CN102231800B - 摄影机自动瞄准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种摄影机自动瞄准方法，是架构于多摄影机或单一摄影机拍摄环境，针对同一拍摄场景，将每部摄影机手动瞄准后所取得的画面各自储存为样板，每次欲拍摄前，须确保摄影机影像中心与手动瞄准时的参考点维持一致，若画面与原先不一致，即可采用此自动瞄准方法快速将摄影机移动至原来位置，此一种摄影机自动瞄准方法包含：a.样板采集方法；b.样板比对方法；以及c.快速收敛方法。所述摄影机自动瞄准的方法，有别于传统每次拍摄之前须以人力瞄准每一部摄影机，以自动化的方式提供使用者快速瞄准多部摄影机，并提高瞄准的精确度。
Description
技术领域
本发明是关于一种以单一或多摄影机拍摄环境为基础的摄影机自动瞄准方法。
背景技术
在本发明之前并无确切的技术可达到此效果，传统拍摄活动进行时，仅使用数台摄影机捕捉场景，每一部摄影机皆依靠人为方式操控，观众在同一时间仅能收看到预先安排好的特定角度画面，但此拍摄模式取得的影像，无法应用于多视角互动电视***。
多视角互动电视***强调与观众进行更弹性的互动，观众可在每一个时间点任意切换到不同的角度欣赏特定画面，为了达到视角切换的效果，在摄影机取像时，必须于拍摄场景架设多部摄影机，同时同步撷取不同角度的画面，若是以传统方式操作摄影机，每次拍摄前，都必须以手动方式重新瞄准摄影机，将每台摄影机的画面中心对准至拍摄场景的某一参考点，所耗时间甚巨，且以人为方式瞄准，用人眼来调整瞄准物的位置，每次判断准则不一，容易造成瞄准结果误差。
现有技术中，中华台湾专利I303012“排除环场摄影机安装角度限制的环场影像处理方法及***”，其***仅提供架设的方法，用以排除传统环场摄影机的安装限制，并无提出可快速瞄准多部摄影机的方法，虽可撷取360度视野的影像，但此拍摄模式取得的影像无法应用于多视角互动电视***，由于多视角互动电视***可呈现同一时间点不同角度的画面，为了达到视角切换的效果，必须使拍摄物体在每台摄影机画面中的相对位置保持一致，因此拍摄前须对每部摄影机进行瞄准的步骤。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使多部摄影机自动瞄准的方法，有别于传统每次拍摄之前须以人力瞄准每一部摄影机，以自动化的方式提供使用者快速瞄准多部摄影机，并提高瞄准的精确度。
达成上述发明目的摄影机自动瞄准方法，是采用样板采集和样板比对技术设计，当多摄影机环境需要做瞄准时，先利用手动瞄准方式瞄准每一台摄影机，并将瞄准好的画面各自储存为样板，每次欲拍摄前，须确保摄影机影像中心与手动瞄准时的参考点画面一致，若画面与原先不同，需将摄影机移动至原来位置，以确保参考点在每台摄影机的相对位置相同，在瞄准时每台摄影机即以各自储存的样板为基准，将参考点置于画面中的相同位置。除第一次须手动瞄准外，每次重新拍摄时，每台皆以电脑程式执行瞄准程序，从摄影机所捕捉的影像画面里，寻找与样板最相似的模板，并移动摄影机角度，使模版置于摄影机撷取画面的最佳位置上，不同于以往以手动方式轮流瞄准每一部摄影机，以此演算法则，拍摄前只需将目标物放至场景中60秒，即可自动瞄准完毕。
本摄影机自动瞄准方法主要架构于多视角互动电视服务***上，多视角互动电视服务***利用多视角取像技术，呈现不同角度的观赏画面，为了达到视角切换的效果，需采用多部摄影机同时在不同角度拍摄同一物体，取得同一时间点不同面向的画面，而多部摄影机拍摄时，除具备同步功能外，每部摄影机需在拍摄之前指向同一拍摄物体，且该拍摄物体在每台摄影机画面中的相对位置必须一致，当观众欲切换到下一个视角时，拍摄物体在画面中的位置不会呈现不规则的移动，使画面的转变能达到平顺且无突兀的跳动感，自动瞄准方法透过程式寻找拍摄物***置，不仅统一搜寻过程的精确度，且可快速完成瞄准步骤，其主要核心技术包含样板采集、样板比对和快速收敛法三大类，分别叙述如下：
