淺談攝影機(jī)定位跟蹤技術(shù)

(北京電影學(xué)院現(xiàn)代創(chuàng)意媒體學(xué)院,山東青島 266000)

1 攝影機(jī)定位跟蹤技術(shù)的起源與發(fā)展

攝影機(jī)定位跟蹤指的是對(duì)真實(shí)空間中攝影機(jī)的位置和姿勢(shì)進(jìn)行跟蹤的過(guò)程,包含空間位置信息X、Y、Z和姿勢(shì)信息Pan (橫搖)、Tilt(俯仰)、Roll(橫滾)六個(gè)自由度(6DOF,Degree Of Freedom)。在電影的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)預(yù)演過(guò)程中,這六個(gè)自由度的信息被實(shí)時(shí)傳送至虛擬渲染引擎,為引擎中的虛擬攝影機(jī)提供真實(shí)攝影機(jī)在三維空間中的位置和姿勢(shì)信息,以及鏡頭參數(shù)信息,包括焦距、焦點(diǎn)和光圈等,依靠實(shí)時(shí)渲染和實(shí)時(shí)摳像與合成技術(shù),實(shí)現(xiàn)虛擬攝影機(jī)與真實(shí)攝影機(jī)的運(yùn)動(dòng)及構(gòu)圖的同步,使得實(shí)拍畫面與虛擬元素得以實(shí)時(shí)合成。

電視節(jié)目制作領(lǐng)域應(yīng)用的虛擬演播室技術(shù),是使用定位跟蹤技術(shù)來(lái)跟蹤攝像機(jī)運(yùn)動(dòng),將實(shí)拍畫面與虛擬元素進(jìn)行合成的代表。1994年,首個(gè)應(yīng)用于虛擬演播室來(lái)跟蹤攝像機(jī)焦點(diǎn)和焦距參數(shù)的基座誕生,該系統(tǒng)基于機(jī)械式跟蹤技術(shù),利用編碼器測(cè)量攝像機(jī)鏡頭的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),使得電視節(jié)目領(lǐng)域的虛擬制作成為可能,但是受技術(shù)限制,當(dāng)時(shí)的虛擬背景制作都是基于二維圖像。1995年,可以定位攝影機(jī)在虛擬演播室位置和高度的機(jī)器人底座出現(xiàn),三維虛擬演播室成為可能。

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,國(guó)內(nèi)外虛擬演播室技術(shù)日趨成熟,基于機(jī)械式跟蹤、慣性式跟蹤和光學(xué)式跟蹤技術(shù)的攝影機(jī)定位跟蹤產(chǎn)品層出不窮,創(chuàng)作者們可以根據(jù)自己的實(shí)際需求選擇最適合的攝影機(jī)跟蹤產(chǎn)品。例如,中央電視臺(tái)在2016 年使用了NCAM光學(xué)跟蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多類綜藝節(jié)目和多場(chǎng)體育賽事的轉(zhuǎn)播和直播任務(wù),各類攝影機(jī)跟蹤系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于電視領(lǐng)域,包括虛擬演播室和大型場(chǎng)外節(jié)目的錄制。

攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電影領(lǐng)域是在20世紀(jì)70 年代,喬治·盧卡斯等電影先驅(qū)們?cè)凇缎乔虼髴?zhàn)》的制作過(guò)程中運(yùn)用了機(jī)械式定位跟蹤技術(shù)來(lái)記錄現(xiàn)場(chǎng)攝影機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡,目的是準(zhǔn)確無(wú)誤地重復(fù)運(yùn)動(dòng)軌跡,以此來(lái)保證攝影機(jī)的多次拍攝能有同樣的運(yùn)動(dòng)方式。另外,電影 《人工智能》在拍攝含有視覺特效的鏡頭時(shí),電影創(chuàng)作者們將特制的跟蹤點(diǎn)貼在攝影棚天花板上,攝影機(jī)上安裝的跟蹤設(shè)備會(huì)利用天花板上的跟蹤點(diǎn)來(lái)定位跟蹤攝影機(jī)的運(yùn)動(dòng)。詹姆斯·卡梅隆導(dǎo)演的電影《阿凡達(dá)》,幾乎使用了當(dāng)時(shí)所有最先進(jìn)的電影制作技術(shù),包含攝影機(jī)定位跟蹤技術(shù)、演員的動(dòng)作捕捉、面部捕捉技術(shù)和3D 立體拍攝技術(shù),以及實(shí)時(shí)渲染技術(shù)等全套電影虛擬化制作技術(shù)。在之后的許多電影制作中,攝影機(jī)定位跟蹤成為了電影制作過(guò)程中必不可少的一部分。

