CN102007516A - 自动跟踪对象的技术 - Google Patents

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斯科特·R·马蒂克斯
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Abstract

通过摄像机(16)自动跟踪诸如在电视节目中出现的播报员之类的对象(12)以首先确定位于摄像机视场内的所述对象是否匹配参考对象而开始。如果匹配，则在所指定的对象已经偏离摄像机视场中的预设定位移动了多于阈值距离的情况下出现对象跟踪以便保持所述对象相对所述预设定位呈固定关系。

Description

自动跟踪对象的技术
交叉引用信息
本申请要求2008年4月14日提交的美国临时专利申请序列号61/124,094的35 U.S.C 119(e)下的优先权，将其教导并入于此。
技术领域
本发明涉及一种跟踪其图像被摄像机等捕获的对象的技术。
背景技术
电视节目(诸如新闻节目)的实况制作经常要求一个或多个电视摄像机拍摄不同的播报员(“on-air”talent)(诸如新闻主播、天气报道员和/或体育报道员)的图像。过去，摄像机操作员手动地操作每台电视摄像机。这样的手动操作经常使得必须将摄像机移动到电视演播厅内的不同位置，从而确保特定的播报员出现在摄像机视场的中央。在广播期间，播报员经常将作出轻微的横向运动，迫使摄像机操作员将摄像机的位置移动对应量以便保持播报员处于摄像机视场的中央。摄像机操作员将通常在摄像机取景器中观察播报员的图像，从而操作员将立即得知播报员的运动并相应地移动摄像机。
技术进步已经导致机器人电视摄像机的发展，诸如可从Jacksonville，Florida的Thomson Grass Valley得到的“Cameraman”。这样的机器人摄像机在一个或多个计算机的控制下操作，所述一个或多个计算机管理诸如沿着x、y和z轴的摄像机位移、摇摄、倾斜、变焦距和聚焦之类的功能。通过适当地将(多个)计算机编程，摄像机将自动地操作，由此排除对手动控制的需要。典型的机器人电视摄像机具有从已知原位置向一个或多个预设位置移动的能力，每个预设位置使得能够进行播报员的一个特定摄像机摄像(shot)。通常，预设摄像机位置保持静止。换句话说，如果播报员向右或向左即使轻微地移动而机器人摄像机保持静止，则播报员将出现偏离摄像机视场内的中央。
为了克服该困难，机器人摄像机可以包括自动跟踪技术，诸如在颁布给Jeffrey Parker等的美国专利5,668,629中描述的这种跟踪***。在5,668,629专利中描述的自动跟踪***采用由运动物体(例如播报员)携带的红外(IR)发送机来向由机器人摄像机携带的IR接收机发送信号。通过检测在发送机随着对象移动时由发送机发送的信号的偏差，IR接收机可以建立运动对象的新位置并且将该信息提供给控制机器人摄像机的(多个)计算机以便相应地移动摄像机的位置。
在5,668,629中描述的IR跟踪技术对于跟踪单个运动对象工作良好。然而，多个对象的跟踪可能出现问题，诸如在单个机器人摄像机用来捕获几个不同的播报员的图像的情况下，如在摄像机移动以便在一个瞬间捕获新闻主播的图像而在不同瞬间捕获天气报道员的图像时出现的。每个不同的播报员将需要携带分离的IR发送机以便避免干扰，因此使得对在摄像机上具有多个IR接收机的需要成为必要。该IR***还具有以下缺点：主播人员必须佩戴应当位于头部中央以便具有头部位置的精确估计的嵌入***。
因此，存在对于克服现有技术的前述缺点的跟踪技术的需要。
发明内容
简要地，根据优选实施例，提供了一种跟踪受机器人控制的摄像机的视场内的对象的方法。该方法通过首先确定位于摄像机视场内的对象是否匹配参考对象而开始。如果匹配，则在所指定的对象已经偏离摄像机视场中的预设定位而移动了多于阈值距离的情况下开始跟踪对象以便保持对象与所述预设定位呈固定关系。以此方式，根据摄像机视场进行跟踪，并且跟踪不取决于被跟踪对象所佩戴的任何装置。
附图说明
图1示出了用于实践本原理的自动跟踪技术的示例***的示意框图；
图2示出了图形用户界面(GUI)，操作员可以通过该图形用户界面(GUI)控制图1的***；
