摘要：本文主要介紹虛擬演播室的定位與校準(zhǔn)的重要性，并從攝像機(jī)的定位及校準(zhǔn)、攝像機(jī)鏡頭的校準(zhǔn)、機(jī)電跟蹤系統(tǒng)的校準(zhǔn)和攝像機(jī)跟蹤系統(tǒng)運動參數(shù)的獲取四個方面介紹和闡述了虛擬演播室的定位與校準(zhǔn)的方法。

        關(guān)鍵詞：虛擬演播室；定位；校準(zhǔn)；機(jī)電跟蹤系統(tǒng)

Abstract: This article mainly introduces the importance and its method of the positioning and calibration of the virtual studio from four aspects—the positioning and calibration of the camera, the 

calibration of the camera lens, the calibration of the mechatronic tracking system and getting the

 motion parameters of the camera tracking system.

Key words: virtual studio ；positioning；calibration；the mechatronic tracking system

        虛擬演播室(Virtual  Studio)是近年發(fā)展起來的一種獨特的電視節(jié)目制作技術(shù)，是在高速圖形計算機(jī)和視頻色鍵基礎(chǔ)上發(fā)展起來的演播室技術(shù)，是虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtua1 Rea1ity)在廣播影視制作領(lǐng)域中的一項嶄新應(yīng)用。在虛擬演播室系統(tǒng)中，現(xiàn)場視頻可以實時地與計算機(jī)產(chǎn)生的三維圖形完美無缺地集成在一起。虛擬演播室的場景是計算機(jī)生成的三維圖形，稱為虛擬場景。它的運動受計算機(jī)中虛擬攝像機(jī)的控制，為保證真實攝像機(jī)的前景畫面與虛擬場景“聯(lián)動”，必須使虛擬攝像機(jī)與真實攝像機(jī)的位置、拍攝角度及運動狀態(tài)相一致。因此，需要對真實攝像機(jī)進(jìn)行實時跟蹤，獲取攝像機(jī)準(zhǔn)確的位置信息和運動數(shù)據(jù)。

一、攝像機(jī)的定位及校準(zhǔn)

        為保證虛擬場景與真實攝像機(jī)的景物之間“聯(lián)動”，這就需要知道虛擬攝像機(jī)精確的位置信息，在實際中所要做的工作有:攝像機(jī)的定位。虛擬演播室系統(tǒng)的定位和校準(zhǔn)可分為兩種:首次校定和日常校定。

1、攝像機(jī)的首次校定。首次定位首次校定是指安裝完之后，首次使用前的定位和校準(zhǔn)。其主要目的是讓計算機(jī)感知真實演播室的大小和位置，并將其坐標(biāo)和虛擬場景坐標(biāo)進(jìn)行鎖定，使他們的工作達(dá)到一致。首次校定可采用以下幾步:

1.1 攝像機(jī)的四點定位

        用螺釘在演播室的藍(lán)箱背面上定四個點，必須訂成一個矩形平面，并將其長，寬及位于下方的兩點距離藍(lán)幕地板的垂直高度值輸入到圖形發(fā)生器的校準(zhǔn)軟件中;經(jīng)過軟件和攝像機(jī)校準(zhǔn)小盒的設(shè)置，將真實攝像機(jī)的運動坐標(biāo)與計算機(jī)虛擬攝像機(jī)的運動鎖定。

本文在藍(lán)箱的坐標(biāo)系中(如圖1所示)，定義幾個參數(shù):

左上角A(xa，ya，za);                       

右上角B（xb，yb，zb);                   

左下角C(xc，yc，zc);

右下角D(xd，yd，zd);

攝像機(jī)的成像原點0(x。，y。，zo)

 其中ABCD四點的坐標(biāo)均已知，點O的坐標(biāo)未知，也即是本文所要得到的參數(shù)。在實際中通過測量;在初次開拍前，固定攝像機(jī)的位置后，將攝像機(jī)的中心點分別對準(zhǔn)藍(lán)幕上的四個點，通過攝像機(jī)校準(zhǔn)小盒記錄這四次的攝像機(jī)的相對位置關(guān)系(包括水平和垂直的夾角);