國(guó)內(nèi)對(duì)電影虛擬化制作技術(shù)的成功應(yīng)用開始于2016年的 《封神傳奇》,采用虛擬拍攝可以呈現(xiàn)出東方神話與西方魔幻的奇妙效果。2017年,趙小丁導(dǎo)演執(zhí)導(dǎo)的大型魔幻電影 《三生三世十里桃花》上映,北京電影學(xué)院影視技術(shù)系的預(yù)演團(tuán)隊(duì)參與了制作,現(xiàn)場(chǎng)預(yù)演使用的Lightcraft系統(tǒng),其中的Airtrack和Intersense定位跟蹤模塊在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)預(yù)演工作中發(fā)揮了重要作用。一直到2019年上映的科幻電影《流浪地球》和2021 年上映的 《刺殺小說(shuō)家》,國(guó)內(nèi)電影工作者越來(lái)越依賴于電影虛擬化制作流程來(lái)進(jìn)行電影的創(chuàng)作,電影 《刺殺小說(shuō)家》在現(xiàn)場(chǎng)拍攝階段便使用了NCAM 系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)預(yù)演,其中包含的雙目攝影機(jī)定位跟蹤模塊,在實(shí)現(xiàn)電影虛擬化制作過(guò)程中發(fā)揮了重要的作用,見圖1。

圖1 電影 《刺殺小說(shuō)家》現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)雙眼相機(jī)和實(shí)時(shí)顯示引擎[2]

2 攝影機(jī)定位跟蹤技術(shù)的分類及工作原理

在電影虛擬化制作的應(yīng)用領(lǐng)域,攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)需要給現(xiàn)場(chǎng)虛擬渲染引擎中的虛擬攝影機(jī)提供位置和姿勢(shì)六個(gè)自由度的信息,稱為外部參數(shù)信息;還要提供給虛擬攝影機(jī)鏡頭參數(shù)信息,包括焦距、焦點(diǎn)、光圈、光心位置和畸變系數(shù)等信息,稱為內(nèi)部參數(shù)信息。攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)將獲得的跟蹤數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給虛擬攝影機(jī),才能實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)攝影機(jī)運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)匹配,從而完成現(xiàn)場(chǎng)虛擬預(yù)演畫面的實(shí)時(shí)渲染與合成。

攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)可根據(jù)其內(nèi)部跟蹤原理的不同分成兩大類:光學(xué)式攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)和非光學(xué)式攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)。

2.1 光學(xué)式攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)

光學(xué)式攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)依賴能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)標(biāo)記點(diǎn)或者圖像特征點(diǎn)的光學(xué)相機(jī)來(lái)定位跟蹤攝影機(jī)。目前,光學(xué)式攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)按照跟蹤方式的不同可以分為兩類:第一類是由外向內(nèi)的光學(xué)式攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng) (Outside-in systems),第二類是由內(nèi)向外的光學(xué)式攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng) (Inside-out systems)。攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)分類如圖2所示。

圖2 攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)分類

2.1.1由外向內(nèi)的光學(xué)式攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)

