理成指定每个体育运动员的实体数据或其它目标实体。实体状态数据接着被传递到一个虚拟环境服务器,它产生实体位置信息和虚拟模型,以传输到所选数量的虚拟视景工作站。每个虚拟视景工作站包含用于随意复现和观看虚拟赛事的视景软件。视景工作站也控制一个虚拟摄像机的视景观测视点,以及输出视频数据到一个视频生产中心,以便视频数据可被发送并与所需的其它视频数据组合。该系统允许操作员从可选控制中心选择一个希望的虚拟视景,以及发送虚拟视景图像给远方的观众。可结合诸如控制中心和文档计算机的可选子系统到该系统,以修改摄像机位置、锁定、聚焦和缩放,以及在需要时为体育赛事存储处理的数据以及回放数据。

Description

生成体育赛事虚拟视景的方法和装置
本申请要求在与共同未决美国专利申请序列No.09/094,524(1998/6/12申请)PCT协议8之下的申请优先权利益，用于生成体育赛事虚拟视景的方法和装置。
本发明一般涉及三维计算机图形显示系统，特别涉及允许传统电视、数字电视以及因特网取景器和广播装置从任何有利点虚拟浏览体育赛事的系统和方法。
技术上所公知的是，通过在适当的位置放置多个电视摄像机，将这些摄像机馈入的图像提供给演播间的播音员，重放赛事中的某些画面，以便播音员能对这些画面做出评论，以及最后将整个电视节目传送给观众，就可转播一场体育赛事。然而，这种传统的电视播放方法具有下述几个缺陷。
首先，如果摄像机机位于相对于比赛场地来说不合理的位置，或如果只是因为摄像机太少不足以覆盖整个场地，播放质量就要受影响。因此使得场地中某些部分的画面被遗漏，或没有被覆盖。
第二，尽管有些传统的电视摄像机有一定的机动性，但环绕比赛场地的摄像机位置基本上是固定不动的。然而，球和运动员在场地中的移动却是动态的和不可预见的。因此，在比赛期间，固定不动的摄像机经常无法提供某个关键角度的画面，或摄像机的视野被运动员或工作人员挡住了。例如，静止的场地摄像机通常无法提供棒球跑垒者扑到各个垒位以避免被封杀，或在他们的膝盖触地之前或之后笨拙地往回跑，或外场接球员在接到一个传球后试图使双脚稳定的特写镜头。
第三，传统的摄像机在比赛期间一般不放置在实际的比赛场地内。赛车是一个很明显的例外；车内的摄像机具有革命性的赛场播放能力，因此该项运动吸引了众多热情的车迷。然而，对于其它体育赛事，如橄榄球，安装在面罩或其它运动设施内的场内摄像机至今还没有得到广泛使用。因此，场外摄像机必须从相对远的最佳视点间接地摄下动作。
第四，不管录像是否有用，演播间的评论员必须凑合着使用由场地摄像机预录的录像。评论员不能动态地调整摄像机的位置，以记录另一视点的动作。因此，评论员被限制在静态的视频图像，而不能更改摄制录像的视点。而且，随着大部分专业体育联盟使用的瞬时重放的增加，瞬时重放的最佳视点也变得越来越关键。
在此之前有人尝试，提供对运动员和目标运动设施(如比赛用球)的物理位置的实时跟踪和处理。例如，Daver的美国专利申请No.5,513,854公开了一种用于实时跟踪运动中的人的系统，以及Larsen的美国专利申请No.5,363,297公开了一种用于体育赛事的自动摄像机跟踪系统。然而，这些系统都不能使用单个系统实时跟踪单个运动员和运动设施，利用跟踪数据产生基于处理值的模拟图像，然后将这些模拟图像集合成为一个虚拟运动环境，该运动环境被实时刷新，以体现原有的体育赛事。
因此，体育运动产业上的不足，以及现有系统无法满足产生体育赛事所需的虚拟场景，促进了本发明的产生。
本发明的一个目的是提供一种实时收集人的活动(如体育赛事)的系统和方法，用于提供和分析无限个视点，而不管静态摄像机处于什么位置。
本发明的另一个目的是提供一种系统和方法，以从最佳角度和视点提供指定运动场地图像，而不管静态摄像机的位置或比赛设施、运动员或工作人员的动态移动。
本发明的另一个目的是提供一种系统和方法，允许播音员和观众从场上摄像机的相应位置观看场上的动作，以及允许用户虚拟地选择场上摄像机的任何位置。
本发明的再一个目的是允许评论员调整视频图像的视点，以符合它们的特定姿势。
