文香分享虚拟演播室摄像机跟踪与定位技术

 

摄像机跟踪与定位技术：

工作原理

作为虚拟演播的核心技术之一，摄像机跟踪与定位的目的，是确定摄像机光心在虚拟演播室的位置信息。一个虚拟演播室中经常配备二到三台数字摄像机，每台摄像机均配有定位摄像机位置和跟踪摄像机运动参数的装置。它的作用就是将获得的摄像机在演播室里的位置参数实时传递给虚拟渲染引擎计算机。

 

这样当现场摄像机运动时，跟踪系统就可以解算出现场摄像机的运动轨迹。从而实现虚拟摄像机与现场摄像机保持实时同步，最终就通过色键技术僵实拍画面与通过电脑制作的三维背景完美结合。通过以上分析，我们可以看到摄像机的跟踪与定位系统在整个节目拍摄过程中起到的举足轻重的作用，它实现的好坏直接影响到节目的制作质量。

虚拟演播室节目制作系统构成

 

摄像机跟踪与定位系统

发展 & 分类

世界上最先出现的跟踪与定位系统，是基于机电跟踪的系统。

1994年，首个用于虚拟演播室的摄像机基座诞生。它利用编码器测量出摄像机镜头的推拉和聚焦的参数从而使虚拟演播成为可能。但由于受技术的限制，当时节目都是基于二维虚拟背景制作。

 

1995年，自由移动和升降的机器人底座投入使用，它能够定位摄像机在演播室的位置和水平高度。至此，全三维虚拟演播逐渐成为后来的发展趋势，经过多年的发展，虚拟演播技术已经逐渐从有限的二维系统。

 

发展成真三维系统。一般的系统要求参数跟踪的角度定位精度和分辨率达到0.001度数量级，位移定位精度和分辨率达到0.01毫米数量级。目前，摄像机跟踪定位技术主要有机电传感技术，图像识别技术，红外传感技术等三种方式，每种跟踪定位方式各有其优缺点，大多数虚拟演播室里面会同时采用其中的两种或者全部采用，这样可保证直播节目时的安全系数。

 

机电传感跟踪技术 

机电传感跟踪技术是目前应用最为广泛的一种技术，对摄像机的机电跟踪的机电一体化设计，国内外都非常注重。

 

技术特点

对于摄像机机身和镜头运动的情况，现在的主要跟踪方法是横摇、俯仰，倾斜，变焦，聚焦的转动位置安装啮合齿轮。这样，当摄像机位置参数或镜头参数发生改变时，负责测量的传感器就可以实时的检测到齿轮的转动情况，并对测得的数据进行编码，最后把已经编好码的数据，通过RS-232或RS-422串行接口发送给虚拟背景渲染主机，虚拟背景渲染主机依据收到的编码数据得到摄像机的位置信息，对于摄像机机身的X、Y、Z的变化及旋转变化也可以采用编码方式测量，但其应用并不普遍。目前国内外对此的机械测量方式主要是在摄像机云台下面安装滑轨，通过传感器测量云台的移动和旋转变化进行编码。

 

机电传感跟踪技术优缺点

这种测量方式的优点是，不需要其他的工作站处理跟踪信息，可以实现无延时跟踪，跟踪稳定，不受外界环境光源的干扰,可以放置在演播室的任何角度的任何位置。

 

缺点是对传感器的精度要求高，安装成本高，演播室中可使用的摄像机的种类及数量受限。另外，由于系统构成复杂，设备笨重，使得摄影师不能灵活使用。所以这种跟踪方式对于手持式摄像机不适用。机械跟踪每次定位跟踪系统重启后，都需要对摄像机的镜头对准某一点进行机位锁定，比较繁琐，耗时较长。于是采用机械方式获得数据存在系统偏差。因此对采集到的数据进行软件修正的能力，决定了跟踪数据的精度。

 

基于机电跟踪的虚拟演播产品

目前市场上交流代表性的产品为日本招特和英国云顿公司生产的设备。

 