1.2  攝像機(jī)位置測定

        用水平儀及卡尺測量鏡頭光軸俯仰底座中心軸之間的垂直距離，及該中心軸與鏡頭后平面之間的垂直距離，并將測出的數(shù)值輸入校準(zhǔn)軟件中。測量這些數(shù)值的目的是:讓計算機(jī)感知攝像機(jī)及其鏡頭的所在位置和相對關(guān)系。

2日常校訂

        日常校定是指系統(tǒng)每次開啟后必須做的校準(zhǔn)和定位，其目的是讓計算機(jī)感知攝像機(jī)所在的位置。日常校訂比較簡單，利用攝像機(jī)跟蹤系統(tǒng)小盒上的幾個按鈕，在進(jìn)行演播時由計算機(jī)通過坐標(biāo)變換進(jìn)行校準(zhǔn)即可。

二、攝像機(jī)鏡頭的校準(zhǔn)。

        攝像機(jī)鏡頭的校準(zhǔn)主要用于真實攝像機(jī)與虛擬攝像機(jī)視域的匹配，在機(jī)電傳感定位中，真實攝像機(jī)鏡頭的焦點在變焦和聚焦時的移動是非線性函數(shù)，虛擬攝像機(jī)不能處理這種非線性問題，在首次適用前進(jìn)行鏡頭校準(zhǔn)。為簡單起見，我們假定光心就是像素設(shè)備幀緩存的中心，校準(zhǔn)算法的總體思路是:首先根據(jù)攝像機(jī)成像的徑向約束條件近似估計攝像機(jī)的參數(shù)，然后用非線性迭代算法優(yōu)化初始的攝像機(jī)參數(shù)。這種算法的優(yōu)點是計算速度快，結(jié)果準(zhǔn)確。

三、機(jī)電跟蹤系統(tǒng)的校準(zhǔn)

        虛擬演播室的參數(shù)跟蹤采用機(jī)電跟蹤設(shè)備完成，我臺選用的TOP3D-SET采用最新的光柵旋轉(zhuǎn)編碼器的高精度參數(shù)采集系統(tǒng),采用8M頻響的采集電路,自適應(yīng)初始化定位技術(shù)。其主要設(shè)備包括變焦鏡頭傳感器、固定在三腳架上的機(jī)電搖擺和俯仰的碼盤，主要用于在拍攝過程中攝像機(jī)的俯仰、搖擺、推拉等動作時進(jìn)行校準(zhǔn)。通過將機(jī)械運動轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，然后利用串口把電信號傳送到用于繪制三維虛擬場景的計算機(jī)；計算機(jī)根據(jù)接收到的信號，轉(zhuǎn)換為虛擬攝像機(jī)(virtual  camera)的參數(shù)，實時渲染生成三維虛擬背景;最后在視頻合成系統(tǒng)中將前景、背景進(jìn)行摳像合成。

        在機(jī)電傳感定位中，真實攝像機(jī)鏡頭的焦點在變焦和聚焦時的移動是非線性函數(shù)，虛擬攝像機(jī)不能處理這種非線性問題，需要在首次適用前進(jìn)行鏡頭校準(zhǔn)。鏡頭校準(zhǔn)首次較準(zhǔn)中最為復(fù)雜的一步。通過一個特制的標(biāo)尺框(校準(zhǔn)板：500×500毫米，由100×l00毫米的黑白方格交替排列組成)和PC機(jī)的鏡頭校準(zhǔn)軟件，在鏡頭取景范圍的最大值和最小值之間測取100個樣值點，為計算機(jī)中的虛擬攝像機(jī)建立一條鏡頭變焦與取景角度之間的曲線。當(dāng)真實像機(jī)的鏡頭推拉和變焦時，虛擬場景就能同步運動了。