1.样板采集是以手动方式设定一瞄准样板，将每台摄影机影像中心对准至拍摄场景的某一参考点后，从摄影机所捕捉到的瞄准过后画面，以拍摄物体为中心取一个正方形的画面区块，将之各自储存为样板，作为摄影机自动瞄准时的参考。
2.样板比对是利用电脑程式将捕捉到的影像由左上角开始寻找，以由左至右、由上至下的规则撷取与样板相同大小的影像，与由样板采集步骤中所取得的样版采用以相似度量测为基础的比对方法进行比对，寻找与储存样板相似度最高的画面区块作为移动目标，在瞄准的过程中需多次重复样板比对及摄影机移动步骤，才可将参考点自动移动至原先手动瞄准所取得的参考位置上，节省重复瞄准所花的时间。比对样板时常用的相似度量测的方法有正规化相关系数法(normalized correlation)、均方差(mean square difference)、绝对差值合(sumof absolute differences)、交叉相关系数法(cross-correlation coefficient)与像素比标准差(standard deviation of pixel ratio)，本发明的最佳实施例为正规化相关系数法（normalized correlation)。
3.快速收敛法是以类二元搜寻法的概念来加速样板比对的过程，每一次比对会与上一次比对方向比较，若需移动的方向与上次移动方向相同，即以上次摄影机的相同移动角度移动摄影机，若需移动的方向与上次移动方向相反，则以上次移动角度的二分之一移动摄影机，重覆此比对动作，逐渐收敛摄影机转动的角度，令摄影机迅速精确的将拍摄物体置于正确的位置上。
本方法所述步骤是以单部摄影机独立操作，每一部摄影机皆需透过样板采集、样板比对和快速收敛法，将摄影机中心移动至原先手动瞄准所取得的参考位置上，因此亦可应用于单部摄影机的拍摄环境。
本发明所提供的摄影机自动瞄准方法，具有下列优点：
1.利用电脑快速自动瞄准多部摄影机，简化每次需以手动方式逐一瞄准摄影机的工作；
2.以科学计算取代人为瞄准方式，减少瞄准角度的误差；
3.减少因人为判断准则不一致所造成各摄影机参考点不连贯的缺点，使其应用在多视角***时，切换视讯角度的观感更平滑且无突兀的跳动感；
4.本发明为单纯的演算规则，不受硬体设备影响，易整合在任何需要多摄影机的类似环境。
附图说明
请参阅有关本发明的详细说明及其附图，将可进一步了解本发明的技术内容及目的功效；相关附图为：
图1为本发明摄影机自动瞄准方法运作的架构示意图；
图2为本发明摄影机自动瞄准方法的样板采集和样板比对模组示意图；
图3为本发明摄影机自动瞄准方法的快速收敛演算法示意图；
图4为本发明摄影机自动瞄准方法的快速收敛演算法实施范例示意图；
附图标记说明：
1、环绕摄影机；
2、多视角视讯内容撷取暨服务管理平台。
具体实施方式
请参阅图1，为本发明摄影机自动瞄准方法运作的架构示意图。环绕摄影机1为多视角拍摄环境的视讯内容提供者，是利用多部摄影机摆设成360度，同时在不同角度拍摄同一物体，每台摄影机除具备同步及自动转向功能之外，拍摄影片之前需调整每一部摄影机的拍摄角度，使拍摄物体出现在画面中的最佳位置上，多视角视讯内容撷取暨服务管理平台2可监控及调整每台摄影机的画面，并将捕捉到的画面进行处理及储存。本发明摄影机自动瞄准方法为多视角视讯画面撷取之前置作业，每台摄影机经过瞄准程序后才进行影像撷取，多视角视讯内容撷取暨服务管理平台2会储存每台摄影机手动瞄准后的画面，当作自动瞄准时的样板，当摄影机需再次瞄准时，透过多视角视讯内容撷取暨服务管理平台2的摄影机监控画面，与该摄影机所储存的样板比对，计算出该摄影机所需移动的角度，并通知环绕摄影机1重新调整拍摄中心，将拍摄物体调整至最佳位置。
