虚拟摄影棚场景匹配技术研究与实现
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摘要
虚拟摄影棚是目前多媒体技术及数字化技术的研究热点,本文基于武汉市科技攻关项目低成本虚拟摄影棚平台系统,为其提供场景匹配的功能,是虚拟摄影棚系统中非常重要的部分。
本文研究了虚拟摄影棚的关键技术之一的场景匹配技术,将场景匹配分为二维场景匹配及准三维场景匹配两部分,以桌面控制的方式对摄像机及虚拟场景进行匹配控制。
在具体的匹配算法方面,二维场景的匹配算法由人眼视觉特性及摄像机成像原理,推导出二维匹配的速度公式,再根据实际实现细节完成。准三维场景匹配通过在二维对摄像机成像原理分析的基础上,对三维图形学进行研究,实现准三维场景匹配算法的设计。三维场景通过对Multigen vega软件编程进行场景控制,而Vega控制程序与主程序之间采用进程通信的方式进行信息交换。在二维和准三维匹配中,都加入了惯性模拟,以使匹配效果更具真实感。
实验结果表明,本文所使用的二维及准三维匹配算法已达到了最初的设计标准,具有较好的效果,但是准三维系统与真三维系统还有一定的区别,如其摄像机的位置不能改变,不能实现真正的三维漫游等,此外,本文的匹配精确度方面还有待完善,这也将是下一步的研究目标。
本虚拟摄影棚二维及准三维场景匹配功能的实现,为虚拟摄影棚研究领域开创了一条低价高效的发展道路,大大推进了虚拟摄影棚的普及化,对电视节目制作的快速发展具有很大的促进作用。
Virtual studio is currently a hot subject of research on multi-media technology and digital technology. This thesis based on the project of Low Cost Virtual Studio Platform (Wuhan Science and Technology Research Project), providing the scene matching function for it, and it is a very important part of the virtual studio system.
This thesis researched on scene matching, which is one of the key technologies of virtual studio. We divided scene matching into two parts, one is 2D and the other is quasi-3D. The camera and the virtual scene are both controlled by desktop software.
2D scene matching arithmetic use the speed formula proved by human visual properties and the theory of camera imaging, and modified by detail in practice. Quasi-3D arithmetic is based on the theory of camera imaging studied in 2D, and 3D Graphics. The 3D scene is controlled by Multigen Vega, who exchanged information by process communication. The inertia simulation is added to both 2D and quasi-3D scene matching to make the effect more realistic.
It is indicated by the result of experiments that, the 2D and quasi-3D arithmetic used in this thesis both reached aim, and have good effect. But quasi-3D system has many differences with real 3D system, such as the cameras in quasi-3D are fixed, they can't move. The next target is to complete the 3D roam and shelter, and perfect the precision.
The realization of 2D and quasi-3D scene matching started a low-cost and high-effect road for the research of virtual studio. It speeded up the popularization of virtual studio and the development of television.
本文研究了虚拟摄影棚的关键技术之一的场景匹配技术,将场景匹配分为二维场景匹配及准三维场景匹配两部分,以桌面控制的方式对摄像机及虚拟场景进行匹配控制。
在具体的匹配算法方面,二维场景的匹配算法由人眼视觉特性及摄像机成像原理,推导出二维匹配的速度公式,再根据实际实现细节完成。准三维场景匹配通过在二维对摄像机成像原理分析的基础上,对三维图形学进行研究,实现准三维场景匹配算法的设计。三维场景通过对Multigen vega软件编程进行场景控制,而Vega控制程序与主程序之间采用进程通信的方式进行信息交换。在二维和准三维匹配中,都加入了惯性模拟,以使匹配效果更具真实感。
实验结果表明,本文所使用的二维及准三维匹配算法已达到了最初的设计标准,具有较好的效果,但是准三维系统与真三维系统还有一定的区别,如其摄像机的位置不能改变,不能实现真正的三维漫游等,此外,本文的匹配精确度方面还有待完善,这也将是下一步的研究目标。
本虚拟摄影棚二维及准三维场景匹配功能的实现,为虚拟摄影棚研究领域开创了一条低价高效的发展道路,大大推进了虚拟摄影棚的普及化,对电视节目制作的快速发展具有很大的促进作用。
Virtual studio is currently a hot subject of research on multi-media technology and digital technology. This thesis based on the project of Low Cost Virtual Studio Platform (Wuhan Science and Technology Research Project), providing the scene matching function for it, and it is a very important part of the virtual studio system.