        在虛擬演播室的3D或2D場景建模中，要準(zhǔn)確跟蹤真實攝像機(jī)的運動，通常應(yīng)用較多的是攝像機(jī)的俯仰和水平搖移，以及攝像機(jī)的焦距變化。在虛擬演播室首次啟用之前，對攝象機(jī)焦距進(jìn)行校準(zhǔn)，從而對真實攝像機(jī)準(zhǔn)確建模。真實攝像機(jī)的位置是固定的，只需要使用搖擺和俯仰的角度旋轉(zhuǎn)虛擬攝像機(jī)，用變焦測量值推算出虛擬攝像機(jī)視域的大小。目前，圖形硬件都用一個簡單的小孔相機(jī)模型(未考慮視域深度、光線扭曲等因素)作為虛擬攝像機(jī)，帶有機(jī)電跟蹤系統(tǒng)的真實攝像機(jī)的光心的空間坐標(biāo)作為小孔相機(jī)焦點的空間坐標(biāo)。將這兩種運轉(zhuǎn)情況進(jìn)行簡單的建模，如圖2所示。

        攝像機(jī)的運動參數(shù)包括鏡頭運動參數(shù)(變焦zoom;聚焦focus;光圈試iris)，機(jī)頭運動參數(shù)(搖移pan;俯仰tilt)，及空間位置參數(shù)(地面位置x、Y和高度z)等。這些參數(shù)的獲取對虛擬演播室系統(tǒng)來說非常重要，它可直接影響到虛擬背景的生成。目前，可采用機(jī)械跟蹤方式和圖像分析識別方式獲得攝像機(jī)的這些運動參數(shù)，結(jié)合我臺的實際，我們采用機(jī)械跟蹤方式。

        攝像機(jī)跟蹤系統(tǒng)中將帶有變焦鏡頭傳感器的攝像機(jī)安裝在固定的三腳架上，三腳架上帶有機(jī)電搖擺和俯仰的碼盤。傳感器跟蹤系統(tǒng)對于每個視頻場(對應(yīng)搖擺、俯仰、變焦、聚焦)產(chǎn)生一組測量值(mPan、mtilt‘、tzoom、mfocus)，由于接受的是碼盤的相對變化值，必須推算出用于渲染虛擬場景的虛擬攝像機(jī)的參數(shù):在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(xvirtual,yvirtual,,zvirtual)，搖擺角(apan)、俯仰角(atilt)、視域角(aview)。

        首先，由于機(jī)電跟蹤系統(tǒng)安裝在固定的三腳架上，以藍(lán)箱的地面與背面交線的中心點為世界坐標(biāo)系的原點，可以通過精確的測量得到俯仰軸與搖擺軸交叉點的空間坐標(biāo)(xreal，yreal，zreal)

        其次，如圖2所示，要得到帶有一機(jī)電跟蹤系統(tǒng)的攝像機(jī)模型的高度增量(dheigh)和前后增量(ddepth)，其中高度增量可以通過精確測量得到，前后增量為兩個量相加得到，其中成像平面與搖擺軸的距離(dpan)可以通過精確測量得到，光心與成像平面的距離dzoom可以由變焦和聚焦參數(shù)變換得到，由于鏡頭要進(jìn)行推拉，即變焦參數(shù)在發(fā)生變化，所以該增量也在發(fā)生變化，在實際的應(yīng)用中采用實際測量加估計的方法，因為該增量的變化不是很大，隨著焦距的變化而進(jìn)行相應(yīng)的變化。

        然后，選取俯仰軸與搖擺軸的交叉點作為坐標(biāo)原點，如圖3所示，以俯仰軸為X軸，以搖擺軸為Y軸，以從原點出發(fā)垂直于X軸和Y軸的直線為Z軸，建立空間坐標(biāo)系，經(jīng)計算得到六個有用的參數(shù)位:光心在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(xvirtual,yvirtual,zvirtual,)，搖擺角(apan)、俯仰角(atilt)、視域角(aview)。將這六個參數(shù)直接賦給虛擬攝像機(jī)，用于渲染三維虛擬場景即可。