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虚拟演播室中的跟踪

发布时间: 2015-1-13      来源: 创动力
关键字: 虚拟演播室 摄像机 跟踪
          在传统演播室的拍摄中,主持人可以在演播室中自由走动,因为他处在一个真实的场景,摄像机拍摄的内容表达了主持人与真实道具之间的位置关系,这些道具包括桌子、沙发或柱子等。如果主持人走到一个柱子的后面,显然他会被柱子遮挡。然而在虚拟演播室的蓝箱中事情就不那么简单了,涉嫌过一个选举结果揭晓的场景,主持人在没有真实场景的蓝箱中行走,演播室中只有蓝色背景板和蓝色地板,除了摄像机其余任何东西都不存在;虚拟演播室系统用虚拟三维场景替代蓝色背景,而场景中出现的虚拟物体包括大选中的统计图表、从地板下升起的电视墙、从天花板上相下运动的电梯等虚拟物体。怎样知道主持人与三维物体之间的位置关系呢?比如主持人语一个虚拟统计图表之间的位置关系。又怎样避免在最终合成的视频图像中出现前景主持人与作为背景的虚拟三维物体之间在位置上的冲突呢?

            虚拟演播室中的跟踪

        在实际操作中,工作人员想出了一些办法。比如,可以使用蓝色的胶带在演播室地板的某个地方做相应的标记,为主持人的走位提供参考。另一种常用的办法是在主持人可以看到的地方放置一台用于系统输出的监视器,这样主持人就能够从合成的虚拟演播室系统输出中看到自己处在虚拟场景中的什么位置。通过这种方式主持人可以参考背景来走动,并且能够确定场景中一些虚拟物体所在的位置。另外一个问题是:如让虚拟演播室系统知道主持人在场景的什么位置,这正是深度跟踪需要解决的问题。

         某些情况下需要让主持人位于虚拟场景中某些物体后面,这样能够赋予场景更真实的空间效果。首先要求三维虚拟演播室系统能够根据需要将一个三维的虚拟物体(比如一个记分牌)定义为前景活着背景,然后要知道主持人的空间位置,即他是位于虚拟物体的前面还是后面。

        解决这个问题有手动和自动两种方法。手动方法是操作人员通过控制室的窗户观察主持人在蓝箱中的位置,然后用手动的方式切换已定义好的虚拟物体(作为前景或背景)来实现和主持人的前后遮挡变换。这种方法简单实用,而且成本较低。自动方法是以一种更精确、更先进的方法,它在主持人的身上防止一个红外线的LED(红外发光二极管)装置,同时让安装在演播室天花板上的红外摄像机以及跟踪分析系统判断蓝箱中走动的主持人的准确空间位置,这个位置是相对于系统事先定义好的绝对零点的坐标。用来渲染三维场景的图形工作站接收跟踪分析系统计算出来的主持人的空间位置信息,然后根据主持人在虚拟演播室中的空间位置和三维虚拟物体的空间位置自动判断将三维虚拟物体作为前景还是作为背景。如果在某个特定时刻将虚拟物体制定为前景,那么主持人将被它遮挡;如果以虚拟物体作为背景,则主持人将出现在它的前面。此外,红外跟踪系统能够对主持人所在的位置提供非常准确的数据,系统利用这些数据不仅可以实现将主持人至于三维场景中某个物体的前面或后面,还能够实现主持人位于一个物体内的效果,比如主持人置身于一个小型电梯或电话亭中。

        有些媒体将深度跟踪称作深度键。随着深度跟踪技术在精度和稳定性方面的不断提高,它已逐渐成为虚拟演播室系统的一个重要组成部分。对于演播室摄像机的跟踪有时采用好几种跟踪方式,以弥补某一种方法的不足。比如,通常采用网格识别与红外跟踪结合的方法,当然相应提高了硬件成本。而一套用于深度跟踪的红外跟踪系统只需要较少的附加设备。