由外向內(nèi)的光學(xué)式攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)需要在攝影機(jī)的跟蹤區(qū)域內(nèi)懸掛攝像機(jī),其拍攝方向指向跟蹤區(qū)域內(nèi)部,這些攝像機(jī)通過(guò)主攝影機(jī)機(jī)身上的標(biāo)記點(diǎn)定位跟蹤主攝影機(jī),從而確定主攝影機(jī)的位置和運(yùn)動(dòng)。由外向內(nèi)的光學(xué)式攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)根據(jù)標(biāo)記點(diǎn)的發(fā)光方式不同可以分為基于被動(dòng)式標(biāo)記點(diǎn)的光學(xué)式攝影機(jī)定位跟蹤和基于主動(dòng)式標(biāo)記點(diǎn)的光學(xué)式攝影機(jī)定位跟蹤。

由外向內(nèi)的光學(xué)式攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)的跟蹤效果取決于外部攝像機(jī)的數(shù)量和所拍攝圖像的分辨率,外部攝像機(jī)的數(shù)量越多,跟蹤范圍越廣,所拍攝的圖像分辨率越高,攝影機(jī)的跟蹤效果越好。這種跟蹤方法應(yīng)用廣泛,既可用于攝影機(jī)定位跟蹤,也可用于動(dòng)作和面部捕捉。另外,由外向內(nèi)的光學(xué)式攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)需要訓(xùn)練有素的工作人員提前進(jìn)行硬件安裝、相機(jī)校準(zhǔn)和測(cè)試工作,需要耗費(fèi)一定的時(shí)間成本。

2.1.1.1 被動(dòng)式標(biāo)記點(diǎn)光學(xué)式攝影機(jī)定位跟蹤

被動(dòng)式標(biāo)記點(diǎn)的光學(xué)式攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)基于一組高速紅外攝像機(jī),這組攝像機(jī)部署在有效測(cè)量區(qū)域周圍,可以實(shí)時(shí)捕捉能反射紅外光的被動(dòng)式標(biāo)記點(diǎn),對(duì)標(biāo)記點(diǎn)的位置進(jìn)行三角測(cè)量來(lái)獲得攝影機(jī)的位置和姿勢(shì)信息。

這類跟蹤系統(tǒng)使用的被動(dòng)式標(biāo)記點(diǎn)是能夠反射紅外光且散射程度很小的橡膠球,如圖3所示。標(biāo)記點(diǎn)的大小主要是由相機(jī)間的距離和拍攝到的影像分辨率決定,其他影響因素還有頻閃強(qiáng)度、光圈值。

圖3 被動(dòng)式標(biāo)記點(diǎn)光學(xué)式攝影機(jī)定位跟蹤原理[4]

圖4 optitrack攝像機(jī)和標(biāo)記點(diǎn)[5]

由于跟蹤標(biāo)記點(diǎn)完全相同,在正式跟蹤工作之前則需要為三維工作站提供一組未標(biāo)記的點(diǎn),通過(guò)后處理任務(wù)來(lái)對(duì)標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別和分類。這類系統(tǒng)需要依靠標(biāo)記點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)攝影機(jī)的定位跟蹤,一旦標(biāo)記點(diǎn)發(fā)生遮擋,則無(wú)法正常工作。另外,該系統(tǒng)的跟蹤精度具有毫米級(jí)的誤差,跟蹤區(qū)域的大小取決于分布在外圍的攝像機(jī)的數(shù)量。因此,被動(dòng)式標(biāo)記點(diǎn)光學(xué)式定位跟蹤普遍應(yīng)用于動(dòng)作捕捉領(lǐng)域。如圖4是常見的被動(dòng)式標(biāo)記點(diǎn)定位跟蹤設(shè)備optitrack的攝像機(jī)和標(biāo)記點(diǎn)。

