一、传感跟踪系统
传统的静态色键技术不支持摄像机的运动,它与动态的虚拟演播室系统的主要区别,是后者能够准确地测量到前景摄像机的运动;并且根据摄像机跟踪参数生成相应视点的虚拟场景。现在用于虚拟演播室的摄像机运动跟踪系统采用了不同的传感技术。
机械传感器是最早被使用的摄像机跟踪系统,1995年后人们陆续研制出其他一些非机械的跟踪系统,如网格识别、红外跟踪、超声波跟踪等方式。多数系统对于摄像机的操作限制较少,并且具备很高的跟踪精度,其中一些系统即可在户外工作也可在户内工作,许多系统展示了高度的独创性。
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摄像机跟踪系统的功能是为图形渲染引擎提供准确和及时的数据,也就是摄像机视点的运动数据。一些摄像机跟踪系统需要大量的数据处理和计算。图形工作站根据摄像机跟踪数据对二维图像或三维场景进行渲染,所生成的背景图像与摄像机前景图像在色键器中抠像、合成,产生虚拟演播室系统输出的每一帧视频图像。
虚拟演播室系统中的每一台摄像机能够在8个不同的方向上自由的运动,其中平摇,俯仰、滚动以及三维空间中任意移动(X,Y,Z)是指摄像机整体上的运动,变焦和聚焦是摄像机镜头的运动。这些运动参数的改变会引起拍摄图像视野与视角的改变,为了模拟人物所在的三维环境,图形工作站必须根据这些参数不断调整三维视图。
摄像机跟踪部分的作用正是用来拾取摄像机的位置信息和运动数据,实时地跟踪真实摄像机,以保证前景与计算机背景“联动”。
如果采用机械式的传感方式,则需要在镜头上安装跟踪变焦和聚焦的传感器,而网格识别的方式是通过镜头推拉时获取网格图像的范围来计算镜头的变焦和聚焦变化的。
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以下是实现一个理想的虚拟演播室效果对于摄像机跟踪系统的要求,如今还没有一个系统能够完全满足所有的特性要求,但是有一些系统已经相当接近这些指标:
(1)能够在一个非常短的时间内完成摄像机方向和位置数据的计算和发送.
(2)摄像机跟踪系统需要以每秒50次或60次(PAL或N制)的速率计算和发送全部的摄像机方向和位置数据,这就要求能够跟踪摄像机的快速运动。如果数据的发送传输率不够快,背景将会出现撕裂的现象。摄像机运动得越快,背景出现撕裂的现象越明显。
(3)摄像机的运动跟踪系统不能够限制摄像机的任意运动,这个系统应该允许摄像机在演播室范围内的任意移动。
(4)跟踪系统不能够改变摄像机以前的操作方式。这样同一台摄像机既可用于虚拟演播室也可用于实景演播室拍摄,这一点非常重要。
(5)摄像机应该支持所有方向的拍摄,理想的情况是能够进行360度的拍摄。
(6)系统能够支持各种类型的摄像机辅助设备,包括标准演播室云台、遥控云台、摇臂、轨道车、三脚架和手提拍摄。
(7)系统应该能够在任何地方工作,包括演播室和户外。
(8)系统应该支持各种类型的专业摄像机,并且对于镜头的使用没有限制。
(9)测量摄像机的移动精度能够达到不低于2 mm,。这样的方向精度意味着在一个16度的拍摄中,。拍摄的角度越窄,角精度要求越高。
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国内外不同视频公司的虚拟演播室产品,所采用的传感跟踪方式也不尽相同,大体可以分为三大类:
机械传感跟踪系统
红外跟踪系统
图像识别跟踪系统
以下对一些主要的跟踪系统进行介绍。
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(1)机械传感跟踪系统
机械传感器是最早被虚拟演播室所采用的摄像机跟踪系统,同时也是应用最为广泛的跟踪系统。它的最大优势是跟踪延时短,精度高,且不受演播室灯光、温度、拍摄角度等条件的限制。
这种摄像机跟踪系统采集摄像机的位置及透视数据。它通常被安装在三角架或基座上。为测量摄像机的镜头运动参数,需要在摄像机镜头上安装附加装置:聚焦、变焦传感器。这个装置中包含有传感器和有关电子装置,称为镜头运动参数编码器,这是一种精确的旋转编码器。镜头编码器通过托架与镜头上变焦环和聚焦环的齿轮紧密咬合,当变焦环或聚焦环发生位置变化时,编码器能够检测出上、下、左、右摆动的细微角度并将其编码输出。同时,安装在云台上的平摇以及俯仰传感器可以感知云台的变化并将其编码输出,所有信息数据通常通过一些串行接口(如RS-232或RS-422)传送给计算机。这种传感器安装在用来平摇和俯仰的云台上,分别跟踪平摇和俯仰两个方向的角运动并且将角度上的协一个变化转化为电脉冲。
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在摄像机的镜头上安装了传感器探测变焦和聚焦的变化,两者的变化会影响图像的放大倍数。机械的镜头传感器可以安装在绝大多数(但不是全部)的镜头上。机械跟踪系统对于演播室的高度和尺寸没有严格的要求,它安装在用于平摇、俯仰的云台上,允许摄像机水平转动360O并且可以应用于户外。
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