虚拟课堂演播室摄像机定位跟踪技术的浅析

沈渊

（扬州职业大学信息工程学院，江苏扬州 225000）

现代远程教育已发展了很多年，广大教育工作者和科技人员作出了极大的努力，试图较好地解决师生时空分离状态下带来的一系列教育教学难题。在经历了三代远程教育的发展后，国内外的教育研究都不约而同地把目光投向虚拟课堂的研究与设计。虚拟课堂一般意义上是指利用计算机网络、多媒体等技术，构建一个虚拟的教学环境，用来模拟真实的教室，使在实际教室中的教学活动顺利自然地在虚拟教室中实现。但目前大多数虚拟课堂的缺陷也很突出，学生看到的教学视觉信息多为老师的头肩像，且很少发生变化，不能形象、具体地展示所要讲述的教学内容。与此同时，广电系统采用的虚拟演播室技术的成熟、成本的降低使其应用范围越来越大，也深刻影响着虚拟课堂的建设。

虚拟演播室技术利用计算机三维图形技术和视频合成技术，使虚拟场景的透视关系与前景保持动态一致，经过色键合成后，前景中的人物道具看起来完全沉浸于计算机所产生的三维虚拟场景中。此项技术应用在虚拟课堂中不仅节约巨额的场地硬件投资、减少人员配备，提高了教学内容制作效率，而且轻而易举地实现学习者在虚拟课堂中足不出户即能置身于如原子结构的微观世界或浩瀚的宇宙太空，置身于各种特殊的现场。同时可将重要的文本、图片、动画、视频资料实时显示在虚拟大屏幕电视墙或任意的场景教具上，使课程更加生动直观。

在虚拟演播环境下的教学节目制作过程中，确定摄像机的状态信息非常关键，是虚拟课堂的核心技术，故研究虚拟课堂演播室摄像机定位跟踪技术对虚拟课堂的设计建设有着重要的意义。

1 虚拟课堂摄像机定位跟踪技术的作用与任务

摄像机跟踪定位技术是虚拟课堂演播室中一项核心关键技术，它的作用是通过技术手段获取摄像机在演播室中的实际位置参数和动作参数并将其值传递给实时生成虚拟场景的计算机。对于摄像机而言，它的运动状态有摇移、俯仰、变焦、调焦、光圈、位置和高度等参数。在拍摄的过程中，这些参数的改变会引起所拍摄图像视野与视角的改变。为了模拟教学人员及教具所在的环境，计算机必须根据这些参数不断调整背景，协调摄像机、教学人员、教具、虚拟场景之间的相对位关系和状态，帮助系统实现实际摄像机与虚拟背景的锁定。

1.1 虚拟课堂摄像机的运动形式

虚拟课堂演播室中的摄像机一般是架设在云台之上，其运动可有以下几种形式：

1）摄像机镜头的运动。主要包括光圈、变焦、聚焦的变化。

2）摄像机机头方向的运动。主要包括机头的横摇、、俯仰。

3）摄像机机身的运动。主要包括摄像机的移动、升降、旋转。

1.2 虚拟课堂摄像机的初始定位

初始化定位是指摄像机机位架设好后，虚拟场景摄像机接受实际摄像机机位参数，使其与实际摄像机的初始机位参数和镜头参数完全一致。[1]以便实际摄像机作变焦、平摇、俯仰、升降和移动变化时虚拟场景摄像机的动作与实际摄像机的动作完全同步。

虚拟课堂摄像机的机位必定要多次移动，如果初始化定位很繁琐，势必影响正常的教学节奏，降低应用效率。初始化定位过程应瞬间由计算机自动完成并开始工作，不应有任何复杂的调整和限制，无需人工测量和计算，保证随架随用。[2]同时，还要实现无需在摄像机前面设置任何形式的标识、不限定摄像机在演播室的架设位置、不限制教师的教学位置。

