专利名称：用于虚拟演播室的景置匹配装置及其匹配方法
技术领域：
本发明涉及所釆集实景与三维虛拟场景透视关系匹配技术领域，尤其是 涉及一种用于虛拟演播室的景置匹配装置及其匹配方法。
背景技术：
虛拟演播室技术经过近十多年的发展，已经取得了巨大进步，目前已 进入普及应用阶段。但是，作为虛拟演播室系统中关键技术之一的摄像机 所摄取真实前景(蓝箱中的节目主持人或物体)与三维虛拟场景的透视关系 匹配技术以及三维虛拟场景与摄像机位置关系匹配技术，现如今都尚欠缺有 效的匹配方法及其装置。实践中，从不同位置、不同角度对同一物体进行 观测的视觉透视效果均存在差异，尤其是在虛拟演播室系统中，更是要快 速并准确解决置于蓝箱中任意位置的摄像机所摄取前景与三维虛拟场景 透视关系之间的匹配问题，只有有效解决了摄像机所摄取的实际前景与三 维虛拟场景的透视关系匹配问题以及三维虛拟场景与摄像机位置关系匹 配问题，才能使得真实场景自动融入三维虛拟场景的空间适当位置之中， 并使得三维虛拟场景位置关系与摄像机位置关系相匹配，才能够反映正确 的三维虛拟空间遮挡与透视关系，并最终使得所播出的画面更加真实，画 面效果更好、质量更高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一 种用于虛拟演播室的景置匹配装置及其匹配方法，其装置结构简单、使用 操作简便且匹配方法简单易行，能有效解决前景与三维虛拟场景的透视关 系匹配及摄像机与三维虛拟场景的位置关系匹配问题。
为解决上述技术问题，本发明釆用的技术方案是 一种用于虛拟演播室
的景置匹配装置，其特征在于包括置于虛拟演播室中任意位置且对前景 进行摄取的摄像机、安装在摄像机上的俯仰传感器和平摇传感器、信号输 入单元、对信号输入单元所输入信号进行实时分析处理并换算得出摄像机 所摄取前景位置和摄像机当前位置坐标参数的信号处理单元以及与所述 虛拟演播室的三维渲染设备相接的数据输出单元，所述摄像机、俯仰传感 器和平摇传感器均接信号输入单元,信号输入单元接信号处理单元，信号 处理单元接数据输出单元。
所述信号处理单元为景置识别板卡。
一种利用上述用于虛拟演播室的装置进行景置匹配的方法，其特征在 于该方法包括以下步骤
(a )以所述虛拟演播室蓝箱中的任 一 点为坐标原点o并建立空间三维 直角坐标系，所述摄像机当前所处位置A的坐标为(x。， y。， z。)，摄像机 在地面投影点A'的坐标为(x。， y。， 0)，其中z。为摄像机的竖直高度；
(b) 将摄像机的镜头即其取相框中的十字线交错点对准坐标原点O;
(c) 将摄像机俯仰和平摇移动后，使得其镜头正对XZ平面或YZ平 面，俯仰移动的角度为cx,平摇移动的角度为P;
(d) 摄像机、俯仰传感器和平摇传感器分别经信号输入单元将其所 釆集的信号传输至信号处理单元，信号处理单元在景深位置识别算法单元 的支持下先经内部分析处理得出摄像机所摄取真实前景在所述蓝箱中的 位置坐标参数；信号处理单元再根据俯仰传感器和平摇传感器所传入的角 度信号处理得出摄像机当前所处位置A的坐标参数当摄像机的镜头正对 XZ平面时，位置A的坐标参数为( z0 cot a sin ;6 ， z。 cot or cos ^ , Z0) ;当摄像 机的镜头正对YZ平面时，位置A的坐标参数为( z0 cot a cos々,z0 cot or sin ",
zo);
(e) 信号处理单元经数据输出单元将经其处理的信号传输给所述三 维渲染设备。
所述摄像机的竖直高度z。=1.4m。