This thesis researched on scene matching, which is one of the key technologies of virtual studio. We divided scene matching into two parts, one is 2D and the other is quasi-3D. The camera and the virtual scene are both controlled by desktop software.
2D scene matching arithmetic use the speed formula proved by human visual properties and the theory of camera imaging, and modified by detail in practice. Quasi-3D arithmetic is based on the theory of camera imaging studied in 2D, and 3D Graphics. The 3D scene is controlled by Multigen Vega, who exchanged information by process communication. The inertia simulation is added to both 2D and quasi-3D scene matching to make the effect more realistic.
It is indicated by the result of experiments that, the 2D and quasi-3D arithmetic used in this thesis both reached aim, and have good effect. But quasi-3D system has many differences with real 3D system, such as the cameras in quasi-3D are fixed, they can't move. The next target is to complete the 3D roam and shelter, and perfect the precision.
The realization of 2D and quasi-3D scene matching started a low-cost and high-effect road for the research of virtual studio. It speeded up the popularization of virtual studio and the development of television.
引文
[1]王瑶.虚拟演播室系统在电视节目中的应用.东北师范大学硕士学位论文.2007.
[2]宋静华.基于数字技术构建高校电视节目制作系统的研究与探讨.东北师范大学硕士学位论文.2003,5.
[3]刘梅.数字技术与知识类电视节目.山东师范大学硕士学位论文.2002,10.
[4]方莉萍.电视节目制作中的虚拟演播室技术.中国有线电视.2007,9.
[5]都新峰.浅析电视节目制作中的虚拟演播室系统.青岛师范大学学报.2006,2.
[6]宋达.虚拟现实技术在教育领域中的应用与设计.东北师范大学硕士学位论文.2005,5.
[7]栗曦坤.虚拟演播室在教学中的应用研究.辽宁师范大学硕士学位论文.2005.
[8]董武绍,李端强.对高校虚拟演播室建设的探讨.电化教育研究.2007,2.
[9]吕贵香,钟庆.虚拟演播室在远程教育电视节目中的应用.教育技术导刊.2007,6.
[10]高放,徐春静.虚拟演播室技术在远程职业教育中的探索与应用.职业技术.2006(22).
[11]候佳.浅谈虚拟演播室技术在第十五届多哈亚运会中的应用.现代电视技术.2007,3.
[12]丁梅芊.虚拟演播室在影视中应用.辽宁大学学报.2007,11(35).
[13]张延龙,曹兴锋,王建兰,庄玲玲.气象影视虚拟演播室的性价比分析.气象与环境学报.2007,8(23).
[14]石蓉蓉.虚拟演播室技术对电视气象节目的艺术建造.浙江气象.2007(28).
[15]郭圣伟.基于DirectShow技术的虚拟演播室系统的研究与实现.西南交通大学硕士学位论文.2007.
[16]薛忠明.基于PC机与Java技术的虚拟演播室系统研究与实现.沈阳工业大学硕士学位论文.2004.
[17]常青.VRML在虚拟演播室中的应用.国防科学技术大学硕士学位论文.2002.
[18]谢晶妮.基于多PC机的虚拟演播室系统研究.国防科学技术大学硕士学位论文.2001.
[19]张连军.虚拟演播室系统的分析与比较.东北师范大学硕士学位论文.2007.
[20]Kambiz Rahbar,Hamid Reza Pourreza.Inside looking out camera pose estimation for vitual studio.Graphical Models 2008.