总之，虚拟视景系统利用放置在运动场地周围的摄像机拍摄的原始图像，产生来自任何所期望视点的体育赛事的虚拟图像。该系统包含一个光学跟踪系统、一个虚拟环境服务器，以及一个或多个虚拟视景工作站。光学跟踪系统从策略性地放置在运动场地周围的多个预选摄像机接收原始的2维视频数据。原始的2维数据被划分为数据门，并经一系列的图像软件处理器为每个运动员或其它目标实体处理成实体状态数据。实体状态数据接着被传送到虚拟环境服务器，它产生实体位置信息以及视觉模型，用以传输到多个所选虚拟视景工作站。每个虚拟视景工作站包含用于复现和观看虚拟运动场景的视景软件。视景工作站也控制一个虚拟摄像机视景的观测视点，并输出视频数据到视频生产中心，以便视频数据可被发送并与所需的其它视频输出组合。视景工作站为客户输出状态数据的因特网数据分组。系统允许操作员从一个光学控制中心选择所希望的虚拟视景，并将该虚拟视景发送给远方的观众。控制中心可为包含交互式TV的因特网和类似媒介发送分组数据。诸如控制中心和文档计算机的光学子系统可结合到该系统，以调整摄像机的位置、锁定(Tether)、聚焦以及缩放，以及为体育赛事存储处理数据和需要时重放数据。产生的虚拟视景可能具备或不具备从场地摄像机接收的原始视频的实际副本，它只是基于计算得到的数据精确地表示实际的运动情景。
通过阅读下面的描述，以及研究附图，本发明的其他特征和目的及优点可变得更为清晰。
下面的附图中描绘了结合本发明特征的一种虚拟视景系统，它构成了本说明书的一部分，其中：
图1为描绘主要系统组件的整体系统框图；
图2为光学跟踪系统内摄像机接口卡、I/O定序模块、以及阵列处理器控制板的综合系统和数据流程图；
图3为光学跟踪系统内跟踪相关子模块综合系统和数据流程图；
图4为光学跟踪系统的图像处理器内产生的图像处理功能的数据流程图；
图5为具有模型纹理控制板和环境服务器计算机子组件的虚拟环境服务器综合系统和数据流程图；
图6为虚拟视景工作站综合系统和数据流程图；
图7为文档计算机综合系统和数据流程图；以及
图8为具有VVS接口计算机和VVS控制中心子组件的控制中心综合系统和数据流程图。
参考附图，以更好地理解本发明的功能和结构，称为虚拟视景运动系统10(VVS系统)的本发明，包含三个主要的子系统：光学跟踪系统11、虚拟环境服务器12，以及虚拟视景工作站13。控制中心14和文档计算机16为光学子系统，它们能增强VVS系统的功能，但不是系统工作的关键组成部分。图1示出了描绘这些主要子系统的VVS系统10的整个系统结构。所提出系统的硬件组件的其它图表以及整个系统图可在刚刚共同未决专利申请上找到，在此作为参考，而且在下面的讨论中有助于读者的理解。
为示意起见，本发明将描述有多个运动员和一个赛球参与的体育赛事的虚拟化。然而，本领域的技术人员会理解的是，VVS系统10可应用于所选对象需要跟踪和转换成一个虚拟环境的任何类型场景，如军事演习、危险环境监视以及无人太空探险等。
参考图2，光学跟踪系统11从策略性地设置在运动场地周围的一组传统的电视摄像机17接收视频数据，以基于每个摄像机所看到的2维(2-D)视图，产生3维(3-D)位置数据。应当使用2个或多个摄像机，具体数量取决于具体应用以及要求的精度。另外，如果要求的精度特别高的话，应结合高分辨率的摄像机。原始的2维数据由I/O定序器子模块19划分为数据门，并经由一系列的阵列处理器控制板21，为每个接收视频图像内的每个运动员或其它目标实体处理成实体状态数据67。跟踪相关控制板23也包含在光学跟踪系统11中(见图3)。
如图5所示，数据接着由虚拟环境服务器12接收，它从位置数据和视频帧中产生逼真、动化特征。服务器12包含模型纹理控制板27和一系列的环境服务器计算机32，用以将实际的视频数据叠加到运动特征上来产生栩栩如生的景像。虚拟环境服务器12也可以是文档计算机16(见图7)上的文档历史记录，以便虚拟视景工作站13在操作员的要求下能重新生成一幅存储的图像。
环境服务器计算机32使用实体(Body)运动的预编程技术，来纠正和改进由跟踪相关系统23(见图3)估计的实体状态。通过识别一定的姿势(如运动员的奔跑)以及平滑实体状态以产生更逼真的虚拟仿真，可修改所测量的实体状态。实体平滑进一步减小了运动的不稳定性，由此补偿一些漏缺的监测。
另一种提供更好的实体状态的技术是模型化实体运动的物理特征，以及实体之间的相互作用。例如，大部分跟踪滤波器很难跟踪被球棒击打时的棒球。预测这个相互作用和测量实体所受的影响力可用于修改导致产生高级实体状态信息的系统状态公式。
