大型工作室环境中的摄像机的被动定位信息的制作方法

专利名称：大型工作室环境中的摄像机的被动定位信息的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及位置信息系统，更具体地涉及工作室环境中的 摄像机的定位信息。
背景技术：
测量每一个工作室摄像机的精确位置和方向对于从适当视点呈现 虚拟场景的任何虚拟媒体制作系统来说是基本的。当前系统可以实现
高达2毫米的精确度。然而，对这些系统存在若干限制。首先，构造 这样系统的成本通常是100,000美元量级的。其次，在使用系统之前 需要进行校准，并且该过程涉及大量的人力。
无线传感器网络中的最新进展使得用于定位的新的方法成为可 能。有许多关于使用传感器网络定位的文献，并且已经提出很多算法 用于提供每节点位置信息。可以将这些方法分为两类基于范围以及 与范围无关。基于范围的定位要求点到点距离估计(范围)或者角度 估计，同时与范围无关的定位不假定任何这样的信息。由于基于与范 围无关的协议的精确度限制，它们不适合多数媒体制作应用，因此， 只有基于范围的定位方法适合于在工作室环境中进行定位。
Cricket位置支持系统是配备有超声波收发器的少数商业传感器 节点之一，已经证明在室内范围估计中可以有效地达到高精确度。由 于范围精确度对于定位精确度来说至关重要，Cricket系统是媒体制作 应用中用于定位的良好候选。第二，现用的Cricket系统已经提供了具 有高定位精确度的基础系统，我们可以使用该基础系统来其上建立定 位系统。
Cricket系统使用用于定位的基于范围的方法并且具有3厘米的报 告精确度。Cricket使用具有超声波(US)和射频(RF)发射器的信 标作为参考系统以对需要定位的节点(收听器)的位置进行三角测量。
5使用超声波信号和RF信号的到达时间差(TDOA)来测量从收听器到信标的距离。这比单独使用接收的信号强度(RSS)实现更好的范围估计。
在室内环境中对Cricket系统的广泛评估显示，对于不同的测试来说原始的Cricket系统实现从2cm到10cm的精确度。这对于媒体制作应用来说不令人满意。使用传感器网络的室内定位具有其潜力，但是也具有局限性。工作室环境中的摄像机定位相比于其它室内定位系统来说具有不同的要求和挑战。这些包括(1)大工作室空间，(2)少数的待定位节点，以及(3)高精确度定位的需要。
.因此，需要一种克服现有定位系统的局限性的定位技术来适应工作室环境中的唯一特性和要求。

发明内容
在本发明的一个方面中， 一种方法包括响应于来自发射器的信号的响应，基于已知位置的接收器，从所收集的范围测量中检测不可接受为发射器的运动的指示的范围测量。
在本发明的另一方面中， 一种装置包括站，用于接收发射器的所收集的范围测量，并且检测哪个范围测量不可接受为发射器的运动的指示。
在本发明的又一方面中， 一种方法包括将至少一个发射器定位在至少一个可移动摄像机上，所述发射器用于发送由定位在固定位置的接收器可检测的信号以用于所述摄像机相对于接收器的距离测量，所述接收器用于所述距离测量的位置处理。
在本发明的另一方面中， 一种装置包括针对至少一个可移动摄像机的至少一个发射器，用于发送可由定位的接收器检测到的信号以用于所述摄像机相对于所述接收器的距离测量，所述接收器用于所述距离测量的处理。


根据现在将结合附图详细描述的示意性实施例，本发明的优点、本质以及各种附加特征将变得更完整，其中
图1是示出了根据本发明的被动操作模式中的定位技术的图2是本发明克服的Cricket位置系统的超声波发射器的对准的限制的图；以及
图3是根据本发明的定位阶段的离群值(outlier)检测过程的流程图。
