一种可自动跟踪目标的虚拟演播室实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及广播电视领域，更具体地，涉及一种可自动跟踪目标的虚拟演播室实 现方法。
【背景技术】
[0002] 虚拟演播室的应用大大的节约了演播室搭建的成本和时间，使场景的更换快速便 捷。
[0003] 由于虚拟演播室使用由计算机生成的虚拟三维场景与实体摄像机拍摄的画面抠 像合成的方法。当对实体摄像机做推、拉、摇拍摄的时候必须保证虚拟场景中的虚拟摄像机 也做相应的运动，否则就会出现拍摄的人物漂浮在场景中的情况。为了保证在实体摄像机 做推、拉、摇拍摄时由计算机生成的虚拟三维场景能与实体摄像机拍摄的画面同步，避免出 现实体摄像机拍摄的人或物漂浮在场景中的情况，虚拟场景中的虚拟摄像机需要实时的跟 踪实体摄像机的推、拉、摇动作。为此需要有一套跟踪系统获取实体摄像机的推、拉、摇动 作，并传输到虚拟的三维场景，控制虚拟场景中的虚拟摄像机做相应的推、拉、摇动作。再将 实时生成的虚拟场景与实体摄像机拍摄的人物抠像合成。这样就实现了虚拟摄像机对实体 摄像机的同步跟踪，从而实现了真实人物与虚拟场景的同步变化。
[0004] 目前实现摄像机跟踪系统主要有以下四种方式：网格跟踪技术、传感器跟踪技术、 红外跟踪技术、超声波跟踪技术，其基本原理都是采用图形或者机械的方法，获得摄像机的 参数，包括摄像机的推、拉、摇等。但是这些摄像机跟踪系统极其昂贵，调试相当复杂，而且 对三脚架、摄像机镜头和与跟踪系统配套的虚拟场景的接口都有特殊的要求。
[0005] 图1所示为上述应用的典型场景。当被拍摄的人物从位置A移动到位置B时，摄 像员会采用"摇摄"的方法跟踪被拍摄的人物；系统采用上述的四种跟踪方法的一种或几种 组合获取摄像机"摇"的角度，将此角度信息传送到虚拟场景，控制虚拟摄像机也"摇"同样 的角度。
[0006] 使用这种方法，如果要实现人物的自动跟踪除了要增加一套图像识别系统外、还 需要配套昂贵的跟踪系统，以及需要增加一套复杂的、带伺服云台的摄像机三脚架，让其跟 足示拍摄指定的人物。
【发明内容】
[0007] 有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种可自动跟踪目标的虚拟演播室实现方 法，能够解决现有虚拟演播室的构建成本较高、安装及调试复杂等问题。
[0008] 为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
[0009] -种可自动跟踪目标的虚拟演播室实现方法，包括：
[0010] 选取一台高分辨率实体摄像机，设置该实体摄像机的拍摄机位，其中，该机位满 足：实体摄像机在此机位上拍摄时，在不需要做任何推、拉、摇、移操作的情况下，恰好能够 拍摄到真实场景中覆盖目标活动的全部范围；
[0011] 创建虚拟场景，并在虚拟场景中创建抠像平面；
[0012] 设置虚拟场景中虚拟摄像机的位置，其中，虚拟摄像机到抠像平面的距离和角度 与实体摄像机到目标的距离和角度分别相等；
[0013] 将实体摄像机拍摄的画面进行色键抠像，并将色键抠像后生成的目标的图像映射 到抠像平面，形成映射图像；
[0014] 通过图像识别模块，计算目标在真实场景活动时的位置，获取目标的位移信息；
[0015] 基于上述位移信息，生成一组姿态数据，并通过姿态数据控制虚拟摄像机进行推、 拉、摇、移操作，实现自动跟踪被拍摄目标；
[0016] 图像渲染系统基于虚拟摄像机拍摄的画面生成场景图像；
[0017] 将映射图像与场景图像合成为最终呈现的图像，并生成虚拟演播室播出视频。
[0018] 优选地，创建的抠像平面的宽高比与实体摄像机最大拍摄范围的宽高比一致。
[0019] 优选地，创建的抠像平面的宽高比与实体摄像机最大拍摄范围的宽高比不一致， 在将色键抠像后生成的目标的图像映射到抠像平面的过程中，调整映射图像的宽高比和大 小。
[0020] 优选地，在将实体摄像机拍摄的画面进行色键抠像之前，对色键进行调整。
[0021] 优选地，实体摄像机的分辨率至少为场景输出分辨率的4倍。
[0022] 优选地，在设置虚拟场景中虚拟摄像机的位置之后，设置虚拟摄像机的视场角，其 中，视场角大于等于1/2第一视场角，该第一视场角为当虚拟摄像机能拍摄到整个抠像平 面时的视场角。
[0023] 优选地，在设置虚拟场景中虚拟摄像机的位置之后，设置虚拟摄像机的视场角，当 目标有纵深方向运动时，虚拟摄像机到抠像平面的距离由S1变为S2,视场角（B)通过以下 公式计算得到：
[0024]
[0025] 其中，A表示目标在纵深运动之前虚拟摄像机的视场角，B表示目标在纵深运动之 后虚拟摄像机的视场角。
[0026] 优选地，当存在多个目标时，在虚拟场景中，设置多个虚拟摄像机来实现对不同目 标的跟S示拍摄。
[0027] 优选地，当需要拍摄不呈现目标的背景画面时，将场景图像作为最终呈现的图像 输出。
[0028] 优选地，通过调整抠像平面在虚拟场景中的位置来调整目标在虚拟场景中的位 置。
[0029] 本发明的技术效果：