VVS系统的操作至少要求有一个虚拟视景工作站13。然而，VVS系统最好是可调整的，其中多个视景工作站的使用如图6所示。每个工作站基本上是由摄像机操作员操作的一个虚拟摄像机。每个虚拟视景工作站根据虚拟环境服务器12提供的特征动画和位置数据，可生成3D视景。摄像机操作员可使用接口控制台的操纵杆，或选择由控制中心14的操作员产生的预选视点，移动自己的视点并“飞”向任何位置，由此允许从任何虚拟角度观看体育赛事。操作员通过在每个虚拟视景工作站13上运行的标准图像软件来控制虚拟视点。
控制中心14在希望有人工干预时，允许操作员在需要时调整VVS系统10的操作。控制中心14增加了初始化、诊断以及精确调谐VVS系统的能力。另外，操作员从控制中心14可遥控与VVS系统10相连的每个摄像机，以提供体育赛事中感兴趣的最佳覆盖点。
再参考图2，光学跟踪系统11被预期为装在可装配机架上的电子设备，它被优化用于将摄像机17所拍摄对象的光学摄像机数据转换为3维位置数据。这个3维数据被称为“对象跟踪”，它被连续刷新以对应于运动形体的运动以及相对的球的位置。光学跟踪系统使用现成可购买的(COTS)的电子组件，它们很容易设计成放置在可装配机架的卡盒内，机架装有双300W交流电供应、制冷风扇、20个背槽、以及多个插卡。还可包括一个总线扩展卡，用于提供光学跟踪系统11与诸如虚拟环境服务器12的其它VVS系统组件之间的高速连接。可装配机架配置也使得能扩展VVS系统以支持具有多个顶级VVS系统组件的更大配置。
一系列的摄像机接口卡18提供摄像机帧数据的缓冲，直到光学跟踪系统11准备处理这些数据。接口卡18也提供返回到摄像机的连接，用于视景、聚焦和缩放控制，以及用作控制中心14的传输导管。每个摄像机接口卡包括用于每个摄像机的数字视频接口和控制接口。8个摄像机接口卡18用于支持具有高达1280×1024像素分辨率以及高达60Hz帧速的摄像机。光学跟踪系统最初设计用于支持最多8个摄像机接口卡。然而，如图所示，这是一个可调整的系统，经修整可满足要求更多摄像机输入源的各种类型的体育赛事。
I/O定序器模块19从摄像机接口卡18接收缓冲的帧数据，将这些帧分成门，并将这些数据分发到适当的图像阵列处理器21。门被定义为帧的一个可控制部分，帧的大小根据系统所使用硬件的能力确定，而且可随动态的系统参数而改变。如图所示，系统典型地会采用一个I/O定序器19用于每8个摄像机接口卡18，以及相应的8个图像阵列处理器控制板21。
图像阵列处理器控制板21对I/O定序器19提供的门进行图像处理。每个图像阵列处理器控制板具有单指令多数据流结构(SIMD)型阵列的高速图像处理器22。这些图像处理器22使用工业标准图像处理算法在每个帧内识别对象。每个对象相对于该帧的2维位置数据接着被传递到跟踪相关控制板23。
如图3所示，跟踪相关控制板23处理来自每个图像阵列处理控制板21的对象位置数据，并将每个对象位置数据与存储在内存中的历史3维对象位置数据(对象跟踪文件24)相干。用于存储由VVS10的各个模块产生的数据的，具有充足的标准随机存取存储器空间的共享内存区域，可通过经通用电子子系统总线与所有VVS系统相连的通用DMA接口访问。
再参考图5，虚拟环境服务器12类似于光学跟踪系统的方面在于，其系统组件易于用COTS电子设备设计，通常放置在可装配机架设备上，该设备优化用于创建、维护和发布体育赛事的实况图像。还可包含COTS的总线扩展卡，以通过DMA接口提供虚拟环境服务器12和光学跟踪系统11之间的高速连接。
模型纹理模块27根据光学跟踪系统11所提供的信息，生成影像逼真的3维虚拟模型。模型纹理模块27访问装有一个运动形体每个实体部分的位置测量的共享数据库的信息，从这些信息中生成运动参与者的3维线框图像。模块27接着使用视频帧数据为每个实体部分生成“模型纹理”28，并将这些纹理映射到由跟踪模块27保持的线框模型，如前面所产生的，以生成高度逼真的3维虚拟模型。
环境服务器计算机32利用之前由跟踪相关控制板23计算的实体状态信息，以及由模型纹理模块27生成的纹理信息28，提供连贯的实体位置信息，以及为生成场景复现虚拟模型给虚拟视景工作站13。实体位置数据和实时虚拟模型通过直接存储器存取(DMA)接口26与虚拟视景工作站13同步。虚拟环境服务器12也通过DMA接口从虚拟视景工作站13接受文档请求。