1.3 虚拟课堂摄像机的即时跟踪

跟踪是评价虚拟课堂摄像机调控能力的重要指标之一，如果不能高质量即时跟踪，前景与背景必然会产生脱节或停顿，给人以前呼不能后应的感觉，甚至出现明显的失真影像。虚拟课堂设计要求摄像机跟踪要自成系统，它应和前景及色键无关，具有独立的自由度。跟踪必须是实际摄像机对虚拟场景摄像机的直接赋值与控制，不需要通过中间环节。

跟踪性能的衡量要从跟踪精度、跟踪灵敏度、跟踪稳定性和跟踪频响四个方面着手。跟踪精度的要求是：任意轴向实际旋转角度和位移与采集处理得到的旋转角度和位移要精确一致，虚拟场景摄像机的变焦值要与实际摄像机变焦值一致，跟踪误差不累积。跟踪灵敏度的要求是：摄像机作任意方向轻微变化时，虚拟场景就应实时同步发生与其相应的变化，反应要灵敏，不应有任何的迟钝现象。跟踪稳定性的要求是：实际摄像机由运动镜头变为静止镜头时，虚拟场景摄像机镜头下的场景画面就应实时同步地变为静止镜头，不应有任何的抖动、闪烁或其它非静止现象出现。跟踪频响的要求是：实际摄像机做小幅度快速的任意方向变焦、平摇、俯仰等取景变化时，虚拟场景画面应实时同步地发生与其一致的变化，而不应有任何的迟钝、错位、打滑或飘移现象。[2]

2 虚拟课堂摄像机可使用的几种定位跟踪技术及其优缺点分析

2.1 图像识别定位跟踪技术

图像识别定位跟踪技术借助模式识别算法，通过计算和分析摄像机所拍摄的特征图像，进行匹配识别，获知摄像机的各个技术参数。基本原理是根据演播室的大小，在蓝背景板上绘制有一定识别特征的深蓝色格子。每个相邻的蓝格子大小不同，[3]排列也是有一定特征变化的。依靠摄像机拍摄的网格视频判断出摄像机拍摄的是哪一部分的蓝格子，从而知道摄像机的拍摄角度；根据网格图案的大小可以知道摄像机镜头的推拉程度。这些工作都是逐场进行的，所以可以实时地解析出摄像机的位置、方向和变焦参数，完成摄像机的定位跟踪。

这种定位跟踪方式的优势是摄像机上无需安装附加装置，安装比较方便，增加机位时成本较低。摄像机的定位过程是由计算机自动完成的，使用时不必每次都要进行摄像机锁定。由于是根据摄像机拍摄的网格图案进行识别的，所以光学镜头产生的漂移可以根据图案识别反映出来，场景生成可以根据漂移量计算出响应的虚拟背景，故无需对摄像机进行校正。缺点是要对每幅画面进行较大数据量分析和计算，数据处理时间长，视频延时量较大，摄像机拍摄信号需要专门延时才能和虚拟背景同步。因为摄像机必须拍摄到蓝格子，当摄取画面中网格图案信息量过少就自然就无法进行测量计算，所以拍摄过程中教学人员的活动范围受到一定的限制，也无法拍摄特写镜头。由于蓝格子是由两种亮度的蓝色绘制，这样对背景网格图案及灯光布置要求比较严格，色键器的质量要求也较高，对演播室内的阴影处理有一定的局限性。

2.2 传感器机电定位跟踪技术

传感器机电定位跟踪技术是利用安装在摄像机镜头和云台上的运动参数编码器，获取摄像机的横摇、俯仰、变焦、聚焦、平移等位置信息和运动参数。当摄像机运动时，镜头编码器通过与镜头上的变焦环和聚焦环的齿轮相互咬合，检测出其变焦和聚焦信息的变化，云台编码器测出摄像机摇移、俯仰以及平移的角度和位置变化。编码数据通过RS232或RS422接口传送到虚拟课堂演播室主机，[4]虚拟课堂演播室主机根据演播室摄像机的机位，在虚拟场景中计算出这一机位的准确虚拟背景，完成虚拟背景与真实人物的叠加。