图3示出了图2的GUI的放大部分，其示出了操作员可以操纵摄像机偏移的方式；以及
图4以流程图形式示出了由图1的装置实践的、用于执行本原理的自动跟踪技术的方法的步骤。
具体实施方式
图1示出了依据本原理的、用于自动跟踪诸如播报员之类的对象12的示例***10的示意框图。播报员12可以是与电视新闻节目的制作相关的新闻广播员、体育报道员或天气预报员，或者与其他类型的电视节目相关的播报员(例如游戏节目主持人)。
***10包括机器人摄像机组件14，诸如可从Jacksonville，Florida的Thomson Grass Valley得到的“Cameraman”机器人摄像机组件。机器人摄像机组件14典型地包括携带变焦距镜头18的电视摄像机16，该变焦距镜头的诸如光圈和变焦距之类的功能响应于由诸如但不限于个人计算机等的处理装置20供应的信号。因而，镜头18具有可变焦距功能。处理装置20还控制机器人摄像机基座22，其具有响应于来自处理装置的信号将摄像机16的位置沿着x轴和y轴移动、以及摇摄和倾斜摄像机的能力。处理装置20操作以依据来自摄像机16的视频信号控制机器人摄像机基座22的运动、以及镜头18的功能。尽管机器人摄像机***14示出了单个摄像机16，但是该***可以包括由单个处理装置或独立的各处理装置控制的多个摄像机。
图2示出了图像用户界面(GUI)200的显示，操作员经由该图像用户界面(GUI)200输入数据至由处理装置20执行的程序、以及从由处理装置20执行的程序接收信息，以便以下文中描述的方式实施对象(例如图1的播报员12)的自动跟踪。图2的GUI 200包括显示所选择的电视摄像机(诸如图1的摄像机16)的图像的视频屏幕202。在视频屏幕202中显示的图像包括水平线204a和垂直线204b，其交叉点206表示与本原理的跟踪技术相关联的偏移。该偏移由对象(例如图1的播报员12)的中心与线204a和204b的交叉点206之间的位置差构成。操作员可以通过触摸和拖动线204a和204b来操纵所述线的定位，从而操纵该偏移。视频屏幕202还以边界208的形式显示“安全区框”，该边界208限定自动跟踪在其中出现的区域。对于出现在边界208外部的任何对象不出现跟踪。因此，如果图1的播报员12出现在边界208的外部，则摄像机16将不响应播报员的运动。
除了视频屏幕202之外，GUI 200还包括多个“双态按钮”210-224，每个采取GUI内的特定区域的形式，当被激活时，其触发如下文中描述的特定动作。在实践中，通过使用计算机鼠标(未示出)可能出现双态按钮210-224中的特定双态按钮的激活。可替代地，GUI 200可以触摸屏上得到显示，从而触摸特定的双态按钮将触发与该按钮相关联的对应动作。双态按钮210触发选择几个摄像机中的特定摄像机，而双态按钮212对于由双态按钮210选择的摄像机选择预设摄像(shot)。双态按钮214触发编辑能力以允许操作员调节各个参数，包括但不限于摄像机移动速度。以此方式，操作员可以调节自动跟踪的灵敏度。双态按钮216触发新的跟踪会话。双态按钮218触发保存与当前跟踪会话相关联的多种设置和其它信息，包括但不限于用于特定的预设摄像机定位的有关安全区设置。
双态按钮218使得能够进行依据本原理的方法的对象(例如图1的播报员12)的自动跟踪。双态按钮240使得能够建立由边界208限定的安全区以便定义在其外部将不出现跟踪的区域。当双态按钮222被激活时，其通过进入“自动发现”模式而启动自动跟踪，在此时图1的处理装置20将搜索当前选择的摄像机的视场以寻找合适对象开始跟踪。在没有操作员干预的情况下，双态按钮222自动地使能自动跟踪和安全区两者。最后，当双态按钮224被激活时，触发帮助屏幕以辅助操作员。