应当理解，附图仅用于说明本发明的构思并且不是用于说明本发明的唯一可能配置。
具体实施例方式
本发明针对支持工作室环境中的被动定位。本发明的定位实现了精确的范围估计，并且将定位算法放到稍后的阶段中。由于本发明的定位用于后处理，通信仅需要是单向的，例如从要定位的节点到锚节点，并且这没有向原始系统引入额外的开销。本发明还通过减轻收听器侧的范围估计的干扰来提高定位精确度。本发明的定位适于选择最可靠锚节点用于节点定位，本发明的定位更有效率的利用资源并且对于静态节点来说产生更稳定的结果。
当前Cricket系统采用的主动模式不适合于实现高精确度，这是由于无线收发器有限的带宽、定向超声波发送的局限性、以及射频RF和超声波US之间的交叠。基于媒体制作应用的特性(如少数的摄像机和潜在大的工作室规模)，最优选地，让要定位的节点发射用于范围估计的信标，并且在后处理阶段期间离线地进行定位。
本发明提供在大型工作室环境中的高精确度摄像机定位，在该大型工作室环境中典型地需要对两个或三个摄像机进行定位。通过减轻干扰和离群值问题来对Cricket定位系统进行改进。为了解决静态环境
中的最小平方估计器的不稳定性问题，本发明采用自适应锚点选择算法，该算法通过滤除不可靠的范围估计来实现稳定性。
可以将工作室环境描述为少数摄像机、大室内空间、以及用于媒体制作应用的定位具有对每个位置处的高精确度的要求。这是与使用精确度在10cm量级的传感器网络的传统定位系统非常不同的设计目的。摄像机定位系统应当允许摄像机在整个工作室空间内不受约束的运动，并且足够精确地测量摄像机位置以最小化该场景的实际和虚拟元素的相对位置中的漂移或噪声。
已经开发出很多室内定位系统用于不同的目的。本发明的优选实
施例采用Cricket系统，这是由于其在商业上是可用的，并且可以实现
高达10cm的定位精确度。在Cricket系统中，将节点分为两类要定位
的那些节点和用作锚定的那些节点。
锚节点一旦被放置后就不再移动。锚节点周期性地发出信标消
息，该信标消息包含锚节点的位置以及紧随RF信号之后的US信号。收听器基于到达的时间差TDOA来估计其到锚点的距离，然后基于到至少三个已知位置的锚点的范围及其己知位置来使用多边定位(multi-lateration)算法估计收听器的位置。由于在使用Cricket部署系统之后才确定锚点的数目，因此可以容易地满足该要求。Cricket系统遇到的显著挑战是带内干扰。该干扰即为当计算一对射频RF和超声波US信号之间的到达时间差TDOA时的无线传输之间的干扰以及超声波US的干扰。这使得很难进一步提高大型工作室环境中的摄像机位置定位的精确度。
本发明通过利用工作室环境的唯一特性来减轻Cricket系统的不精确性。允许在移动和静态节点(比如摄像机)上运行的应用，以通过使用遍布建筑物的收听器(比如安装在天花板上)来得到它们的物理位置，该收听器收听并且分析来自要确定位置的信标的信息。
这与原始Cricket设计的不同之处在于，要定位的节点现在作为信标工作。 一方面，由于少数要定位的摄像机，信标发送不对网络造成可縮放性问题。另一方面，由于位置数据通常仅用于后处理，可以将定位推迟到后处理阶段，并且将所有范围测量收集到中央服务器以进行处理。这允许更复杂的定位算法以及范围估计过滤器以实现节点定位的更高精确度。我们的设计考虑到媒体制作应用的宽范围的延迟容忍属性以进一步提高它们的定位精确度。
用于在工作室环境中使用Cricket系统进行摄像机定位的本发明
过程包括将锚节点编程为处于收听器模式，将节点编程为用作信标，并且测量 一 对射频RF和超声波U S脉冲的到达时间差。