2.1.1.2 主動(dòng)式標(biāo)記點(diǎn)光學(xué)式攝影機(jī)的定位跟蹤

主動(dòng)式標(biāo)記點(diǎn)光學(xué)式攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)使用自發(fā)光的有源標(biāo)記點(diǎn)——紅外發(fā)光二極管 (IRED),此類標(biāo)記點(diǎn)充當(dāng)發(fā)光光源和反射器,標(biāo)記點(diǎn)通過(guò)一個(gè)微小的固態(tài)LED 發(fā)出頻率與攝像頭捕捉頻率一致的紅外光譜,實(shí)際捕捉圖像的幀率由紅外攝像機(jī)的幀率除以標(biāo)記點(diǎn)數(shù)量得到,因?yàn)槊總€(gè)紅外發(fā)光標(biāo)記點(diǎn)的頻率不一樣,在同一瞬間,所有相機(jī)只能捕捉到一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的信息,在這種情況下,跟蹤系統(tǒng)具有有限的測(cè)量頻率和標(biāo)記點(diǎn)數(shù)量,見圖5。

圖5 自發(fā)光的主動(dòng)式有源標(biāo)記點(diǎn)跟蹤設(shè)備[6]

與被動(dòng)式標(biāo)記點(diǎn)相比,自發(fā)光的主動(dòng)式有源標(biāo)記點(diǎn)(如紅外LED)可以實(shí)現(xiàn)在更大空間的定位跟蹤,適用于更亮的環(huán)境和標(biāo)記點(diǎn)識(shí)別不敏感的煙霧、霧氣環(huán)境。另外,此類系統(tǒng)可以獨(dú)立識(shí)別每一個(gè)標(biāo)記點(diǎn),因此需要較少的后處理時(shí)間。主動(dòng)式標(biāo)記點(diǎn)會(huì)發(fā)射特定方向的光線使跟蹤攝像機(jī)具有很好的信號(hào)接收效果,并且其發(fā)射的光線能夠發(fā)生散射來(lái)覆蓋更廣的視場(chǎng)角。

盡管如此,主動(dòng)式標(biāo)記點(diǎn)與被動(dòng)式標(biāo)記點(diǎn)光學(xué)式跟蹤系統(tǒng)存在同樣的問(wèn)題,標(biāo)記點(diǎn)的遮擋會(huì)導(dǎo)致跟蹤信息的丟失。另外,主動(dòng)式標(biāo)記點(diǎn)需要單獨(dú)供電,系統(tǒng)價(jià)格昂貴,需要在跟蹤空間內(nèi)架設(shè)更多的相機(jī)來(lái)獲得令人滿意的跟蹤效果。此外,基于紅外光的跟蹤系統(tǒng)在面對(duì)像金屬三腳架、液體等反光物體時(shí),跟蹤質(zhì)量會(huì)迅速下降。因此,主動(dòng)式有源標(biāo)記點(diǎn)在攝影機(jī)定位跟蹤領(lǐng)域應(yīng)用較少。

2.1.2 由內(nèi)向外的光學(xué)式攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)

由內(nèi)向外的攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)通過(guò)分析安裝在主攝影機(jī)機(jī)身上的跟蹤攝像機(jī)所拍攝的實(shí)時(shí)圖像來(lái)計(jì)算主攝影機(jī)在三維空間的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。根據(jù)所使用跟蹤攝像機(jī)數(shù)量的不同,可分為單目光學(xué)式攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)和雙目光學(xué)式攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng),如圖6所示為L(zhǎng)ightCraft系統(tǒng)單目跟蹤模塊及跟蹤靶標(biāo)圖。

2.1.2.1 單目光學(xué)式攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)

單目光學(xué)跟蹤方法基于視覺定位技術(shù),通過(guò)一個(gè)跟蹤攝像機(jī)拍攝到的二維圖像來(lái)計(jì)算主攝影機(jī)的三維位置和姿勢(shì)信息,利用輸入的二維圖像來(lái)描述三維世界。

圖6 LightCraft系統(tǒng)單目跟蹤模塊及跟蹤靶標(biāo)[7]

單目光學(xué)定位跟蹤方法的關(guān)鍵技術(shù)有圖像分割、特征點(diǎn)提取和攝像機(jī)標(biāo)定。

(1)圖像分割

圖像分割指的是將所獲圖像分割成若干個(gè)區(qū)域,再?gòu)母鱾€(gè)區(qū)域中提取特征點(diǎn)的過(guò)程。圖像分割的準(zhǔn)確與否會(huì)直接影響到提取特征點(diǎn)的精度,因而成為圖像處理中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