GUI 200有利地使得操作员能够设置跟踪窗口(即，边界208)以及设置x和y偏移(如图2中线204a和204b的交叉点206所定义的)。以此方式，取决于出现在与播报员相同的视场中的图形，操作员可以将对象(图1的播报员12)保持在特定视野(perspective)中。例如，图形可能出现在图1的播报员12的右或左肩膀上，如在图2的视频屏幕202中示出的图像中所指示的，产生“右OTS”或“左OTS”摄像。在操作员在激活自动跟踪双态按钮218之后选择了自动跟踪功能时，GUI 200内的视频屏幕202将显示具有偏移的当前位置的图1的摄像机16的图像。如之前所描述的，操作员通过触摸线204a和204b并且将它们拖动到期望定位可以做出调节。在将线204a和204b的位置保存为预设之后，交叉点206现在变为与该特定定位预设相关联的x和y偏移。图1的摄像机16将在没有操作员干预的情况下跟踪对象(例如图1的播报员12)，并且基于所存储的偏移和定位预设之间的差来重新调节摄像机的位置。图3示出图2的视频屏幕202的放大视图，并且更清楚地示出在图1的摄像机16的视场中的跟踪窗口，该跟踪窗口具有从对象中心的“偏移”。
图4以流程图的形式示出了示例处理400的步骤，按照该处理，图1的处理装置20可以控制图1的机器人摄像机组件14以便实施根据本原理的图1的播报员12的自动跟踪。自动跟踪方法400以用于建立或重置用于跟踪的对象的第一执行步骤402开始。步骤402的初次执行用来建立“空”对象。为了跟踪的目的，对象具备诸如形状和定位之类的某些特征、以及诸如例如颜色和特征点之类的某些基于内容的特征。初始地，所有对象特征具有零值。
步骤402的执行也用来重置图1的摄像机16在x、y和z坐标中的位置，以便将摄像机定位于预定义(例如预设)位置。类似地，将摇摄、倾斜、变焦距和光圈设置为预定义的值。
接着步骤402之后，步骤404的执行出现，此时处理装置20通过将由图1的摄像机16捕获的当前视频帧中的图像的特征(例如颜色、特征点等)与所存储的对象图像比较而检测对象(例如图1的播报员12)。在检测到对象时(其在所捕获的帧的特征基本上匹配所存储的图像的对应特征时出现)，处理装置20执行步骤406以便确定对象的稳定性。在未能检测到对象时，步骤404在捕获到下一视频帧时被重新执行。实践上，步骤404将被重新执行以便对于所捕获的视频帧序列而检测对象，直至到达避免无限循环的执行的超时时间间隔。尽管未在图2中示出，操作员可以在此处进行干预，以便继续对象检测或者结束处理。
对象跟踪(即，移动摄像机的位置)通常要求对象保持稳定。换句话说，在尝试自动跟踪时，对象不应经历显著运动。在对象经历显著运动时尝试自动跟踪可能导致摄像机20移动到该对象已经离开的定位，这将导致图1的摄像机16“追赶”对象。为了避免这种可能性，操作员将典型地选择一时间间隔，在处理装置20将开始图1的摄像机16的移动之前，该对象在该时间间隔期间必须大致保持在相同位置。如果对象通常在所指定的时间间隔中大致基本上无运动，则对象对于步骤406期间确定稳定性的目的来说而保持了稳定。由于在初始步骤，摄像机以开环移动(即，在此时间期间不处理图像)，因此出现对象稳定化步骤。该初始位置移动可能花费一秒或更多以到达期望的预设位置(变焦距命令没有这么快)，并且当摄像机最终收敛到该位置时，仍在运动的对象可能远离该位置，从而导致对象跟踪失败或者不是期望行为的新的非常重要的摄像机位置移动。
如果图1的处理装置20在步骤406期间发现对象稳定，则处理装置将图1的摄像机16的位置移动到期望的预设位置，并且同样在步骤408期间命令图1的镜头18变焦距至期望的预设位置。操作员可以使用在图2的GUI 200中可得到的预设修改能力来改变这些参数。对于每个预设，操作员可以修改所捕获的图像的中心定位和图像大小。操作员还可以使用GUI 200的预设选择器来改变预设。在步骤410期间，处理装置20更新对象特征并重置用于稳定性确定目的的对象位置计数器至零。具体地，图1的处理装置20通过建立当前图像中对象的位置来更新对象特征。对象的特征包括其形状，例如矩形或椭圆形。使用形状信息，处理装置20提取基于内容的特征用来跟踪对象。在步骤406期间不能检测到对象稳定性的情况下，处理执行分支回到步骤404。
接着步骤410之后，图1的处理装置20执行步骤412以便检测对象跟踪是否以足够的置信度出现。当依据对象的特征而检测的对象的实际位置以给定概率位于其预期位置(表示跟踪置信度)时，对象跟踪以足够的置信度出现。在2008年9月08日提交的待审PCT申请PCT/EP08/061842中存在适合于跟踪对象的跟踪技术的示例，通过引用将该申请并入于此。如果跟踪置信度等于或超过给定阈值，则图1的处理装置20认为成功跟踪并且然后前进以执行步骤418以便测试收敛。否则，如果跟踪置信度没有等于或超过该阈值，则处理装置20认为对象丢失。