将锚节点编程为处于收听器模式，并且将其部署在天花板上以覆盖要对摄像机进行定位的工作室。锚点的放置考虑到几何约束，使得定位算法可以稍后产生结果。该步骤可以让人工参与。通过手工设置过程或自动校准过程，锚节点的位置是己知的。
作为信标的要定位的节点用于周期性地发出射频RF信号，随即发出超声波US脉冲。射频RF信号还包含关于何时发送该对信号的时间保持信息，该时间保持信息稍后在后处理期间用来利用其相对时间戳对摄像机的位置进行映射。
通过测量一对射频RF信号和超声波US脉冲的TDOA，每个锚节点可以估计其与摄像机的距离。在基站处收集这样的范围测量以用于场景中的摄像机定位，下面更详细地进行描述。定位的精确度依赖于足够数目的范围测量和范围测量的精确度，下面更详细地进行描述。
图l的10示出了使用Cricket系统的被动模式下的本发明的定位系统的示例配置。将信标附着至要定位的摄像机4，并且将锚点2A至2F放在工作室的天花板上。Stargate节点lA和lB聚集范围估计业务，并且使用无线链路将它们转发至基站3。当收集了不同时间的所有范围估计时，在基站3处进行定位。
Stargate节点是低功率、小尺寸、400MHz、 Linux单板计算机。Stargate是具有增强的通信和传感器信号处理能力的强单板计算机。Stargate使用Intel⑧的最新一代400MHz X-Scale⑧处理器(PXA255)。Stargate直接支持Intel的开源机器人技术倡议的应用以及基于TinyOS的无线传感器网络。
在基站处收集范围测量。不需要实时地进行定位，并且仅需要在定位阶段之前在基站处收集范围测量。这允许使用更有效率的数据收集路由协议，而不是与其在主动模式下一样实时地传送位置数据。示例范围数据收集协议需要，基于摄像机侧的节点(即，信标)的时钟给所有范围估计加时间戳，并且周期性地向一些群集节点2A、2B发送。当在群集节点处聚集到足够的范围数据时，它们使用其无线链路将该数据转发至基站。已经证明，这是在能源利用上更有效率的方法并且
9对定位业务引入零干扰。
由于范围测量仅由信标侧的可以标识不同信标的唯一给定的时间戳来唯一标识，如使用用于不同信标的唯一标识，因此在本发明的过程中不需要锚点和信标之间的时间同步。稍后在定位阶段期间，仅需要本地时钟和信标侧时间戳之间的映射来计算信标节点的位置。然而，由于各种干扰和真实因素，信标可能会丢失或延迟，导致如果节点在移动中则范围测量的丢失或不精确。锚点和信标之间的粗粒度同步是有用的。及时到达的信标用于同步，并且在丢失的范围测量之间进行插值。当丢失信标数量较少时这工作良好。假如在锚点和信标显著不同步的非常恶劣的情况中，可以使用任何现有的同步技术来引导
(bootstrap)它们之间的同步。
范围测量离群值过滤考虑到，由于信标节点现在是要定位的节点并且信标的数目少，则最小化带内干扰。具体地，当来自信标A的超声波US脉冲的反射到达时而正在接收来自信标A的射频RF信号RF-A， US-RA时，需要给予这样的考虑。Cricket系统通过将超声波发射器与特定位置对准使得减少泄漏到没有覆盖的位置的超声波来解决该问题。
图2的20示出了Cricket超声波发射器21的局限性。由于发射器21被对准为，使以最强的能量朝向其45度方向扫描内的锚点22A、 22B，在覆盖区域之外的锚点22C将受到多路径干扰问题的影响，导致不精确的范围测量。这已经通过实验评估验证了。通过小心地选择在信标覆盖区域内的锚点22A、22B，减轻来自反射的超声波脉冲的干扰问题。然而，该方法具有若干问题。对于大工作室空间来说，从锚点至不在覆盖区域内的节点的范围测量更倾向于受到该类型干扰而产生错误。由于难以在不査看所有范围的情况下在运行中滤除这些范围估计，因此难以使用定位的主动模式来进行标识。