图像识别跟踪技术 

技术原理

图像识别跟踪技术是利用模式识别算法，通过计算和分析摄像机的特征图像进行匹配，识别得到摄像机的位置参数的方式。其基本方法是事先在虚拟演播室的蓝色背景板上画好具有识别特征的蓝色格子。类似于条形码版，每个相邻的蓝格子大小不同，按一定的规则排列，根据固定在摄像机机头上的专门用来捕捉特征图像的摄像机拍摄到的蓝格子的形状，判断出摄像机拍摄角度；依靠蓝色格子的大小，判断出摄像机镜头的推拉和方向变化的情况。对于摄像机机身的向前移动或摄像机的变焦都可以使得拍摄画面变大，产生放大被拍摄物的效果。但是机身的运动和焦距的变化产生了透视效果是不一样的，从而可以实现摄像机机身和镜头参数的采集。但是这种定位方式要求摄像机不能正对蓝格子，否则将因为透视量太小而分辨不出摄像机究竟是推拉还是前后移动。

 

技术配合

作为图像识别技术的一种补充，可以采用红外定位技术，在摄像机机头上安装一个红外线发光管，另外在蓝板上方再增加两台红外线传感器，红外线传感器接收到摄像机机头红外线发射机发射的红外线信号，测定摄像机与传感器的距离，从而可以计算出云台的位置。

 

技术优缺点

基于图像识别技术的跟踪定位方式的优势，是只需要在摄像机上安装一个用来捕捉特征图像的摄像机，不需要安装其他附加装置，就可以得到摄像机的位置参数。所以安装成本较低，摄像机可以自由移动，也可以扛在肩上。另外它是基于图像识别进行跟踪定位的，所以对于由光学镜头产生的漂移可以根据图案识别反应出来，这样在系统重启后也不需要对摄像机进行校正。

 

但是这种技术也有一定的缺点。主要是计算机需要对拍摄到的网格图像进行匹配识别，会延长计算机数据处理的时间，其实和机械跟踪定位方式相比，图像识别定位的精度偏低，最后因为摄像机必须拍到蓝格子，所以在演播室拍摄过程中，摄像机不能被主持全部遮挡，因此理论上不能实现无限蓝箱功能，这种跟踪方法技术含量高，属于国外专利，使用时需要专门的图像处理计算机。

 

网格跟踪技术

红外线定位跟踪技术 

技术原理

红外线定位跟踪技术分为被动和主动跟踪两种方式。它是将红外线led目标安装在摄像机上，它们可以从顶部和旁边发射光线，在演播室的墙上或者屋顶安装一系列监控设备，将红外线目标拍摄下来，经过计算机的初始处理后，监控设备开始跟踪摄像机，红外线收发系统同时发出检测数据，系统根据收到的数据计算出摄像机的位置参数。

 

技术特点

基于红外线技术的跟踪定位方式的优势是开机后便可以迅速完成定位和校正，摄像机不受任何限制，可以自由移动，并且增加积累，成本较低也比较方便，缺点是红外线收发器之间不能有任何遮挡，这样便对虚拟演播室的空间设置提出了要求，另外其覆盖范围小，容易受到红外反射面和光线的影响，并且红外发生设备造价昂贵。

 

当前应用

国内解放军电视宣传中心在2010年搭建了一套全红外高清虚拟演播室系统，其虚拟系统部分由奥威公司设计搭建，使用了该公司的XYNC全红外摄像机跟踪系统、HDVG场景渲染服务器等。这套虚拟演播室系统是通过红外摄像头和摄像机镜头数据盒将采集到的摄像机跟踪数据提供给渲染服务器进行场景渲染生成，图像在高清色键中合成形成节目信号。

 

跟踪系统是在两台三脚架机位的摄像机上安装环形红外发射器，一台摇臂式摄像机上安装新型红外发射器，在演播室内安装32个红外摄像头进行红外拍摄，系统设有四个图像处理单元，每一台负责接收八个红外摄像头传来的红外图像数据，再经由以太网将这些数据发送到系统主机进行数据处理，最后通过三角测量探测到发射器上红外发射机的状态。