(2)圖像特征點(diǎn)提取

圖像中物理和幾何特性變化明顯的區(qū)域代表圖像的特征信息,如跟蹤目標(biāo)的邊緣、特征角點(diǎn)或特殊幾何形狀中心。從大量“無(wú)用”信息中提取出有用的特征信息是進(jìn)行視覺跟蹤的基礎(chǔ)。

(3)攝像機(jī)標(biāo)定

攝像機(jī)標(biāo)定是利用空間內(nèi)已知目標(biāo)特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息與圖像中特征點(diǎn)的二維坐標(biāo)來(lái)求出攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)的過(guò)程,而在由內(nèi)向外的光學(xué)式攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)中常使用的內(nèi)參數(shù)獲取方法是基于機(jī)械式跟蹤的方式。

標(biāo)定過(guò)程涉及世界坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系。

世界坐標(biāo)系:三維世界的坐標(biāo)系,以三維空間中的某個(gè)點(diǎn)為原點(diǎn),目的是描述目標(biāo)物在真實(shí)世界中的位置,單位為米。

相機(jī)坐標(biāo)系:以相機(jī)為原點(diǎn)建立的坐標(biāo)系,目的是從相機(jī)的角度描述物體位置,是世界坐標(biāo)系與圖像坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的中間一環(huán),單位為米。

圖像坐標(biāo)系:為了描述成像過(guò)程中物體從相機(jī)坐標(biāo)系到圖像坐標(biāo)系的投影透射關(guān)系而引入,可以從相機(jī)內(nèi)讀取到的圖像所在的坐標(biāo)系,單位為像素。

標(biāo)定過(guò)程需要獲取世界坐標(biāo)系中足夠多的三維空間點(diǎn)坐標(biāo),找出這些點(diǎn)在圖像投影中的二維坐標(biāo),建立一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

具體分析過(guò)程如下:如圖7 所示,P (X,Y,Z)代表世界坐標(biāo)系中三維點(diǎn)的坐標(biāo),(u,v)是像素投影點(diǎn)坐標(biāo),(c,c)代表光心,(f,f)

圖7 標(biāo)定過(guò)程參考圖[10]

攝像機(jī)的外參數(shù)可用旋轉(zhuǎn)矩陣R 和平移向量t表示,內(nèi)參數(shù)矩陣A 隨著焦距變化才改變,通過(guò)外部參數(shù)矩陣可將P (X,Y,Z)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為相機(jī)內(nèi)的坐標(biāo)(x,y,z),轉(zhuǎn)換過(guò)程為:

上述計(jì)算過(guò)程可解決以下問(wèn)題:

(1)給定內(nèi)參數(shù)和外參數(shù)時(shí),可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位跟蹤和三維重建;

(2)給定內(nèi)參數(shù)和幾個(gè)三維點(diǎn)的投影坐標(biāo),計(jì)算和標(biāo)定外參數(shù);

(3)已知標(biāo)記板的若干視圖,計(jì)算內(nèi)參數(shù)和外參數(shù)。

單目光學(xué)系統(tǒng)需要依賴固定樣式的跟蹤點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)攝影機(jī)跟蹤,因此在跟蹤工作開始之前需要在室內(nèi)或者室外的跟蹤區(qū)域提前將跟蹤點(diǎn)安裝好,做好相機(jī)的標(biāo)定工作。另外,由于單目光學(xué)系統(tǒng)缺少場(chǎng)景的深度信息,并且存在因相機(jī)遮擋而丟失跟蹤信息的問(wèn)題,因此需要搭配慣性跟蹤模塊來(lái)配合使用。

2.1.2.2 雙目光學(xué)攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)

不同于單目光學(xué)攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng),雙目光學(xué)攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)利用兩個(gè)跟蹤攝像機(jī)可以實(shí)時(shí)獲取圖像特征值及深度值,增加了定位跟蹤的精確度。NCAM 系統(tǒng)中的雙目光學(xué)式攝影機(jī)定位跟蹤模塊如圖8所示。

