虛擬課堂演播室攝像機定位跟蹤技術的淺析

沈淵

（揚州職業大學信息工程學院，江蘇揚州 225000）

現代遠程教育已發展了很多年，廣大教育工作者和科技人員作出了極大的努力，試圖較好地解決師生時空分離狀態下帶來的一系列教育教學難題。在經歷了三代遠程教育的發展后，國內外的教育研究都不約而同地把目光投向虛擬課堂的研究與設計。虛擬課堂一般意義上是指利用計算機網絡、多媒體等技術，構建一個虛擬的教學環境，用來模擬真實的教室，使在實際教室中的教學活動順利自然地在虛擬教室中實現。但目前大多數虛擬課堂的缺陷也很突出，學生看到的教學視覺信息多為老師的頭肩像，且很少發生變化，不能形象、具體地展示所要講述的教學內容。與此同時，廣電系統采用的虛擬演播室技術的成熟、成本的降低使其應用范圍越來越大，也深刻影響著虛擬課堂的建設。

虛擬演播室技術利用計算機三維圖形技術和視頻合成技術，使虛擬場景的透視關系與前景保持動態一致，經過色鍵合成后，前景中的人物道具看起來完全沉浸于計算機所產生的三維虛擬場景中。此項技術應用在虛擬課堂中不僅節約巨額的場地硬件投資、減少人員配備，提高了教學內容制作效率，而且輕而易舉地實現學習者在虛擬課堂中足不出戶即能置身于如原子結構的微觀世界或浩瀚的宇宙太空，置身于各種特殊的現場。同時可將重要的文本、圖片、動畫、視頻資料實時顯示在虛擬大屏幕電視墻或任意的場景教具上，使課程更加生動直觀。

在虛擬演播環境下的教學節目制作過程中，確定攝像機的狀態信息非常關鍵，是虛擬課堂的核心技術，故研究虛擬課堂演播室攝像機定位跟蹤技術對虛擬課堂的設計建設有著重要的意義。

1 虛擬課堂攝像機定位跟蹤技術的作用與任務

攝像機跟蹤定位技術是虛擬課堂演播室中一項核心關鍵技術，它的作用是通過技術手段獲取攝像機在演播室中的實際位置參數和動作參數并將其值傳遞給實時生成虛擬場景的計算機。對于攝像機而言，它的運動狀態有搖移、俯仰、變焦、調焦、光圈、位置和高度等參數。在拍攝的過程中，這些參數的改變會引起所拍攝圖像視野與視角的改變。為了模擬教學人員及教具所在的環境，計算機必須根據這些參數不斷調整背景，協調攝像機、教學人員、教具、虛擬場景之間的相對位關系和狀態，幫助系統實現實際攝像機與虛擬背景的鎖定。

1.1 虛擬課堂攝像機的運動形式

虛擬課堂演播室中的攝像機一般是架設在云臺之上，其運動可有以下幾種形式：

1）攝像機鏡頭的運動。主要包括光圈、變焦、聚焦的變化。

2）攝像機機頭方向的運動。主要包括機頭的橫搖、、俯仰。

3）攝像機機身的運動。主要包括攝像機的移動、升降、旋轉。

1.2 虛擬課堂攝像機的初始定位

初始化定位是指攝像機機位架設好后，虛擬場景攝像機接受實際攝像機機位參數，使其與實際攝像機的初始機位參數和鏡頭參數完全一致。[1]以便實際攝像機作變焦、平搖、俯仰、升降和移動變化時虛擬場景攝像機的動作與實際攝像機的動作完全同步。

虛擬課堂攝像機的機位必定要多次移動，如果初始化定位很繁瑣，勢必影響正常的教學節奏，降低應用效率。初始化定位過程應瞬間由計算機自動完成并開始工作，不應有任何復雜的調整和限制，無需人工測量和計算，保證隨架隨用。[2]同時，還要實現無需在攝像機前面設置任何形式的標識、不限定攝像機在演播室的架設位置、不限制教師的教學位置。