这种定位跟踪方式的优势是无需特别复杂计算就可以知道摄像机的位置，获取跟踪数据几乎没有延迟。跟踪获取的位置参数非常精确，具有高可靠性、高精度、高准确度的特点。支持多台摄像机，每台摄像机可以自由摇移、俯仰，还可方便地结合导轨、升降台进行拍摄。由于是在单蓝色背景下工作，抠像比较方便，比较容易处理阴影，可实现无限蓝箱功能。缺点是需要为每一台摄像机安装传感器，安装成本较大且需较高技术难度，限制了虚拟课堂摄像机的类型和数量。定位跟踪系统重启后，若位置发生变化，都需进行演播室校正，比较繁琐。

2.3 红外线定位跟踪技术

红外线定位跟踪技术是使用红外线LED目标安放在虚拟课堂演播室摄像机上，它们都是很轻的盘片，可以从顶部和旁边发射光线。[5]利用安装在天花板或墙上的一列监测设备把这些目标拍摄下来，在初始处理后红外线监测设备开始追踪摄像机，摄像器对红外线敏感，传感器及红外线收发系统在视频信号的场同步期间发出检测数据，系统根据收到的数据检测计算出摄像机的位置和角度。

这种定位跟踪方式的优势是该系统一旦搭建好可迅速重新定位和校正，摄像机运动不受任何限制，可以自由运动，适合虚拟课堂快速定位追踪的需要，而且增加机位时成本较低也方便。缺点是红外发生器与接收器之间不能有遮档，对教学环境设施放置要求比较苛刻。覆盖范围也比较小，容易受到红外反射面（如金属反射面等）的影响。安装的传感装置，可能会对虚拟课堂演播室其它设备的安装使用产生负面影响。

2.4 超声波定位跟踪技术

超声波定位跟踪技术是采用超声波信号多点发射和接收，陀螺仪定位和模糊识别处理，来定位摄像机的位置。[5]在做法上一般根据演播室的面积在演播室顶部安装超声波发射和接收杆，用以覆盖摄像机的活动区域。在摄像机顶部安装三个金属反射点和陀螺仪，金属反射点用于反射超声波信号，陀螺仪用于模糊定位，可以实现在摄像机倾斜和翻转时的定位。

这种定位跟踪方式的优势是摄像机移动方便，不受限制，在定位跟踪系统控制范围内跟踪精度较高，误差不超过1毫米，而且数值运算量较小，视音频延迟小。缺点是易受电磁波的干扰，安装上的要求比较高。由于超声波发射有一定角度限制，在接近超声波发射杆的区域会有部分盲区，使用时要规避这些盲区，否则就无法定位。另外在超声波的交叉区域，也容易出现定位的错误。

3 结束语

通过对上述几种摄像机定位跟踪技术的分析，学校在建设虚拟课堂时应合理选择摄像机定位跟踪形式。它作为虚拟课堂演播室的核心技术，性能的优劣直接决定虚拟课堂的使用效果。在选择时，可以根据各自学校的实际情况，从演播室类型、摄像机运动要求、延时长短、定位跟踪精度、课程特点等几个方面综合考虑，选择最适合的跟踪解决方案。

[1]成海民.数字化三维虚拟演播室系统[J].电影文学,2007，（10）:62-63.

[2]李冰，安川林，王文军.对虚拟演播室关键技术的浅识[J].现代远距离教育，2007，(1):71-73.

[3]王钊.电视节目制作中的虚拟演播室技术[J].内江师范学院学报，2004，(4):40-43.

[4]罗映辉.虚拟演播室几种摄像机定位技术的比较分析[J].广播与电视技术，2002，（8）：88-89.

[5]林卫，张琳.浅谈虚拟演播室的跟踪系统技术[A].刘宜勤.中国电影电视技术学会影视科技论文集[C].2003.201-204.