本发明与现有技术相比具有以下优点1、结构简单且使用操作简便； 2、实时进行数据处理运算，能够准确快速解决置于蓝箱中任意位置的摄 像机所摄取真实前景与三维虛拟场景的透视关系匹配问题以及三维虛拟 场景与摄像机位置关系匹配问题，使得真实场景能够自动融入三维虛拟场 景的空间适当位置之中，并使得三维虛拟场景位置关系与摄像机位置关系 相匹配，因而能够反映正确的三维虛拟空间遮挡与透视关系，使得最终使 得所播出的画面更加真实，画面效果更好、质量更高；2、应用范围广泛， 能够有效应用于其他等距离跟踪、寻踪技术领域，例如航天、航海等行业。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明用于虛拟演播室的景置匹配装置的整体结构示意图。 图2为本发明用于虛拟演播室的景置匹配装置的使用状态参考图。
附图标记说明
l一摄像机； 2—俯仰传感器； 3—平摇传感器；
4一信号输入单元； 5—信号处理单元； 6—景置处理装置； 7—数据输出单元； 8—景置匹配识别装置；9一虛拟演播室渲染图形
工作站。
具体实施例方式
如图l所示，本发明用于虛拟演播室的景置匹配装置包括置于虛拟演播 室中任意位置且对前景进行摄取的摄像机1、安装在摄像机1上的俯仰传 感器2和平摇传感器3、信号输入单元4、对信号输入单元4所输入信号
进行实时分析处理并换算得出摄像机l所摄取前景位置和摄像机l当前位 置坐标参数的信号处理单元5以及与所述虛拟演播室的三维渲染设备相接 的数据输出单元7,其三维渲染设备即虛拟演播室渲染图形工作站9。其中，
所述摄像机1、俯仰传感器2和平摇传感器3均接信号输入单元4，信号 输入单元4接信号处理单元5,信号处理单元5接数据输出单元7。所述 信号处理单元5为景置识别板卡。也就是说，信号输入单元4、信号处理 单元5和数据输出单元7三者组成景置处理装置6;而摄像机1、俯仰传感 器2、平摇传感器3和景置处理装置6组成景置匹配识别装置8。
如图2所示， 一种用于虛拟演播室的景置匹配方法包括以下步骤 第一步、假设所述虛拟演播室蓝箱中的任一点为坐标原点O并建立空 间三维直角坐标系，所述摄像机l当前所处位置A的坐标为(x。， y。， z。)， 摄像机1在地面投影点A'的坐标为(x。， y。， 0)，其中z。为摄像机l的 竖直高度。本实施例中，摄像机l的竖直高度z产1.4m。
第二步、将摄像机l的镜头即其取相框中的十字线交错点对准坐标原
占D
第三步、将摄像机1俯仰和平摇移动后，使得其镜头正对XZ平面或 YZ平面，俯仰移动的角度为oc,平摇移动的角度为P。实际使用过程中， 既可以先将摄像机l进行俯仰移动后，再进行平摇移动；也可以先进行平 摇移动，再相应进行俯仰移动，最终将摄像机1的镜头移动至正对xz平 面或正对YZ平面。本实施例中，摄像机1的镜头最终正对XZ平面，并且 镜头在XZ平面上的正投射点为点B。
第四步、摄像机l、俯仰传感器2和平摇传感器3分别经信号输入单 元4将其所釆集的信号传输至信号处理单元5,信号处理单元5在景深位 置识别算法单元的支持下先经内部分析处理得出摄像机l所摄取真实前景 在所述蓝箱中的位置坐标参数；信号处理单元5再根据俯仰传感器2和平 摇传感器3所传入的角度信号(即俯仰移动角度a和平摇移动角度P)处 理得出摄像机1当前所处位置A的坐标参数当摄像机1的镜头正对XZ 平面时，位置A的坐标参数为( z0 cot"sin， z0 cot"cos》，z0 );当摄像机 1的镜头正对YZ平面时，位置A的坐标参数为( z0 cot" cos " ， z0 cot" sin々， z。)。本事实例中，摄像机l当前所处位置A的坐标参数为(z。cotasin",
Zo COt " COS ,Z0 ) 0