1.3 虛擬課堂攝像機的即時跟蹤

跟蹤是評價虛擬課堂攝像機調控能力的重要指標之一，如果不能高質量即時跟蹤，前景與背景必然會產生脫節或停頓，給人以前呼不能后應的感覺，甚至出現明顯的失真影像。虛擬課堂設計要求攝像機跟蹤要自成系統，它應和前景及色鍵無關，具有獨立的自由度。跟蹤必須是實際攝像機對虛擬場景攝像機的直接賦值與控制，不需要通過中間環節。

跟蹤性能的衡量要從跟蹤精度、跟蹤靈敏度、跟蹤穩定性和跟蹤頻響四個方面著手。跟蹤精度的要求是：任意軸向實際旋轉角度和位移與采集處理得到的旋轉角度和位移要精確一致，虛擬場景攝像機的變焦值要與實際攝像機變焦值一致，跟蹤誤差不累積。跟蹤靈敏度的要求是：攝像機作任意方向輕微變化時，虛擬場景就應實時同步發生與其相應的變化，反應要靈敏，不應有任何的遲鈍現象。跟蹤穩定性的要求是：實際攝像機由運動鏡頭變為靜止鏡頭時，虛擬場景攝像機鏡頭下的場景畫面就應實時同步地變為靜止鏡頭，不應有任何的抖動、閃爍或其它非靜止現象出現。跟蹤頻響的要求是：實際攝像機做小幅度快速的任意方向變焦、平搖、俯仰等取景變化時，虛擬場景畫面應實時同步地發生與其一致的變化，而不應有任何的遲鈍、錯位、打滑或飄移現象。[2]

2 虛擬課堂攝像機可使用的幾種定位跟蹤技術及其優缺點分析

2.1 圖像識別定位跟蹤技術

圖像識別定位跟蹤技術借助模式識別算法，通過計算和分析攝像機所拍攝的特征圖像，進行匹配識別，獲知攝像機的各個技術參數?；驹硎歉鶕莶ナ业拇笮?，在藍背景板上繪制有一定識別特征的深藍色格子。每個相鄰的藍格子大小不同，[3]排列也是有一定特征變化的。依靠攝像機拍攝的網格視頻判斷出攝像機拍攝的是哪一部分的藍格子，從而知道攝像機的拍攝角度；根據網格圖案的大小可以知道攝像機鏡頭的推拉程度。這些工作都是逐場進行的，所以可以實時地解析出攝像機的位置、方向和變焦參數，完成攝像機的定位跟蹤。

這種定位跟蹤方式的優勢是攝像機上無需安裝附加裝置，安裝比較方便，增加機位時成本較低。攝像機的定位過程是由計算機自動完成的，使用時不必每次都要進行攝像機鎖定。由于是根據攝像機拍攝的網格圖案進行識別的，所以光學鏡頭產生的漂移可以根據圖案識別反映出來，場景生成可以根據漂移量計算出響應的虛擬背景，故無需對攝像機進行校正。缺點是要對每幅畫面進行較大數據量分析和計算，數據處理時間長，視頻延時量較大，攝像機拍攝信號需要專門延時才能和虛擬背景同步。因為攝像機必須拍攝到藍格子，當攝取畫面中網格圖案信息量過少就自然就無法進行測量計算，所以拍攝過程中教學人員的活動范圍受到一定的限制，也無法拍攝特寫鏡頭。由于藍格子是由兩種亮度的藍色繪制，這樣對背景網格圖案及燈光布置要求比較嚴格，色鍵器的質量要求也較高，對演播室內的陰影處理有一定的局限性。

2.2 傳感器機電定位跟蹤技術

傳感器機電定位跟蹤技術是利用安裝在攝像機鏡頭和云臺上的運動參數編碼器，獲取攝像機的橫搖、俯仰、變焦、聚焦、平移等位置信息和運動參數。當攝像機運動時，鏡頭編碼器通過與鏡頭上的變焦環和聚焦環的齒輪相互咬合，檢測出其變焦和聚焦信息的變化，云臺編碼器測出攝像機搖移、俯仰以及平移的角度和位置變化。編碼數據通過RS232或RS422接口傳送到虛擬課堂演播室主機，[4]虛擬課堂演播室主機根據演播室攝像機的機位，在虛擬場景中計算出這一機位的準確虛擬背景，完成虛擬背景與真實人物的疊加。

