摘要：本文主要介紹虛擬演播室的定位與校準的重要性，并從攝像機的定位及校準、攝像機鏡頭的校準、機電跟蹤系統的校準和攝像機跟蹤系統運動(dòng)參數的獲取四個(gè)方面介紹和闡述了虛擬演播室的定位與校準的方法。

        關(guān)鍵詞：虛擬演播室；定位；校準；機電跟蹤系統

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(lái)的一種獨特的電視節目制作技術(shù)，是在高速圖形計算機和視頻色鍵基礎上發(fā)展起來(lái)的演播室技術(shù)，是虛擬現實(shí)技術(shù)(Virtua1 Rea1ity)在廣播影視制作領(lǐng)域中的一項嶄新應用。在虛擬演播室系統中，現場(chǎng)視頻可以實(shí)時(shí)地與計算機產(chǎn)生的三維圖形完美無(wú)缺地集成在一起。虛擬演播室的場(chǎng)景是計算機生成的三維圖形，稱(chēng)為虛擬場(chǎng)景。它的運動(dòng)受計算機中虛擬攝像機的控制，為保證真實(shí)攝像機的前景畫(huà)面與虛擬場(chǎng)景“聯(lián)動(dòng)”，必須使虛擬攝像機與真實(shí)攝像機的位置、拍攝角度及運動(dòng)狀態(tài)相一致。因此，需要對真實(shí)攝像機進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，獲取攝像機準確的位置信息和運動(dòng)數據。

一、攝像機的定位及校準

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

1、攝像機的首次校定。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。其主要目的是讓計算機感知真實(shí)演播室的大小和位置，并將其坐標和虛擬場(chǎng)景坐標進(jìn)行鎖定，使他們的工作達到一致。首次校定可采用以下幾步:

1.1 攝像機的四點(diǎn)定位

        用螺釘在演播室的藍箱背面上定四個(gè)點(diǎn)，必須訂成一個(gè)矩形平面，并將其長(cháng)，寬及位于下方的兩點(diǎn)距離藍幕地板的垂直高度值輸入到圖形發(fā)生器的校準軟件中;經(jīng)過(guò)軟件和攝像機校準小盒的設置，將真實(shí)攝像機的運動(dòng)坐標與計算機虛擬攝像機的運動(dòng)鎖定。

本文在藍箱的坐標系中(如圖1所示)，定義幾個(gè)參數:

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);

攝像機的成像原點(diǎn)0(x。，y。，zo)

 其中ABCD四點(diǎn)的坐標均已知，點(diǎn)O的坐標未知，也即是本文所要得到的參數。在實(shí)際中通過(guò)測量;在初次開(kāi)拍前，固定攝像機的位置后，將攝像機的中心點(diǎn)分別對準藍幕上的四個(gè)點(diǎn)，通過(guò)攝像機校準小盒記錄這四次的攝像機的相對位置關(guān)系(包括水平和垂直的夾角);

1.2  攝像機位置測定

        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，并將測出的數值輸入校準軟件中。測量這些數值的目的是:讓計算機感知攝像機及其鏡頭的所在位置和相對關(guān)系。

2日常校訂

        日常校定是指系統每次開(kāi)啟后必須做的校準和定位，其目的是讓計算機感知攝像機所在的位置。日常校訂比較簡(jiǎn)單，利用攝像機跟蹤系統小盒上的幾個(gè)按鈕，在進(jìn)行演播時(shí)由計算機通過(guò)坐標變換進(jìn)行校準即可。

二、攝像機鏡頭的校準。

        攝像機鏡頭的校準主要用于真實(shí)攝像機與虛擬攝像機視域的匹配，在機電傳感定位中，真實(shí)攝像機鏡頭的焦點(diǎn)在變焦和聚焦時(shí)的移動(dòng)是非線(xiàn)性函數，虛擬攝像機不能處理這種非線(xiàn)性問(wèn)題，在首次適用前進(jìn)行鏡頭校準。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們假定光心就是像素設備幀緩存的中心，校準算法的總體思路是:首先根據攝像機成像的徑向約束條件近似估計攝像機的參數，然后用非線(xiàn)性迭代算法優(yōu)化初始的攝像機參數。這種算法的優(yōu)點(diǎn)是計算速度快，結果準確。

三、機電跟蹤系統的校準

        虛擬演播室的參數跟蹤采用機電跟蹤設備完成，我臺選用的TOP3D-SET采用最新的光柵旋轉編碼器的高精度參數采集系統,采用8M頻響的采集電路,自適應初始化定位技術(shù)。其主要設備包括變焦鏡頭傳感器、固定在三腳架上的機電搖擺和俯仰的碼盤(pán)，主要用于在拍攝過(guò)程中攝像機的俯仰、搖擺、推拉等動(dòng)作時(shí)進(jìn)行校準。通過(guò)將機械運動(dòng)轉變?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(chǎng)景的計算機；計算機根據接收到的信號，轉換為虛擬攝像機(virtual  camera)的參數，實(shí)時(shí)渲染生成三維虛擬背景;最后在視頻合成系統中將前景、背景進(jìn)行摳像合成。

        在機電傳感定位中，真實(shí)攝像機鏡頭的焦點(diǎn)在變焦和聚焦時(shí)的移動(dòng)是非線(xiàn)性函數，虛擬攝像機不能處理這種非線(xiàn)性問(wèn)題，需要在首次適用前進(jìn)行鏡頭校準。鏡頭校準首次較準中最為復雜的一步。通過(guò)一個(gè)特制的標尺框(校準板：500×500毫米，由100×l00毫米的黑白方格交替排列組成)和PC機的鏡頭校準軟件，在鏡頭取景范圍的最大值和最小值之間測取100個(gè)樣值點(diǎn)，為計算機中的虛擬攝像機建立一條鏡頭變焦與取景角度之間的曲線(xiàn)。當真實(shí)像機的鏡頭推拉和變焦時(shí)，虛擬場(chǎng)景就能同步運動(dòng)了。

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

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

        攝像機跟蹤系統中將帶有變焦鏡頭傳感器的攝像機安裝在固定的三腳架上，三腳架上帶有機電搖擺和俯仰的碼盤(pán)。傳感器跟蹤系統對于每個(gè)視頻場(chǎng)(對應搖擺、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(pán)的相對變化值，必須推算出用于渲染虛擬場(chǎng)景的虛擬攝像機的參數:在世界坐標系中的坐標(xvirtual,yvirtual,,zvirtual)，搖擺角(apan)、俯仰角(atilt)、視域角(aview)。

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

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

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