作为一种可选的增强方式，文档计算机16(见图8)可提供实体位置信息的实时记录和回放，以及来自一系列廉价的廉价驱动冗余阵列(RAID)的虚拟模型，RAID可提供快速的冗余存储，以及在需要时检索历史的、虚拟的环境数据。文档计算机也可用于通过适当的VVS预编程支持用户控制的回放速度。
再参考图6，每个虚拟视景工作站13为安装有VVS视景软件的高端COTS SGI工作站。虚拟视景工作站13允许操作员控制虚拟摄像机的拍摄角度，以及监视实时数据，或工作于瞬时回放模式以生成高质量场景。每个虚拟视景工作站13包含场景复现功能126，它通过采用实体数据信息复现3维虚拟环境，以确定场景内的对象位置。一般来说，场景复现功能126使用3维多角数据库和图像逼真纹理来表示场景中的对象。一旦场景被复现，场景复现功能126响应场景内视点的交互变化。这种图像逼真的模型与表示的实体状态数据的结合，允许场景复现功能为实时交互回放产生高度逼真的虚拟场景。在这个实施例中，VVS系统期望用于支持最多4个虚拟工作站。
如图8所示，对VVS系统10的另一可选增强方式为控制中心14，它具有VVS控制器接口计算机29和VVS控制中心31。控制器接口29用作VVS控制中心31和光学跟踪系统11/虚拟环境服务器12之间的接口。VVS控制器接口通过直接内存存取(DMA)接口26能传递实时对象位置数据到VVS控制中心。它还用作从VVS控制中心通过DMA接口26发送摄像机命令，如指向、缩放和聚焦，以及系统命令，如初始化和配置。
VVS控制中心31为装有VVS控制软件的COTS Silicon Graphics(SGI)工作站。VVS控制平台(未示出)允许操作员通过控制软件初始化VVS系统、优化性能、执行升级，以及替代摄像机的自动控制。VVS控制工作台通过直接内存存取(DMA)接口26与虚拟环境服务器以及光学跟踪系统通信。
对工作中的VVS系统10的数据流和处理功能的进一步描述将用作示意该系统的能力。一个标准惯例，斜体单元为功能名，黑体为数据名，带下标的为据库名等，用于区分各种系统功能之间的关系以及功能间数据的传递关系。应该参考前面描述的示意VVS系统的主要和次要子系统的图表，它们介绍了每个模块的操作。
如本优选实施例所示，光学跟踪系统支持最多8个摄像机接口卡18。每个接口卡有一个摄像机接口41、帧缓冲区42、摄像机控制器43、摄像机跟踪功能44，以及一个共享的实体状态文件46。摄像机接口41处理来自摄像机17的视频帧和摄像机方位，并将其存储在帧缓冲区42中。接口41还处理来自摄像机控制器43的聚焦、缩放和指向命令，并将它们转发到所选摄像机17。摄像机控制器43处理来自VVS接口计算机29中的VVS控制器81的摄像机命令，如锁定、聚焦以及缩放。例如，来自VVS控制器81的锁定命令使得摄像机控制器43能将摄像机直接对准一个特定的运动体，而控制器43也将锁定命令转发到摄像机跟踪功能44。来自摄像机跟踪功能44的摄像机指向命令也由控制器43处理。摄像机跟踪功能44处理来自摄像机控制器功能43的锁定命令，并能从共享的实体状态文件46中读取一个瞬间的实体状态数据，并计算所要求的摄像机方位变化，以便在所选定的摄像机的视场居中被锁定的运动体。摄像机指向命令接着被送至摄像机控制器功能43，以适当地移动摄像机。实体状态文件46由实体传播功能68实时刷新，这将在下面描述。
I/O定序器模块19由门生成器51和I/O定序器52组成。门生成器51轮询帧缓冲区42获取帧数据和摄像机方位。门生成器将帧分成阵列大小的门，为每个门指定X和Y门坐标，为每个门标记观测时间，以及将门、门坐标和观测时间馈送给I/O定序器52。另外，门生成器51以用户定义的速度发送帧、帧坐标和观测时间到模型纹理模块控制板27。I/O定序器器52排列门、门坐标和观测时间到可用的阵列处理器控制板21。I/O定序器52也为所示的8个阵列处理器控制板提供负载均衡。
阵列处理器控制板21主要执行图像处理功能。这些控制板包含一个图像处理器22，处理器22对每个接收帧执行边缘检测，以识别实体及实体重心，实体重心定义为实体中心点的3维位置。处理器22也执行模式匹配，以使一个特定实体与一个运动员相关，以及识别2维(实体分量)目标位置、目标类型、目标方位与目标观测时间，以存储在目标命中管道数据库64中。图像处理器传输实体重心、实体标识号以及实体观测时间变量到所示的实体命中管道64中(见图3)。