[21]Seong-Woo Park,Ki-Sang Hong.Practical ways to calculate camera lens distortion for real-time camera calibration.Pattern Recognition 34(2001)P1199-P1206.
[22]丁金铸.基于图像处理的运动目标检测跟踪系统的设计与实现.华中师范大学硕士学位论文.2007,6.
[23]程玉仁.基于数字图像处理的摄像机跟踪系统.西北工业大学硕士学位论文.2004,2.
[24]李云浩,张茂军,杨冰,吴玲达.虚拟演播室中的摄像机校准算法研究.小型微型计算机系统.2003,4(24).
[25]王玮,施维思.从二维到三维虚拟演播系统的实践应用.广播电视中心.2003,9.
[26]黄慕雄,李振亭.虚拟演播室的场景设计与开发.中国电化教育.2005,8.
[27]李勇.虚拟演播室的场景定位分析.现代电视技术.2002,10.
[28]赵汝明.虚拟场景成像技术研究.青岛大学硕士学位论文,2006.
[29]姚(王争),肖俊,庄越挺.基于影像美学原理的虚拟相机自动拍摄生成方法.系统仿真学报,2006,10(18).
[30]王建华,解凯.基于图像的图形生成系统中的虚拟摄像机模型.计算机科学,2002,(29).
[31]罗合见.三维虚拟场景编辑系统研究与实现.电子科技大学硕士学位论文.2001.
[32]王政,蔡鸿鸣,何卫平,余惰怀.基于二维图像的虚拟场景控制.工程图学学报.2001.
[33]李现勇.Visual C++串口通信技术与工程实践.北京:人民邮电出版社.2002-5.P1-P145.
[34]李嵘,赵刚,谈国新,陈迪.多串口通信在低成本虚拟摄影棚平台中的应用.微计算机信息.2008,4.
[35]陈传波,杜娟,张智杰.WIN32下基于RS232C协议的串口通信方法及应用研究.南昌大学学报.工科版.2005,27(3).
[36]陈细军,谭民.VC编程中的串口通信技术.计算机应用.2001,9(21).
[37]王伟,王敏.多线程技术在串口通信中的应用及实现.计算机应用与软件.2004,2,(21).
[38]贾广雷,刘培玉,耿长欣.多线程技术及其在串口通信中的应用.计算机工程.2003,1,(29).
[39]赵刚,李嵘,王敏.符合人眼视觉特性的前背景匹配快速算法.计算机工程与应用.2008,8.
[40]高阳,李言俊,张科.人眼视觉仿生在光电目标信息检测、估计和跟踪技术中 的应用.航空兵器,2006,2(1).
[41]夏军,汤勇明,尹涵春.基于人眼视觉系统的运动图像视觉感知模拟.东南大学学报(自然科学版),2004,1(34).
[42]孙玉霞.数字电视技术与人眼的视觉特性.江苏技术师范学院学报.2003,12(9).
[43]庄宁.虚拟演播室中遮挡技术的实现.国防科学技术大学硕士学位论文.2002.
[44]董元平.虚拟场景地形建模研究及飞行器简单控制.西安电子科技大学硕士学位论文.2007,1.
[45]孙文静.虚拟场景实时生成技术研究.西安电子科技大学硕士学位论文.2007,1.
[46]李自力,朱光喜,朱耀庭.虚拟演播室中节目主持人或演员与虚拟场景融合的一种技术方案.通信学报.2003,10(24).
[47]马立元,杨孝平.一种虚拟场景控制方法的研究与实现.计算机应用研究.2004,6.
[48]王乘.Vega实时三维视景仿真技术.武汉:华中理工大学出版社.2005-12.
[49]张岚,蒲小琼.基于CREATOR与VEGA技术的虚拟场景优化技术及研究.计算机应用与软件.2007,5(24).