请参阅图2(A)所示，为本发明摄影机自动瞄准方法的样板采集模组示意图。假设欲将拍摄物置于画面正中央，其样版采集的方式如下：
1.以手动方式将摄影机的画面中心瞄准到拍摄物体的正中央。
2.以上述(1)对准的位置为影像中心，取一个50×50pixel的画面，将之储存为样板。
请参阅图2(B)所示，为本发明摄影机自动瞄准方法的样板比对模组示意图。样板比对是利用正规化相关系数法(normalized correlation)来寻找影像中与样板相似的模板，自捕捉画面的左上角由左至右、由上至下，以50×50pixel的画面区块为一模板，每一模板区块皆与储存样板比对，比对完整张画面后会得到一块与储存样板相似度最高的模板，接着尝试将摄影机拍摄中心瞄准到此模板中心，重覆此比对动作，直到拍摄物体能调整至摄影机拍摄画面的正中央为止，如图2(C)所示。为了缩短比对过程的时间，结合所提出的快速收敛演算法使摄影机能更迅速对准参考点。
请参阅图3所示，为本发明摄影机自动瞄准方法的快速收敛演算法示意图。快速收敛法为类二元搜寻法的方式，在图2(B)步骤中找到与样板最相似的模板后，即以此快速收敛法将摄影机中心对准模板中心，其方法如下：
1.第一次移动时摄影机以水平与垂直各M度为移动单位瞄准至模板中心，如图3(A)所示；
2.第二次移动至第N次移动的规则如下：
I.重复执行图2(B)步骤，再次寻找与样板最相似的模板。
II.依本次比对结果，若需移动的方向与上次移动方向相同，则以上次的移动角度移动摄影机，若需移动的方向与上次移动方向相反，则以上次移动角度的二分之一移动摄影机。请参阅图3(B)所示，摄影机需移动的方向与上一次移动的方向相同，则同样以M度为移动单位往模板中心移动；请参阅图3(C)所示，若与上一次移动方向相反，则将移动角度减半，即以M/2度为移动单位往模板中心移动。
III.水平及垂直的移动范围须个别处理。
IV.摄影机中心经多次重复I～III的步骤移动后，当拍摄物中心点与摄影机影像中心误差值小于预设值时，即完成瞄准程序，如图3(D)所示。
请参阅图4所示，为本发明摄影机自动瞄准方法的快速收敛演算法之一实施范例示意图。其步骤如下：
1.请参阅图4(A)所示，为未瞄准前的摄影机撷取画面，执行图2(B)步骤后所寻找到与样板相似度最高的模板，位于摄影机影像中心的右下方，此时摄影机需以水平向右与垂直向下各M度为移动单位瞄准至模板中心。
2.请参阅图4(B)所示，为第一次移动后的摄影机撷取画面，此时模板移动至摄影机影像中心的右上方，摄影机中心需移动的水平方向与上一次相同，垂直方向与上一次相反，即以水平向右M度与垂直向上M/2度为移动单位往模板中心移动。
3.请参阅图4(C)所示，为第二次移动后的摄影机撷取画面，此时模板移动至摄影机影像中心的左下方，摄影机中心需移动的水平与垂直方向与上一次相反，即以水平向左M/2度与垂直向下M/4度为移动单位往模板中心移动。
4.请参阅图4(D)所示，为第三次移动后的摄影机撷取画面，此时模板移动至摄影机影像中心的右下方，摄影机中心需移动的水平方向与上一次相反，垂直方向与上一次相同，即以水平向右M/4度与垂直向下M/4度为移动单位往模板中心移动。
5.请参阅图4(E)所示，为第四次移动后的摄影机撷取画面，其拍摄物中心点与摄影机影像中心误差值小于预设值，即完成瞄准程序。
上列详细说明是针对本发明的一可行实施例的具体说明，而该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技艺精神所为的等效实施或变更，均应包含于本发明的专利范围中。
Claims (4)