這種定位跟蹤方式的優勢是無需特別復雜計算就可以知道攝像機的位置，獲取跟蹤數據幾乎沒有延遲。跟蹤獲取的位置參數非常精確，具有高可靠性、高精度、高準確度的特點。支持多臺攝像機，每臺攝像機可以自由搖移、俯仰，還可方便地結合導軌、升降臺進行拍攝。由于是在單藍色背景下工作，摳像比較方便，比較容易處理陰影，可實現無限藍箱功能。缺點是需要為每一臺攝像機安裝傳感器，安裝成本較大且需較高技術難度，限制了虛擬課堂攝像機的類型和數量。定位跟蹤系統重啟后，若位置發生變化，都需進行演播室校正，比較繁瑣。

2.3 紅外線定位跟蹤技術

紅外線定位跟蹤技術是使用紅外線LED目標安放在虛擬課堂演播室攝像機上，它們都是很輕的盤片，可以從頂部和旁邊發射光線。[5]利用安裝在天花板或墻上的一列監測設備把這些目標拍攝下來，在初始處理后紅外線監測設備開始追蹤攝像機，攝像器對紅外線敏感，傳感器及紅外線收發系統在視頻信號的場同步期間發出檢測數據，系統根據收到的數據檢測計算出攝像機的位置和角度。

這種定位跟蹤方式的優勢是該系統一旦搭建好可迅速重新定位和校正，攝像機運動不受任何限制，可以自由運動，適合虛擬課堂快速定位追蹤的需要，而且增加機位時成本較低也方便。缺點是紅外發生器與接收器之間不能有遮檔，對教學環境設施放置要求比較苛刻。覆蓋范圍也比較小，容易受到紅外反射面（如金屬反射面等）的影響。安裝的傳感裝置，可能會對虛擬課堂演播室其它設備的安裝使用產生負面影響。

2.4 超聲波定位跟蹤技術

超聲波定位跟蹤技術是采用超聲波信號多點發射和接收，陀螺儀定位和模糊識別處理，來定位攝像機的位置。[5]在做法上一般根據演播室的面積在演播室頂部安裝超聲波發射和接收桿，用以覆蓋攝像機的活動區域。在攝像機頂部安裝三個金屬反射點和陀螺儀，金屬反射點用于反射超聲波信號，陀螺儀用于模糊定位，可以實現在攝像機傾斜和翻轉時的定位。

這種定位跟蹤方式的優勢是攝像機移動方便，不受限制，在定位跟蹤系統控制范圍內跟蹤精度較高，誤差不超過1毫米，而且數值運算量較小，視音頻延遲小。缺點是易受電磁波的干擾，安裝上的要求比較高。由于超聲波發射有一定角度限制，在接近超聲波發射桿的區域會有部分盲區，使用時要規避這些盲區，否則就無法定位。另外在超聲波的交叉區域，也容易出現定位的錯誤。

3 結束語

通過對上述幾種攝像機定位跟蹤技術的分析，學校在建設虛擬課堂時應合理選擇攝像機定位跟蹤形式。它作為虛擬課堂演播室的核心技術，性能的優劣直接決定虛擬課堂的使用效果。在選擇時，可以根據各自學校的實際情況，從演播室類型、攝像機運動要求、延時長短、定位跟蹤精度、課程特點等幾個方面綜合考慮，選擇最適合的跟蹤解決方案。

[1]成海民.數字化三維虛擬演播室系統[J].電影文學,2007，（10）:62-63.

[2]李冰，安川林，王文軍.對虛擬演播室關鍵技術的淺識[J].現代遠距離教育，2007，(1):71-73.

[3]王釗.電視節目制作中的虛擬演播室技術[J].內江師范學院學報，2004，(4):40-43.

[4]羅映輝.虛擬演播室幾種攝像機定位技術的比較分析[J].廣播與電視技術，2002，（8）：88-89.

[5]林衛，張琳.淺談虛擬演播室的跟蹤系統技術[A].劉宜勤.中國電影電視技術學會影視科技論文集[C].2003.201-204.