圖8 由內(nèi)向外的攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)[11]

用雙目立體視覺來(lái)計(jì)算深度值的原理如圖9所示,在定位跟蹤工作時(shí),需要確保左右兩臺(tái)跟蹤相機(jī)位于同一平面,且所有的相機(jī)參數(shù)都一致,如焦距f,可得到深度值的計(jì)算公式如 (6)和 (7)所示。

圖9 雙目立體視覺相機(jī)模型 (y軸垂直于紙面方向)[12]

根據(jù)上述推導(dǎo),空間中某點(diǎn)的深度為:z=f×b/d,知道相機(jī)焦距f、左右相機(jī)的基線b和視差d就可得到深度值。

雙目光學(xué)跟蹤系統(tǒng)不像單目光學(xué)跟蹤那樣需要依賴固定的跟蹤點(diǎn),工作起來(lái)比較靈活,室內(nèi)、室外拍攝環(huán)境都適用。但受光學(xué)跟蹤方式的限制,該系統(tǒng)在環(huán)境光照較強(qiáng)和較暗的環(huán)境中獲得的跟蹤圖像信息易不完整,跟蹤效果會(huì)不理想,這就對(duì)匹配算法提出較高要求。另外,雙目光學(xué)跟蹤不適用于單調(diào)缺乏紋理的場(chǎng)景,像缺乏視覺特征點(diǎn)的場(chǎng)景,如天空、白墻、沙漠等,這會(huì)導(dǎo)致跟蹤誤差較大甚至跟蹤失敗。

2.2 非光學(xué)式攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)

非光學(xué)式攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)的主要元件不是相機(jī)等光學(xué)設(shè)備,而是能夠跟蹤和獲得跟蹤主體在空間中位置和姿勢(shì)的替代組件,如機(jī)械式設(shè)備、電磁式設(shè)備、慣性式設(shè)備和聲學(xué)式設(shè)備。

2.2.1機(jī)械式攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)

機(jī)械式攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)利用機(jī)電傳感器來(lái)獲得攝影機(jī)的姿勢(shì)信息,如喬治盧卡斯首創(chuàng)的機(jī)械式定位跟蹤系統(tǒng)能夠記錄攝影機(jī)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),可以在再次拍攝時(shí)準(zhǔn)確無(wú)誤地重復(fù)上一次拍攝時(shí)的攝影機(jī)運(yùn)動(dòng),保證攝影機(jī)每次拍攝具有相同的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖10 Mo-sys開發(fā)的Camera Tracking系統(tǒng)[13]

隨著技術(shù)的發(fā)展,機(jī)械式攝影機(jī)定位跟蹤方式逐漸演變成今天使用的攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)。由Mo-sys開發(fā)的Camera Tracking系統(tǒng)便是基于機(jī)械式定位跟蹤技術(shù) (見圖10),為了獲得攝影機(jī)機(jī)身和鏡頭的運(yùn)動(dòng)情況,需要在橫搖、俯仰、旋轉(zhuǎn)、變焦、聚焦、光圈的轉(zhuǎn)動(dòng)方向上安裝嚙合齒輪,當(dāng)攝影機(jī)姿勢(shì)或鏡頭狀態(tài)發(fā)生變化時(shí),測(cè)量傳感器可以實(shí)時(shí)檢測(cè)到機(jī)械齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng),得到攝影機(jī)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),進(jìn)行編碼處理后,將運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸給主機(jī),為虛擬攝影機(jī)提供真實(shí)攝影機(jī)的姿勢(shì)和鏡頭運(yùn)動(dòng)信息。至于攝影機(jī)在三維空間中的位置信息,可以在攝影機(jī)云臺(tái)下面安裝搖臂或軌道來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)跟蹤。