前面提到的图像处理器22使用标准图像软件处理技术，如分段、特征提取和分类，以分解一个帧中的每个实体图像。图4描绘了使用这些技术解决来分解实体数据的一种方案。如图所示，原始图像数据91传输到程序子模块，用于背景消除92和相关93。背景消除子程序92使用众所周知的算法，如二值图像膨胀(Binary Dilation)、二值图像侵蚀(BinaryErosion)、二值图像闭合(Binary Closing)、逆图像变换(Inverse ImageTransforms)以及凸包(Convex Hull)技术，从真实的实体中分离出背景来。图像分组94作为提取处理特征提取的一部分，并将数据传递到其它子功能块。分组子处理程序94使用一个立体滤波器分组像素，为每个分段像素创建组标识。这个信息被传递到轮廓形成子程序96、图像相关子程序93，以及另一个特征提取子程序97。轮廓形成子程序96通过像素分离技术识别分组或斑点，以及系统地除去形体边界，以形成单位宽度的轮廓。图像相关93使用之前创建的组标识，以将轮廓处理中产生的相关峰值分配到特定的分组。其它类型的特征，如面积、时间等的提取同样依赖于由分组处理中输出的数据，如斑点形状，而且它们被子程序97处理以进一步精练实体状态数据以获得更好的的实体测量。由此产生的每个提取分组接着根据预选的特征图像模板分类98分类，接着被传送到实体64和对象命中管道61。
多种优秀的书籍已经描述了利用这些技术来识别移动的运动员和球体的图像处理的主题。这种技术的一个极好来源为，Kenneth R.Castleman所著数字图像处理(Digitai Image Processing)一书，在此作为参考。另外一种关于斑点定位和实体转移的参考文章在描述之后所附的参考表中列出，在此也作为参考。帧图像处理将不再作进一步讨论，因为它不属于本发明的范围之内，而且标准的工业处理技术可用于本月的发明中以正确操作。
如图3所示，跟踪相关控制板23根据来自阵列处理器控制板21的2维对象和实体数据形成3维对象和实体跟踪。跟踪控制板23包含一个对象命中管道61、跟踪相关功能62、对象跟踪文件24、实体命中管道64、实体相关功能66、实体状态文件67，以及实体传播功能68。对象命中管道61存储对象命中数，如对象类型、对象位置、对象方位以及对象观测时间。跟踪相关功能62接着利用存储在对象跟踪文件24中的3维对象跟踪来纠正2维对象命中数，刷新3维对象位置和对象方位，以及计算对象速度和对象加速度。当达到预选的相关门限时，跟踪相关功能62也合并和分割存储在对象跟踪文件24中的对象跟踪。对象跟踪文件24也存储对象跟踪数，如对象类型、对象位置、对象方位、对象速度、对象加速度以及母体。实体命中管道64存储实体命中，如实体重心、实体标识号以及实体观测时间。类似地，跟踪相关功能62处理来自实体命中管道64的实体重心和实体标识号信息，并刷新存储在实体状态文件67中的实体标识号和实体重心数据。实体状态文件67存储包含实体标识号、实体重心的实体状态，以及每个链接部件的状态数据。每个实体包含链接部件数据，如两只脚、两个膝盖、两个躯干点、一个下腹、两个肩节点、两个肘、两只手和一个头部。对每个链接部件，存储链接部件类型、链接部件位置、链接部件方位、链接部件速度以及链接部件加速度。实体状态文件67存储于前面讨论的共享内存中，由其它几个VVS控制板以及包含模型纹理模块27和环境服务器计算机12的模块使用。实体传播功能68通过相关3维对象跟踪与实体状态文件67中的链接部件维护实体状态文件，并刷新对象跟踪文件24中的母体变量，刷新实体状态文件67中的链接部件位置、链接部件方位、链接部件速度以及链接部件加速度。实体传播功能68也应用人类运动算法来平滑实体状态文件67中的实体链接。实体状态的刷新也被送至实时记录器101，以由实体传播功能68归档，假定系统中存在文档计算机16。