对于本发明的方法，在被动地收集所有范围测量之后，可以使用统计学来滤除那些引入较大误差的离群值。图3的流程图30证明了用于范围测量离群值检测的过程。该过程在31开始，将来自所有锚点的范围测量进行合并32。使用插值来推断丢失的范围测量33。如果不存在
10静止一致性34，则检查测量是否可能是离群值的运动一致性35。如果 不存在运动一致性，则将该范围测量标记为离群值测量37。如果不存 在静止一致性34，并且预定次数(例如，t+l<N)的递归插值还没有 产生静止一致性，则过程结束38。否则再一次使用插值来推断丢失的 范围测量，并且重复该过程用于检测离群值范围测量。
对于图3的过程，当检测离群值时考虑两个主要约束静止一致 性34和运动一致性35。静止一致性意味着如果信标是静止的，则范围 估计对于特定锚点应当稳定。如果信标没有运动，则范围测量中的任 何较大的差异指示了离群值。运动一致性意味着来自所有或者大部分 锚点的范围测量应当在空间上是一致的。此处将空间一致性定义为， 对于锚点来说信标应当遵循的实际几何距离约束。如果对于一个锚点 的范围估计不是静止一致的，其有可能为离群值，或者这是由于信标 移动。然后将该范围测量标记为离群值候选并且测试运动一致性35。 仅当在该时间戳的测量是运动一致的，才实际地将其视为离群值。这 样，考虑到了节点运动和各种干扰对范围估计的影响，这产生了离群 值检测中的更高的精确度。
如图所示，通过采用补充支持工作室环境的唯一特性的被动定位 模式，本发明建立于低成本和商业可用的定位系统Cricket之上。Cricket 系统可以达成2-10cm的精确度，这不适合于媒体制作应用。本发明进 一步提高了在要求2mm的精确度的工作室环境中的定位精确度。本发 明是简单而有效的新架构，其相比于当前Cricket系统来说进一步增加 了定位精确度。
本发明还保持了使用传感器网络的定位系统的低成本优势。本发 明是补充支持应用和目标环境特性的高精确度定位系统。对于本发明 来说，现在以反方向向锚节点发回信标，并且在将加时间戳的范围估 计收集到中央服务器之后离线地进行定位，从而最小化不同射频RF和 超声波US之间以及超声波US和超声波US之间的干扰。本发明减轻了 原始Cricket系统中固有的干扰问题，引起可定位精度的提高，而无需 折衷其它重要因素(如成本、能量和人工)。
已经描述了针对精确的基于无线的摄像机定位和定向的优选实施例，应当注意，本领域技术人员可以根据以上教导进行修改和变型。
例如，所示群节点是来自Intel的Stargate节点2A、 2B。该Stargate节点 仅是示例性的并示出用于帮助理解本发明，并且可以使用其它节点类 型作为群集节点。用于与群集节点2A、2B通信的示例无线连接是WI-FI 或802.11兼容链路。然而，可以使用其它无线通信链路。
已经按照专利法要求详细并且具体地描述了本发明，在所附权利 要求中阐述了专利证所保护的要求权利和需要的内容。
权利要求
1、一种方法，包括以下步骤响应于来自发射器的信号，基于已知位置的接收器，从所收集的范围测量中检测不可接受为发射器的运动的指示的范围测量。
2、 根据权利要求l所述的方法，还包括以下步骤滤除不可接受 的范围测量。
3、 根据权利要求l所述的方法，其中，所述检测步骤包括基于 所述发射器是静止的，寻找所收集的范围测量之一的稳定性。
4、 根据权利要求l所述的方法，其中，在与静止的发射器相关联 的范围测量中的较大差异指示了错误。
5、 根据权利要求l所述的方法，其中，所述检测步骤包括针对 空间一致性査看范围测量之一。