機(jī)械式定位跟蹤系統(tǒng)的抗干擾能力最強(qiáng),跟蹤數(shù)據(jù)精確且跟蹤穩(wěn)定,整個(gè)系統(tǒng)不需要接入其他工作站來(lái)處理跟蹤信息,可以實(shí)現(xiàn)極低延時(shí)的跟蹤處理,運(yùn)行速度快。這類系統(tǒng)不存在外力或遮擋問(wèn)題,不會(huì)影響攝影機(jī)的定位跟蹤結(jié)果。

機(jī)械式跟蹤最大的不足之處在于攝影機(jī)的活動(dòng)范圍受到機(jī)械結(jié)構(gòu)限制,使用起來(lái)不夠靈活,移動(dòng)性和可使用場(chǎng)景有限。另外,機(jī)電傳感器的精度要求高,安裝成本也高,系統(tǒng)構(gòu)成很復(fù)雜且設(shè)備笨重,攝影師不能靈活進(jìn)行鏡頭調(diào)度。因此,在電影制作中,機(jī)械式的跟蹤方式常用來(lái)獲取攝影機(jī)的內(nèi)部參數(shù),而外部參數(shù)的獲取則更多依賴于光學(xué)式定位跟蹤的方法。

2.2.2電磁式攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)

電磁式跟蹤系統(tǒng)利用磁場(chǎng)強(qiáng)度變化對(duì)目標(biāo)進(jìn)行位置和姿勢(shì)的跟蹤,系統(tǒng)一般由四個(gè)部分構(gòu)成:微控制器、發(fā)射器、接收器和主機(jī)。發(fā)射器用于發(fā)射磁信號(hào),攝影機(jī)機(jī)身上的接收器將接收到的磁信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),其位置通過(guò)與靜態(tài)發(fā)射器之間的距離來(lái)識(shí)別,并將此信號(hào)送到微控制器,經(jīng)過(guò)計(jì)算后得出跟蹤數(shù)據(jù)。

電磁式定位跟蹤系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于使用的跟蹤傳感器不存在遮擋問(wèn)題,且系統(tǒng)便攜度高,應(yīng)用起來(lái)很靈活,跟蹤精度較高。但該系統(tǒng)最大的問(wèn)題是跟蹤區(qū)域受限于發(fā)射器 (基站)周圍的區(qū)域,跟蹤范圍極其有限,并且易受到電子設(shè)備或金屬物體的干擾,造成跟蹤出錯(cuò),抗干擾能力弱。

2.2.3慣性式攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)

慣性式攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)的核心原件是慣性傳感器,兩種主要類型是加速度計(jì)和陀螺儀,只能提供跟蹤目標(biāo)的旋轉(zhuǎn)、姿勢(shì)信息。

(1)加速度計(jì)

加速度計(jì)傳感器可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的加速度,通常包含質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調(diào)電路等部件。加速度計(jì)對(duì)慣性力進(jìn)行測(cè)量,運(yùn)用牛頓第二定律來(lái)獲得物體的加速度值。加速度計(jì)在跟蹤測(cè)量時(shí)會(huì)不可避免地產(chǎn)生一定噪聲,影響跟蹤結(jié)果的精確性。

(2)陀螺儀

陀螺儀由位于軸心且可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子構(gòu)成,它以振動(dòng)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng),如圖11所示。陀螺儀驅(qū)動(dòng)的同時(shí),要在每秒0.01度到每秒幾百度的范圍內(nèi)計(jì)算旋轉(zhuǎn)量每秒的度數(shù)信息,但其噪聲值高達(dá)每秒0.2度,因此需要進(jìn)行外部測(cè)量其振動(dòng)、溫度和絕對(duì)位置信息。

圖11 陀螺儀原理示意圖

慣性式攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì),一方面,它不像光學(xué)式攝影機(jī)跟蹤系統(tǒng)需要暴露在光學(xué)相機(jī)的捕捉視線內(nèi),跟蹤設(shè)備的使用較靈活,可以用于戶外的攝影機(jī)跟蹤拍攝,還可應(yīng)用于大范圍的跟蹤環(huán)境中。另一方面,慣性式系統(tǒng)集成速度快,易于使用,成本較低。