[0030] 本发明采用高分辨率的实体摄像机，可以在保证图像质量的前提下拍摄全景画 面，替代昂贵的摄像机跟踪系统，使用普通的三脚架，就可以实现具有推、拉、摇功能的虚拟 演播室。让安装、调试变得简便快捷、大大的节约成本。
[0031]同时，本发明可以用一台超高分辨率的实体摄像机模拟多台摄像机的拍摄效果。 而且在拍摄时可以自动跟踪目标的活动范围，实现无人操作的自动跟踪拍摄。
【附图说明】
[0032] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发 明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0033] 图1示出了现有技术中虚拟演播室实现跟踪目标拍摄方式的示意图；
[0034] 图2示出了根据本发明实施例一的可自动跟踪目标的虚拟演播室实现方法的流 程图；
[0035] 图3示出了根据本发明实施例一的可自动跟踪目标的虚拟演播室实现方法中实 体摄像机的机位设置示意图；
[0036] 图4示出了根据本发明实施例一的可自动跟踪目标的虚拟演播室实现方法中场 景输出分辨率与实体摄像机分辨率的对比示意图；
[0037] 图5示出了目标有纵深方向运动时视场角和抠像平面位置的变化示意图；
[0038] 图6示出了存在多个被拍摄目标时拍摄场景的示意图；
[0039]图7示出了采用本发明技术方案模拟无限蓝箱场景的示意图。
【具体实施方式】
[0040] 下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
[0041] 图2示出了根据本发明实施例一的可自动跟踪目标的虚拟演播室实现方法的流 程图，如图1所示，该方法具体包括如下步骤：
[0042] 步骤S202,选取一台高分辨率实体摄像机，设置该实体摄像机的拍摄机位，其中， 该机位能够满足：实体摄像机在此机位上拍摄时，在不需要做任何推、拉、摇、移操作的情况 下，恰好能够拍摄到真实场景中覆盖目标活动的全部范围。
[0043] 图3示出了根据本发明实施例一的可自动跟踪目标的虚拟演播室实现方法中实 体摄像机的机位设置图示。如图3所示，本实施例采用一个像素分辨率比虚拟场景最终输 出分辨率高的、高分辨率实体摄像机，选择合适的机位让实体摄像机拍摄范围覆盖人物活 动的全部范围，此处的目标就是人物。
[0044] 在上述步骤中，关于高分辨率实体摄像机的选取，何为高分辨率，本发明给出了具 体方案，通常情况下，实体摄像机的分辨率至少为场景输出分辨率的4倍。现在常见电视节 目的像素分辨率有1920x1080、1280x720、720x576、720x480等。因此虚拟演播室最终输出 的像素分辨率，常用的也是以上几种。要达到较好的效果，实体摄像机的分辨率的像素应该 是场景最终输出分辨率的4倍或更高。例如，如果最终输出分辨率为1920x1080,则实体摄 像机的分辨率就要达到至少3840x2160。图4示出了根据本发明实施例一的可自动跟踪目 标的虚拟演播室实现方法中场景输出分辨率与实体摄像机分辨率的对比示意图。实体摄像 机的分辨率与场景输出的分辨率差距越大，虚拟场景中虚拟摄像机推、拉、摇的范围就可以 越大。
[0045] 步骤S204,创建虚拟场景，并在虚拟场景中创建抠像平面。
[0046] 其中，创建的抠像平面的宽高比与实体摄像机最大拍摄范围的宽高比是一致的； 当抠像平面与实体摄像机最大拍摄范围的宽高比不一致时，需要在将实体摄像机拍摄的画 面映射到该抠像平面显示时，调整映射的宽高比和大小范围以保证映射的图像不变形。
[0047] 步骤S206,设置虚拟场景中虚拟摄像机的位置，其中，虚拟摄像机到抠像平面的距 离和角度与实体摄像机到目标的距离和角度分别相等。
[0048]当然，也可以在拍摄前，通过调整实体摄像机的位置和角度使其与所拍目标的距 离，分别等于虚拟摄像机与抠像平面的距离和角度。如果实体摄像机距离调整后拍摄范围 不能满足要求，再通过调整摄像机的镜头焦距来达到要求的效果，即实体摄像机在不需要 做任何推、拉、摇、移操作的情况下，恰好能够拍摄到真实场景中覆盖目标活动的全部范围。
[0049] 在上述过程中，还涉及到虚拟摄像机的视场角的设置。当虚拟摄像机与抠像平面 的距离设置好之后；设置虚拟摄像机的视场角以使其能够把抠像平面全部拍摄到画面中， 此时的虚拟摄像机视场角可以用A来表示；在对虚拟摄像机的视场角进行调整时，要确保 使其不能小于（1/2)A。如果在拍摄过程中，被拍摄的人物没有纵深方向的运动，在拍摄过程 中不需要改变视场角的大小。使用上述的方法计算的视场角即可。因为采用了高分辨率的 实体摄像机，所以在保证图像清晰的情况下，可以增大虚拟摄像机拍摄的视场角，将人物的 活动范围包含在拍摄范围内。
[0050] 特别地，图5示出了目标有纵深方向运动时视场角和抠像平面位置的变化示意 图。在实际使用中被拍摄的目标往往会有纵深方向的运动，有时还会移动到一些虚拟物体 的前面，遮挡住虚拟物体。此时就需要在纵深方向移动抠像平面。该抠像平面移动后需要 重新调整虚拟摄像机的视场角。如图5所示，当抠像平面从位置1移动到位置2时，该抠像 平面与虚拟摄像机的距离由S1改变为S2,虚拟摄像机的视场角应该从角度A改变到角度 B。此时角度B的计算公式如下：
[0051]
[0052]