[50]姚和平,马捷中,王季,翟正军,李雪.基于Vega的通用面向对象仿真程序.计算机工程.2007,7(33).
[51]王晓,徐克虎,林学华.基于Vega的碰撞检测技术应用.计算机应用.2007,12(27).
[52]谭同德,常志伟,苏金钊,吴强.基于Vega的虚拟漫游系统设计与实现.微计算机信息.2007(23).
[53]尹文生,代丽红,李世其.基于MFC和Vega的二三维联动视景仿真系统.计算机仿真.2005,5(22).
[54]李军,王绍棣,常建刚,孙知信,王汝传.基于Vega的视景驱动软件的分析与设计.系统仿真学报.2003,3(15).
[55]徐江峰,张战辉,杨有.基于VC++的进程通信技术研究.计算机科学.2007(34).
[56]胡小龙,江海花.Windows操作系统的进程通信机制.计算机应用研究.2002,12.
[2]宋静华.基于数字技术构建高校电视节目制作系统的研究与探讨.东北师范大学硕士学位论文.2003,5.
[3]刘梅.数字技术与知识类电视节目.山东师范大学硕士学位论文.2002,10.
[4]方莉萍.电视节目制作中的虚拟演播室技术.中国有线电视.2007,9.
[5]都新峰.浅析电视节目制作中的虚拟演播室系统.青岛师范大学学报.2006,2.
[6]宋达.虚拟现实技术在教育领域中的应用与设计.东北师范大学硕士学位论文.2005,5.
[7]栗曦坤.虚拟演播室在教学中的应用研究.辽宁师范大学硕士学位论文.2005.
[8]董武绍,李端强.对高校虚拟演播室建设的探讨.电化教育研究.2007,2.
[9]吕贵香,钟庆.虚拟演播室在远程教育电视节目中的应用.教育技术导刊.2007,6.
[10]高放,徐春静.虚拟演播室技术在远程职业教育中的探索与应用.职业技术.2006(22).
[11]候佳.浅谈虚拟演播室技术在第十五届多哈亚运会中的应用.现代电视技术.2007,3.
[12]丁梅芊.虚拟演播室在影视中应用.辽宁大学学报.2007,11(35).
[13]张延龙,曹兴锋,王建兰,庄玲玲.气象影视虚拟演播室的性价比分析.气象与环境学报.2007,8(23).
[14]石蓉蓉.虚拟演播室技术对电视气象节目的艺术建造.浙江气象.2007(28).
[15]郭圣伟.基于DirectShow技术的虚拟演播室系统的研究与实现.西南交通大学硕士学位论文.2007.
[16]薛忠明.基于PC机与Java技术的虚拟演播室系统研究与实现.沈阳工业大学硕士学位论文.2004.
[17]常青.VRML在虚拟演播室中的应用.国防科学技术大学硕士学位论文.2002.
[18]谢晶妮.基于多PC机的虚拟演播室系统研究.国防科学技术大学硕士学位论文.2001.
[19]张连军.虚拟演播室系统的分析与比较.东北师范大学硕士学位论文.2007.
[20]Kambiz Rahbar,Hamid Reza Pourreza.Inside looking out camera pose estimation for vitual studio.Graphical Models 2008.
[21]Seong-Woo Park,Ki-Sang Hong.Practical ways to calculate camera lens distortion for real-time camera calibration.Pattern Recognition 34(2001)P1199-P1206.
[22]丁金铸.基于图像处理的运动目标检测跟踪系统的设计与实现.华中师范大学硕士学位论文.2007,6.
[23]程玉仁.基于数字图像处理的摄像机跟踪系统.西北工业大学硕士学位论文.2004,2.
[24]李云浩,张茂军,杨冰,吴玲达.虚拟演播室中的摄像机校准算法研究.小型微型计算机系统.2003,4(24).
[25]王玮,施维思.从二维到三维虚拟演播系统的实践应用.广播电视中心.2003,9.
[26]黄慕雄,李振亭.虚拟演播室的场景设计与开发.中国电化教育.2005,8.