       为了保证直播的安全及应对多种突出事件的发生,此次系统的跟踪方式同时采用网格+机械传感器+红外跟踪(CamTrack)三种跟踪技术。

1、机械传感器跟踪方式

          机械传感器跟踪是通过获取摄像机镜头及云台运动数据的方式来进行摄像机跟踪的技术。通常会在镜头和云台上安装机械齿轮用来获取数据。因此传感器在实际应用中是否能得到最大的发挥在很大程度上取决于硬件的质量。良好的硬件质量可以使传感器在相当长时间处于稳定运行状态而低质量的硬件设备很可能造成设备使用中需要大量的维护,甚至无法继续使用。

          另外由于采用机械方式获得数据物理偏差在所难免,对镜头数据以及云台数据的软件修正能力决定了实际应用中跟踪的精度。高质量的修正软件可以使镜头在整个推拉范围内仅仅产生微小的偏差。正因此,对镜头的校准比较复杂操作难度比较大。

         机械传感器跟踪方式由于只获取镜头和云台数据,因此,属于固定机位拍摄模式,在拍摄过程中不允许有任何的移动,一旦移动,需要重新测量并对参数进行调整以适合新的位置。这也是机械传感器跟踪技术的最大缺点。尽管目前也有可移动机械传感器跟踪方式,但其应用并不普遍。

         机械传感器跟踪方式也具有其他方式所无可比拟的优点。它非常稳定不受环境光源的干扰可以安放在整个演播室任何角度的任何位置进行拍摄。

2、网格跟踪方式

        由于机械传感器跟踪方式定位烦琐镜头校准复杂,从而引起的跟踪精度的偏差越来越大地影响了实际拍摄。网格跟踪成了弥补这些缺点的最佳方式。

         通过对摄像机拍摄的网格画面进行计算,可以得到摄像机包括X、Y、Z移动参数在内所有的参数。由于网格跟踪是通过画面自动定位并且自动对镜头进行画面校准,因此不需要进行手动测量,在摄像机运动中也不存在物理偏差,前景及背景达到无缝结合。如此方便的应用方式和无偏移效果毫无疑问使用户在实际应用中能迅速上手并轻松完成节目录制。

         另外,尽管在拍摄过程当中网格跟踪方式并不对Z参数(深度)进行再次计算,但是对于二维系统来说,通过对X、Y参数的实时计算仍然能满足移动机位的要求。当然对于三维系统来说,网格跟踪只能进行小范围的移动拍摄因为小范围移动在视觉上通常也产生不了深度变化。

          网格跟踪的优势还在于其大大地节省了成本,单独的一套网格跟踪可以支持多机位。相对于每个机位都要配备传感器设备来说,既减少了故障点又方便维修,还节省了成本。

         网格跟踪方式也存在明显的缺点,拍摄的画面中必须存在一定数量的网格,这也限制了摄像机可以安放的位置和拍摄角度。对于通常的演播室和节目来说,这并不是问题。因为在实际应用中,当主持人站在蓝箱中央,摄像机很少有机会完全脱离网格进行拍摄。但是对于特殊节目需要特殊角度的拍摄时,单纯使用网格跟踪就无法完全满足需要。这个时候,网格跟踪和机械传感器跟踪相结合使用成为最佳选择。既满足了特殊角度拍摄,又可以直接获取网格定位数据,无需手工定位。

3、红外跟踪方式(CamTrack)

         在三维系统中,无论网格跟踪还是机械传感器跟踪方式都无法满足移动拍摄的需求。CamTrack用最小的成本满足了这一需求。通过一对红外摄像头捕捉安装在摄像机上红外发射器发出的信号,并进行计算,可以实时获得摄像机深度数据(Z参数),最后和网格数据一起完成对移动摄像机的实时定位。

        这是一个小范围的红外跟踪方式,除了Z参数外,其他所有参数都由网格数据提供。因此摄像机活动范围受到了限制,适合普通的或者较小的演播室进行移动机位拍摄,并且拍摄过程中始终需要一定数量的网格存在。但是由于利用较少的成本能达到移动机位的效果,这样的方式也是很容易被采纳的。