模型纹理模块27负责从视频帧中实时生成模型纹理。模块27使用实体状态文件67以及帧缓冲42，而且包含诸如实体链接功能111、帧复现功能112、虚拟模型数据库113以及纹理生成功能114等其它单元。帧缓冲文件42存储来自门生成器功能51的图像的具有时间标记的帧以及摄像机方位数据。实体链接功能111利用实体状态数据来确定哪个模型是一个实体的3维线框和纹理表示，以与该实体相联系。虚拟模型文件存储包含模型名称、模型类型、实体类型映射、实体尺寸、多角几何、纹理以及纹理映射的虚拟模型。功能111利用实体状态数据按顺序生成各个链接部件的实体状态数据，并将这些数据传输到帧复现功能112。帧复现功能112接着处理来自实体链接功能111的实体状态数据、来自门生成器功能51的摄像机方位，以及来自虚拟模型文件113的虚拟模型数据，以提供来自摄像机17的静态帧视图。帧复现功能112接着发送静态帧到纹理生成功能114，以确定观看到的是哪个多角形且与用观测到的多角形从帧缓冲中划分的帧匹配，以及确定图像质量是否足以生成纹理。如果图像质量足够高，即生成纹理和多角形映射，并被送至共享的纹理文件102以及实时记录器101。纹理生成功能处理来自帧复现功能的静态帧，以及来自帧缓冲的相关帧。纹理生成功能接着接收该静态帧，并确定哪个多角形可观测到，以及接受来自帧缓冲的帧，并分割该帧以匹配可观测的多角形。它还可用作确定图像质量是否足以生成纹理。
文档计算机16能在需要时存储和查询实体状态和纹理。计算机16包含实时记录器功能101、与实体状态文件67和纹理文件102的接口，以及文档阅读器功能103。实时记录器功能101处理来自跟踪相关控制板23中的实体传播功能68刷新的实体状态，以及来自模型纹理控制板27中的纹理生成功能114刷新的纹理。文档计算机16能实时记录在实体状态文件67中刷新和在纹理文件102中刷新的实体状态。实体状态文件67存储历史实体状态和历史纹理刷新。文档阅读器功能103响应来自各个虚拟视景工作站13的回放命令。回放命令包含设置开始、设置结束、设置回放速度、设置播放方向、播放、暂停、逐帧播放、跳至开始以及跳至结束。文档阅读器103能将实体状态刷新和纹理刷新输入到每个虚拟视景工作站13对应的环境服务器计算机12。
环境服务器计算机32的主要功能是生成实体状态，该状态为来自实体状态文件121和相关虚拟视景工作站13的虚拟模型122的一个瞬间。服务器计算机32使用实体状态文件67、纹理文件102、实体链接功能111、纹理映射功能123，以及DMA接口26来正确地生成虚拟场景数据。实体状态文件67和纹理数据库102可从共享内存中访问，它可为实体传播功能68和纹理生成功能114分别生成的实时数据库，或由文档阅读器功能103生成的回放数据库。实体链接功能111执行与模型纹理控制板27中的实体链接功能111相同的动作，并通过DMA接口26将实体状态刷新送至存储在每个虚拟视景工作站13中的实体状态文件121中。纹理映射功能123接受来自纹理文件102的纹理和多角形映射，并通过DMA接口26将纹理和纹理映射刷新送至存储在每个虚拟视景工作站13中的虚拟模型数据库122中。因为实体状态和虚拟模型数据库存储在每个相关的虚拟视景工作站13,DMA接口26同步来自纹理映射功能123的实体链接111的数据库刷新。DMA接口26也处理来自每个虚拟视景工作站13中用户接口功能124的回放命令，如果文档计算机存在的话，也将这些命令转发到文档计算机16中的文档阅读器103。
VVS接口计算机29为VVS控制中心生成实体状态，并在VVS控制中心处理来自用户接口功能86的命令。接口计算机29包含实体状态文件67、实体链接功能111、DMA接口29以及VVS控制器功能81。实体状态文件67可从共享内存访问，且由实体传播功能68实时生成。实体链接功能111执行的动作与环境服务器计算机中的实体链接功能111的相同。DMA接口26同步来自实体链接功能111的数据库刷新和存储在VVS控制中心的实体状态数据库121。DMA接口26也处理来自VVS控制中心31用户接口功能的摄像机命令，并将这些命令转发到VVS控制器功能81。VVS控制器功能81处理包含缩放、聚焦和锁定命令的摄像机命令，并将这些命令转发到摄像机接口卡18中的摄像机控制器功能43。