在这种情况下，处理执行分支到步骤414以便使用对象在先前帧中的位置作为参考位置来寻找对象。处理装置20通过放大图像采样典型地以随机的方式在整个图像中寻找对象。然后在步骤416期间出现检查，以便确定是否已经发现了对象。为了确定是否已经发现了对象，处理装置20检查对象特征和对象候选特征之间的距离是否保持低于跟踪置信度的一半。如果是，则处理执行分支返回步骤412以便检查成功跟踪。否则，步骤414被重新执行，直至图1的处理装置20定位了对象。为了避免无限循环，在没有发现对象的情况下，处理400可以在给定时间间隔之后超时。注意到，操作员可以经由图2的GUI 200实时地改变跟踪置信度。
在执行图4的步骤418时，图1的处理装置20通过确定对象位置是否对应于期望的预设位置来确定收敛。在每个时刻，取决于对象的实际位置与期望的预设位置之间的距离是否不超过阈值，对象将具有TRUE或FALSE的收敛状态。初始地，对象具有FALSE收敛状态。在检测到FALSE收敛状态时，处理装置20发起收敛测试。如果在步骤418期间进行检查时收敛状态保持FALSE，则步骤420被执行，在此时处理装置20使得摄像机16移动到所选择的预设位置。处理装置20可以分离地控制摇摄和倾斜速度，且通过对于摇摄和倾斜速度使用不同值来确定方向。操作员可以经由图2的GUI 200改变摄像机速度的幅度。
为了避免在跟踪期间由图1的摄像机16在短距离上快速地来回运动引起摇晃的可能性，处理装置20在接着步骤418的TRUE收敛状态的确定之后的步骤422期间执行容许检查。在步骤422期间，处理装置20通过使用关于每个预设位置的容许半径来检查容许。如果期望的预设位置和当前的对象位置之间的距离保持小于容许半径，则不需要图1的摄像机16的进一步运动并且处理在步骤424结束。否则，如果对象(例如，图1的播报员12)位于容许半径之外，则处理装置20将收敛状态重置为FALSE并且步骤420被重新执行以便移动摄像机16使对象位置与期望的预设位置匹配。
上面描述了用于自动地跟踪对象的技术。

Claims (8)

1.一种跟踪受机器人控制的摄像机的视场中的对象的方法，包括以下步骤：
确定位于感兴趣区域内的对象是否匹配参考对象；并且如果匹配，
如果对象已经偏离摄像机视场中的某定位而移动了多于阈值距离，则自动地跟踪对象以便保持对象相对所述定位呈固定关系。
2.如权利要求1所述的方法，其中确定所述对象和参考对象之间的匹配的步骤包括将所述对象的至少一个特征与参考对象的至少一个对应特征进行比较的步骤。
3.如权利要求1所述的方法，其中自动跟踪包括确定所捕获的所述对象的图像是否保持稳定的步骤。
4.如权利要求3所述的方法，其中确定所述对象是否保持稳定的步骤进一步包括检测所述对象是否已经在规定时间间隔期间移动的步骤。
5.如权利要求1所述的方法，其中自动跟踪进一步包括当摄像机的预设位置与所述对象的定位彼此相隔不在阈值距离之内时移动摄像机的位置至预设位置的步骤。
6.如权利要求5所述的方法，进一步包括当摄像机的预设位置位于实际对象位置的容许半径之内时停止摄像机的移动的步骤。
7.一种跟踪对象的装置，包括：
用于确定位于感兴趣区域内的对象是否匹配参考对象的部件；
用于检测所述对象是否已经偏离预设定位移动了多于阈值距离的部件；以及
用于在所述对象被确定为在感兴趣的区域中时如果所述对象已经偏离摄像机视场中的某预设定位而移动了多于阈值距离、则自动地跟踪所述对象以便保持所述对象相对所述预设定位呈固定关系的部件。
8.一种跟踪对象的装置，包括：
摄像机，用于获取所述对象的图像；
用于移动所述摄像机的位置以便跟踪所述图像的部件；以及
处理装置，用于通过(1)确定位于感兴趣区域内的所述对象是否匹配参考对象，并且如果匹配，则在所述对象已经偏离预设定位而移动了多于阈值距离的情况下，当所述对象被确定为位于感兴趣的区域中时，移动所述摄像机的位置以便跟踪所述图像。
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