1.一种摄影机自动瞄准方法，是架构于多摄影机拍摄环境，针对同一拍摄场景，将每部摄影机手动瞄准后所取得的画面各自储存为样板，每次欲拍摄前，须确保摄影机影像中心与手动瞄准时的参考点维持一致，若画面与原先不一致，即采用此自动瞄准方法快速将摄影机移动至原来位置，此一种摄影机自动瞄准方法包含：
a.样板采集方法
所述样板采集方法是利用手动方式，将每台摄影机影像中心对准至拍摄场景的某一参考点后，从摄影机所捕捉到的瞄准过后画面，以拍摄物体为中心取一个正方形的画面区块，将之各自储存为样板，作为日后自动瞄准的参考；
b.样板比对方法；以及
所述样板比对方法是利用电脑程式执行瞄准程序，自拍摄画面中依序撷取与样版同大小的画面区块，与由样板采集步骤中所取得的样版采用以相似度量测为基础的比对方法进行比对，寻找画面中与原先样板相似度最高的模板，再尝试将摄影机中心瞄准至模板中心，在瞄准的过程中需多次重复样板比对及摄影机移动步骤，才可将参考点自动移动至原先手动瞄准所取得的参考位置上；
c.快速收敛方法
所述快速收敛方法是结合样板比对方法，将每一次样板比对过程中得到的模板与上一次比对结果分别比较水平和垂直移动方向，若需移动的方向与上次移动方向相同，即以上次摄影机的相同移动角度移动摄影机，若需移动的方向与上次移动方向相反，则以上次移动角度的二分之一移动摄影机，重覆此比对动作，逐渐缩小摄影机转动角度的范围，直到拍摄物中心点与影像中心的误差值小于预设值为止，通过快速收敛演算法，一开始以较大角度移动摄影机拍摄中心至模板中心附近，再逐渐收敛角度细调摄影机方向，以加速实践自动瞄准方法。
2.如权利要求1所述的摄影机自动瞄准方法，其特征是，以相似度量测为基础的比对方法，是通过比对样板与在被搜寻的影像上的每一区块之间的相似度，而找到与样板相似度最高的模板区块，所述相似度量测的方法包括有正规化相关系数法、均方差、绝对差值合、交叉相关系数法与像素比标准差。
3.一种摄影机自动瞄准方法，是架构于单一摄影机拍摄环境，针对同一拍摄场景，将摄影机手动瞄准后所取得的画面储存为样板，每次欲拍摄前，须确保摄影机影像中心与手动瞄准时的参考点维持一致，若画面与原先不一致，即采用此自动瞄准方法快速将摄影机移动至原来位置，此一种摄影机自动瞄准方法包含：
a.样板采集方法
所述样板采集方法是利用手动方式，将摄影机影像中心对准至拍摄场景的某一参考点后，从摄影机所捕捉到的瞄准过后画面，以拍摄物体为中心取一个正方形的画面区块，将之储存为样板，作为日后自动瞄准的参考；
b.样板比对方法
所述样板比对方法是利用电脑程式执行瞄准程序，自拍摄画面中依序撷取与样版同大小的画面区块，与由样板采集步骤中所取得的样版采用以相似度量测为基础的比对方法进行比对，寻找画面中与原先样板相似度最高的模板，再尝试将摄影机中心瞄准至模板中心，在瞄准的过程中需多次重复样板比对及摄影机移动步骤，才可将参考点自动移动至原先手动瞄准所取得的参考位置上；
c.快速收敛方法
所述快速收敛方法是结合样板比对方法，将每一次样板比对过程中得到的模板与上一次比对结果分别比较水平和垂直移动方向，若需移动的方向与上次移动方向相同，即以上次摄影机的相同移动角度移动摄影机，若需移动的方向与上次移动方向相反，则以上次移动角度的二分之一移动摄影机，重覆此比对动作，逐渐缩小摄影机转动角度的范围，直到拍摄物中心点与影像中心的误差值小于预设值为止，通过快速收敛演算法，一开始以较大角度移动摄影机拍摄中心至模板中心附近，再逐渐收敛角度细调摄影机方向，以加速实践自动瞄准方法。
4.如权利要求3所述的摄影机自动瞄准方法，其特征是，以相似度量测为基础的比对方法，是通过比对样板与在被搜寻的影像上的每一区块之间的相似度，而找到与样板相似度最高的模板区块，所述相似度量测的方法包括有正规化相关系数法、均方差、绝对差值合、交叉相关系数法与像素比标准差。
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