慣性式定位跟蹤系統(tǒng)的傳感器在捕獲具有小加速度值的細(xì)微運(yùn)動(dòng)時(shí),還是會(huì)存在干擾誤差。此外,這些設(shè)備一旦達(dá)到其結(jié)構(gòu)限制就會(huì)提供不準(zhǔn)確的跟蹤結(jié)果,在長(zhǎng)時(shí)間的跟蹤中會(huì)產(chǎn)生跟蹤數(shù)據(jù)偏移。

因此,將慣性式低成本跟蹤設(shè)備與光學(xué)式定位跟蹤設(shè)備結(jié)合應(yīng)用,形成混合的攝影機(jī)跟蹤系統(tǒng),能夠解決光學(xué)式設(shè)備的遮擋問(wèn)題和慣性設(shè)備的誤差問(wèn)題。通常光學(xué)系統(tǒng)遇到遮擋問(wèn)題時(shí)長(zhǎng)不會(huì)超過(guò)一秒鐘,而慣性器件可以對(duì)如此短時(shí)間內(nèi)的定位跟蹤做出精確的補(bǔ)充。

2.2.4聲學(xué)式攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)

聲學(xué)式定位跟蹤技術(shù)利用超聲波來(lái)確定跟蹤目標(biāo)的位置和姿勢(shì)信息,通過(guò)計(jì)算發(fā)射器發(fā)射脈沖信號(hào)到達(dá)另一端的接收器所用的時(shí)間,便可以得到發(fā)射器與接收器間的距離長(zhǎng)度,追蹤到目標(biāo)的三維空間位置信息。

超聲跟蹤系統(tǒng)不存在電磁干擾的問(wèn)題,也不像電磁式跟蹤系統(tǒng)易受臨近電子設(shè)備或金屬物體的影響,發(fā)射器和接收器輕便、易安裝,在成本、系統(tǒng)便攜度等方面相較于其他跟蹤系統(tǒng)有較大的優(yōu)勢(shì)。

超聲跟蹤系統(tǒng)的限制是聲音信號(hào)傳輸不能被遮擋,否則就會(huì)丟失跟蹤數(shù)據(jù),且易受到氣壓、濕度、干擾聲音等外部環(huán)境的影響,從而導(dǎo)致跟蹤準(zhǔn)確性降低。另外,聲波具有衰減特性,使得系統(tǒng)的跟蹤范圍受限,其跟蹤范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光學(xué)式跟蹤系統(tǒng)。由于超聲遇障礙物反射易干擾自身定位,導(dǎo)致聲學(xué)式系統(tǒng)的定位跟蹤精度比其他系統(tǒng)要低。因此,聲學(xué)式定位技術(shù)通常與其它的定位技術(shù)結(jié)合應(yīng)用以改進(jìn)系統(tǒng)性能,完成更高精度的定位。

3 總結(jié)

攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)因其跟蹤機(jī)制和跟蹤原理的不同,擁有各自的優(yōu)勢(shì)和跟蹤局限,可總結(jié)出不同攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)的特性,如表1所示。

表1 不同攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)特性

隨著技術(shù)發(fā)展,應(yīng)用不同跟蹤定位原理可產(chǎn)生多種攝影機(jī)定位跟蹤產(chǎn)品,產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊,每一類產(chǎn)品適用的場(chǎng)景也有所不同?，F(xiàn)有的攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)分類中,光學(xué)式攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)具有跟蹤范圍廣、系統(tǒng)延時(shí)較低、跟蹤精度較高和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),但其存在的最大問(wèn)題是跟蹤攝像機(jī)的遮擋問(wèn)題和拍攝環(huán)境照度問(wèn)題而導(dǎo)致跟蹤信息丟失,而慣性式定位跟蹤方式能夠解決光學(xué)式設(shè)備的遮擋問(wèn)題。因此,將慣性低成本跟蹤設(shè)備與基于光學(xué)原理的攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)應(yīng)用,將大大提高攝影機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)的定位跟蹤效果。?