6、 根据权利要求l所述的方法，其中所述检测步骤包括针对当 发射器相对于接收器运动时应当遵循的几何距离约束，查看范围测量 之一。
7、 根据权利要求l所述的方法，其中，所述检测步骤包括查看 缺少空间一致性的范围测量之一的运动一致性。
8、 根据权利要求7所述的方法，其中，所述运动一致性意味着来 自特定数目的接收器的范围测量应当是空间一致的。
9、 一种装置，包括站，用于接收发射器的所收集的范围测量，并且检测哪个范围测 量不可接受为发射器的运动的指示。
10、 根据权利要求9所述的装置，其中，所述站被配置用于滤除不可接受的范围测量。
11、 根据权利要求9所述的装置，其中，所述站被配置用于基于静止的发射器，寻找所收集的范围测量之一的稳定性。
12、 根据权利要求9所述的装置，其中，所述站被配置用于寻找 与静止的发射器相关联的范围测量中的较大差异作为对错误的指示。
13、 根据权利要求9所述的装置，其中，所述站被配置为，针对空间一致性査看范围测量之一。
14. 根据权利要求9所述的装置，其中，所述站被配置为，针对 当所述发射器相对于所述接收器运动时应当遵循的几何距离约束，査 看范围测量之一。
15、 根据权利要求9所述的装置，其中，所述站被配置为，用于查看缺少空间一致性的范围测量之一的运动一致性。
16、 根据权利要求15所述的装置，其中，所述运动一致性意味着 来自特定数目的接收器的范围测量应当是空间一致的。
17、 根据权利要求9所述的装置，其中，所述站是无线接收所收 集的范围测量的服务器。
18、 根据权利要求9所述的装置，其中，所述站是从Cricket定位 系统接收所收集的范围测量的计算机。
19、 根据权利要求9所述的装置，其中，对范围测量加时间戳。
20、 一种方法，包括以下步骤将至少一个发射器与至少一个可移动摄像机关联，所述发射器用 于发送由定位的接收器可检测的信号以用于摄像机相对于接收器的距 离测量，所述接收器用于所述距离测量的处理。
21、 根据权利要求20所述的方法，还包括以下步骤周期性地收 集距离测量，用于向中央服务器发送以进行位置处理，从而获得摄像 机定位。
22、 根据权利要求20所述的方法，其中，所述发射器是Cricket系统的信标。
23、 根据权利要求20所述的方法，其中，所述接收器是Cricket系统的锚点。
24、 根据权利要求20所述的方法，其中，将所述接收器定位在工 作室环境的屋顶上。
25、 根据权利要求20所述的方法，其中，收集距离测量用于进行 范围估计过滤，以获得摄像机定位。
26、 根据权利要求20所述的方法，其中，所述至少一个摄像机包 括在工作室环境中可移动的多个摄像机。
27、 一种装置，包括针对至少一个可移动摄像器的至少一个发射器，用于发送可由定 位的接收器检测的信号，以用于摄像机相对于接收器的距离测量，所 述接收器用于所述距离测量的位置处理。
28、 根据权利要求27所述的装置，其中，所述至少一个发射器是针对工作室环境中可移动的相应的多个摄像机的多个发射器。
全文摘要
在本发明的一个实施例中，一种方法包括将至少一个发射器定位在至少一个可移动摄像机上，用于发送可由位于固定位置的接收器检测的信号，以用于摄像机相对于接收器的距离测量，所述接收器用于所述距离测量的位置处理。所述方法还可以包括响应于来自所述发射器的信号，基于已知位置的接收器，从所收集的范围测量中检测出作为发射器的运动的指示的范围测量。
文档编号H04N5/247GK101675661SQ200780052991
公开日2010年3月17日 申请日期2007年5月17日 优先权日2007年5月17日
发明者库马尔·拉马斯瓦米, 勇 王, 绍拉伯·马瑟, 杨 郭 申请人:汤姆森许可贸易公司