虚拟视景工作站13负责使用与其关联的环境服务器计算机32生成的实体状态121和虚拟模型122，以复现由虚拟摄像机生成的视频。VVS系统10(在这个实施例中)支持最多4个虚拟视景工作站13。每个虚拟视景工作站13包含一个实体状态文件121、一个虚拟模型文件122、一个场景复现功能126、一个用户接口功能124、一个视频接口127以及一个DMA接口26。实体状态文件121存储包含实体标识号、实体类型、实体位置、实体速度、实体加速度的实体状态，以及每个链接部件的状态数据。每个实体的链接部件包含，两只脚、两个膝盖、两个躯干点、一个下腹、两个肩节点、两个肘、两只手和一个头部。对每个链接部件，存储链接部件类型、链接部件位置、链接部件方位、链接部件速度以及链接部件加速度。虚拟模型文件122将存储包含模型名称、模型类型、实体类型映射、实体尺寸、多角几何、纹理以及纹理映射等的虚拟模型。这些数据库根据从环境服务器计算机32通过DMA接口26发送的实体状态刷新和纹理刷新实时生成。场景复现功能126使用实体状态数据121来定位3维场景中的对象，以及使用预编程的虚拟模型数据122来确定实体如何出现在所生成的3维场景中，它代表从所选虚拟透视点看去的观测者视点。
场景复现功能126响应来自用户接口功能124的虚拟摄像机导航命令，以随意修改生成的虚拟场景。生成的3维场景接着被送至视频接口127，以重组成适合于传输到视频产生中心128和VVS控制中心31的协议。另外，用户接口功能124处理来自操作员的虚拟摄像机导航命令和回放命令，并通过DMA接口26将它们转发到场景复现功能126以及文档计算机16(如果存在的话)。DMA接口用作虚拟视景工作站和与其相关的环境服务器计算机32之间的通信端口。DMA接口26也处理来自实体链接111和纹理映射123的数据库刷新，并且正确地刷新实体状态121和虚拟模型113数据库。最后，DMA接口26也处理来自用户接口124的回放命令，并通过环境服务器计算机32中的DMA接口26将它们转发到文档计算机16。
VVS控制中心31也可结合到VVS系统10中，以监视和调整虚拟视景运动系统10。VVS控制中心31包含一个实体状态文件121、一个平面视图显示功能87、一个用户接口功能86、一个视频显示功能88、一个视频接口89，以及一个DMA接口26。实体状态文件121如前所述，存储实体状态。平面视图显示功能87使用实体状态数据以2维由上至下方式定位对象，称为“平面图”，该平面图描绘了运动场地的“上帝眼中的视图”。平面显示可由一系列的从用户接口功能86接收的平面图实体选择命令来控制。视频接口功能也处理来自虚拟视景工作站13的视频信号，并将它们转发到视频显示功能88。视频显示功能也响应来自用户接口功能的视频选择命令，且能根据操作员的选择显示一个特定虚拟视景工作站的视频信号。用户接口功能86处理来自平面视图显示功能的实体标识号，生成摄像机锁定命令，并通过DMA接口26将该数据转发到VVS接口计算机29。同样地，它还处理来自操作员的缩放和聚焦命令，并通过DMA接口26将它们送至VVS接口计算机29。来自操作员的视频选择命令也可以这种方式转发到虚拟视景工作站13中的视频接口功能127。
DMA接口26用作VVS控制中心31和VVS接口计算机29之间的通信端口。DMA接口26处理来自实体链接功能111的数据库刷新，并正确地刷新实体状态数据库121。从其它模块的功能可见，接口26也处理来自用户接口86的包含缩放、聚焦和锁定命令的摄像机命令，并通过DMA接口26将它们转发到VVS接口计算机29。视频接口127处理来自最多4个虚拟视景工作站13的视频信号，并将它们转发到视频显示功能88。
虽然我以一种形式描述我的发明，但显然对本领域的技术人员来说，它没有这个限制，它容许进行各种改变和更新，但不会偏离本发明的精神。例如，虽然整体系统10中的各个子单元称之为“控制板”或“子程序”或“子模块”，但每个这些标记的选择是为了方便起见，而且工业界人士会理解这些功能可以在硬件、固件和软件单元之间来回迁移，这取决于系统尺寸限制、环境条件要求以及经济考虑。重新标记各个组件不会偏离本发明的一般精神。
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Claims (20)

1．一种用于生成体育赛事虚拟视景的装置，其特征在于
a．用于接收和转换视频数据为3维位置数据的一种光学跟踪模块，有一个摄像机接口、一个I/O定序模块、具有至少一个图像处理器的一个阵列图像处理器模块，以及一个跟踪相关模块；
b．用于从所述光学跟踪模块接收所述位置数据，以及生成虚拟运动形体数据和虚拟场景数据的一个虚拟环境服务器，所述环境服务器有一个模型纹理模块和至少一个环境服务器计算机，以及