第五步、信号处理单元5经数据输出单元7将经其处理的信号传输给 所述三维渲染设备。所述三维渲染设备再相应经方程矩阵计算，配合景置 匹配识别装置8,实现三维虛拟场景和摄像机1所摄取真实前景的透视关系 匹配和景深位置关系的无缝匹配，并实现摄像机1位置和三维虛拟场景位置 关系的匹配，使得真实场景能够自动融入三维虛拟场景的空间适当位置之 中，最终反映出正确的三维虛拟空间遮挡与透视关系。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是 根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构 变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
权利要求
1.一种用于虚拟演播室的景置匹配装置，其特征在于包括置于虚拟演播室中任意位置且对前景进行摄取的摄像机(1)、安装在摄像机(1)上的俯仰传感器(2)和平摇传感器(3)、信号输入单元(4)、对信号输入单元(4)所输入信号进行实时分析处理并换算得出摄像机(1)所摄取前景位置和摄像机(1)当前位置坐标参数的信号处理单元(5)以及与所述虚拟演播室的三维渲染设备相接的数据输出单元(7)，所述摄像机(1)、俯仰传感器(2)和平摇传感器(3)均接信号输入单元(4)，信号输入单元(4)接信号处理单元(5)，信号处理单元(5)接数据输出单元(7)。
2. 按照权利要求l所述的用于虛拟演播室的景置匹配装置，其特征在 于所述信号处理单元(5)为景置识别板卡。
3. 利用如权利要求1所述的用于虛拟演播室的景置匹配装置进行景置 匹配的方法，其特征在于该方法包括以下步骤(a )以所述虛拟演播室蓝箱中的任一点为坐标原点O并建立空间三维 直角坐标系，所述摄像机(1)当前所处位置A的坐标为(x。， y。， z。)， 摄像机(1)在地面投影点A'的坐标为(x。， y。， 0),其中z。为摄像机 (1)的竖直高度；(b) 将摄像机(1)的镜头即其取相框中的十字线交错点对准坐标原点o;(c) 将摄像机(1)俯仰和平摇移动后，使得其镜头正对XZ平面或 YZ平面，俯仰移动的角度为a,平摇移动的角度为P;(d) 摄像机(1)、俯仰传感器(2)和平摇传感器(3)分别经信号 输入单元(4)将其所釆集的信号传输至信号处理单元(5),信号处理单 元(5)在景深位置识别算法单元的支持下先经内部分析处理得出摄像机(1)所摄取真实前景在所述蓝箱中的位置坐标参数；信号处理单元(5) 再根据俯仰传感器(2)和平摇传感器(3)所传入的角度信号处理得出摄像机(1)当前所处位置A的坐标参数当摄像机(1)的镜头正对XZ平 面时，位置A的坐标参数为( );当摄像机(l)的镜头正对YZ平面时，位置A的坐标参数为(z。cot"cos々，z。cotasin-, z。)；(e)信号处理单元(5)经数据输出单元(7)将经其处理的信号传 输给所述三维渲染设备。
4.按照权利要求3所述的用于虛拟演播室的景置匹配装置的匹配方 法，其特征在于所述摄像机(1)的竖直高度z。-1.4m。
全文摘要
本发明公开了一种用于虚拟演播室的景置匹配装置及其匹配方法，匹配装置包括摄像机、安装在摄像机上的俯仰传感器和平摇传感器、信号输入单元、对信号输入单元所输入信号实时分析处理并换算得出前景位置和摄像机当前位置坐标参数的信号处理单元以及与三维渲染设备相接的数据输出单元；其匹配方法为以蓝箱中任一点为坐标原点并建立空间三维坐标系，将摄像机镜头对准坐标原点，再经俯仰和平摇移动后使镜头正对XZ或YZ平面，信号处理单元处理得出前景位置和摄像机当前位置的坐标参数并将其处理信号传输给三维渲染设备。本发明装置结构简单且操作简便，能有效解决前景与三维虚拟场景的透视关系匹配及摄像机与三维虚拟场景的位置关系匹配问题。
文档编号G06T17/00GK101370088SQ200810231730
公开日2009年2月18日 申请日期2008年10月14日 优先权日2008年10月14日
发明者肖宗坤, 黄民主 申请人:西安宏源视讯设备有限责任公司