[27]李勇.虚拟演播室的场景定位分析.现代电视技术.2002,10.
[28]赵汝明.虚拟场景成像技术研究.青岛大学硕士学位论文,2006.
[29]姚(王争),肖俊,庄越挺.基于影像美学原理的虚拟相机自动拍摄生成方法.系统仿真学报,2006,10(18).
[30]王建华,解凯.基于图像的图形生成系统中的虚拟摄像机模型.计算机科学,2002,(29).
[31]罗合见.三维虚拟场景编辑系统研究与实现.电子科技大学硕士学位论文.2001.
[32]王政,蔡鸿鸣,何卫平,余惰怀.基于二维图像的虚拟场景控制.工程图学学报.2001.
[33]李现勇.Visual C++串口通信技术与工程实践.北京:人民邮电出版社.2002-5.P1-P145.
[34]李嵘,赵刚,谈国新,陈迪.多串口通信在低成本虚拟摄影棚平台中的应用.微计算机信息.2008,4.
[35]陈传波,杜娟,张智杰.WIN32下基于RS232C协议的串口通信方法及应用研究.南昌大学学报.工科版.2005,27(3).
[36]陈细军,谭民.VC编程中的串口通信技术.计算机应用.2001,9(21).
[37]王伟,王敏.多线程技术在串口通信中的应用及实现.计算机应用与软件.2004,2,(21).
[38]贾广雷,刘培玉,耿长欣.多线程技术及其在串口通信中的应用.计算机工程.2003,1,(29).
[39]赵刚,李嵘,王敏.符合人眼视觉特性的前背景匹配快速算法.计算机工程与应用.2008,8.
[40]高阳,李言俊,张科.人眼视觉仿生在光电目标信息检测、估计和跟踪技术中 的应用.航空兵器,2006,2(1).
[41]夏军,汤勇明,尹涵春.基于人眼视觉系统的运动图像视觉感知模拟.东南大学学报(自然科学版),2004,1(34).
[42]孙玉霞.数字电视技术与人眼的视觉特性.江苏技术师范学院学报.2003,12(9).
[43]庄宁.虚拟演播室中遮挡技术的实现.国防科学技术大学硕士学位论文.2002.
[44]董元平.虚拟场景地形建模研究及飞行器简单控制.西安电子科技大学硕士学位论文.2007,1.
[45]孙文静.虚拟场景实时生成技术研究.西安电子科技大学硕士学位论文.2007,1.
[46]李自力,朱光喜,朱耀庭.虚拟演播室中节目主持人或演员与虚拟场景融合的一种技术方案.通信学报.2003,10(24).
[47]马立元,杨孝平.一种虚拟场景控制方法的研究与实现.计算机应用研究.2004,6.
[48]王乘.Vega实时三维视景仿真技术.武汉:华中理工大学出版社.2005-12.
[49]张岚,蒲小琼.基于CREATOR与VEGA技术的虚拟场景优化技术及研究.计算机应用与软件.2007,5(24).
[50]姚和平,马捷中,王季,翟正军,李雪.基于Vega的通用面向对象仿真程序.计算机工程.2007,7(33).
[51]王晓,徐克虎,林学华.基于Vega的碰撞检测技术应用.计算机应用.2007,12(27).
[52]谭同德,常志伟,苏金钊,吴强.基于Vega的虚拟漫游系统设计与实现.微计算机信息.2007(23).
[53]尹文生,代丽红,李世其.基于MFC和Vega的二三维联动视景仿真系统.计算机仿真.2005,5(22).
[54]李军,王绍棣,常建刚,孙知信,王汝传.基于Vega的视景驱动软件的分析与设计.系统仿真学报.2003,3(15).
[55]徐江峰,张战辉,杨有.基于VC++的进程通信技术研究.计算机科学.2007(34).
[56]胡小龙,江海花.Windows操作系统的进程通信机制.计算机应用研究.2002,12.
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