c．用于将来自所述环境服务器的所述虚拟运动形体数据和所述虚拟场景数据复现为虚拟图像的至少一个虚拟视景工作站。
2．根据权利要求1陈述的装置，其特征还在于，用于提供实时记录和回放实体位置信息和虚拟模型的一个文档计算机，所述文档计算机包含用于与所述光学跟踪模块和所述虚拟环境服务器交换数据的装置。
3．根据权利要求1陈述的装置，其特征还在于，用于调整具有一个控制器接口计算机和一个VVS控制中心的所述装置的操作的一个控制中心，所述控制中心包含用于与所述虚拟视景工作站和所述光学跟踪模块交换数据的装置。
4．根据权利要求3陈述的装置，其中所述图像处理器的特征还在于，用于在所述视频数据中识别所选体育运动员的3维位置的装置。
5．根据权利要求4陈述的装置，其中所述光学跟踪模块的特征还在于，用于控制提供所述视频数据的摄像机的操作的一个摄像机控制器。
6．根据权利要求5陈述的装置，其中所述I/O定序模块的特征还在于，用于将所述视频数据划分成适当大小的阵列的一个门生成器，以及用于排序所述大小的阵列到所述阵列图像处理器模块的一个I/O定序器。
7．根据权利要求1陈述的装置，其中所述图像处理器的特征还在于，用于分段所述视频数据的装置、用于从所述视频数据中提取一系列预选特征的装置，以及用于根据一组预选特征模板分类所述视频数据的装置。
8．根据权利要求1陈述的装置，其特征还在于，用于整个所述装置内存储和分发共享内存数据的一个DMA接口。
9．根据权利要求4陈述的装置，其中所述识别装置的特征在于，用于分段所述视频数据的装置、用于从所述视频数据中提取一系列预选特征的装置，以及用于根据一组预选特征模板分类所述视频数据的装置。
10．一种用于生成体育赛事的虚拟视景的装置，其特征在于：
a．用于接收和转换视频数据为3维位置数据的装置；
b．用于从所述光学跟踪模块接收所述位置数据，以及生成虚拟运动形体数据和虚拟场景数据的装置；以及
c．用于将来自所述虚拟环境的所述虚拟运动形体数据和所述虚拟场景数据复现为一个虚拟图像的装置。
11．根据权利要求10陈述的装置，其中所述用于接收和转换视频数据的装置的特征在于，一个摄像机接口、一个I/O定序模块、具有至少一个图像处理器的一个阵列图像处理器模块，以及一个跟踪相关模块。
12．根据权利要求11陈述的装置，其中所述用于接收和生成的装置的特征在于，用于产生3维模型和纹理的一个模型纹理模块，以及用于向所述虚拟视景工作站提供实体位置信息和虚拟模型的一个环境服务器计算机。
13．根据权利要求10陈述的装置，其特征还在于，用于提供实时记录和回放所述虚拟运动形体数据和所述虚拟场景数据的装置。
14．根据权利要求10陈述的装置，其特征还在于，用于调整包含一个控制器接口计算机和一个VVS控制中心的所述装置的操作的装置，所述控制中心包含用于与所述复现装置和所述接收和转换装置交换数据的装置。
15．一种用于生成体育赛事虚拟视景的方法，其特征在于步骤：
a．从放置在所述体育赛事周围的摄像机接收视频数据；
b．将所述视频数据转换为出现在所述视频数据中的每个运动参与者的3维位置数据；
c．从所述位置数据为所述参与者生成3维模型；以及
d．组合相干实体位置信息和所述3维模型以复现一个虚拟场景。
16．根据权利要求15陈述的方法，其中所述转换步骤的特征在于步骤：
a．将所述视频数据分割成多个门；
b．排序所述门到多个阵列处理器以处理图像；以及
c．通过分段、特征提取以及对象分类识别所述视频数据中的对象。
17．根据权利要求16陈述的方法，其中所述生成步骤的特征在于：
a．创建出现在所述视频数据中的每个所述运动参与者的3维线框表示，所述线框包含每个所述参与者的实体部分；以及
b．在所述线框表示之上为每个所述实体部件生成模型纹理，以及映射所述纹理到每个所述实体部件。
18．根据权利要求17陈述的方法，其特征在于，在所述复现步骤之前，从所述模型纹理和所述位置数据中创建相干实体位置信息的附加步骤。
19．根据权利要求15陈述的方法，其特征在于，控制所述摄像机的位置、锁定、聚焦和缩放，以从所述体育赛事中的期望位置提供视频数据的附加步骤。
20．根据权利要求16陈述的方法，其特征在于，记录所述3维位置数据以用于将来回放的附加步骤。
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