CN102625130A - 基于计算机虚拟三维场景库的合成摄影*** - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于计算机虚拟三维场景库的合成摄影***，包括摄影设备、三维场景库、拍摄信息采集及实时同步模块、拍摄辅助模块、信息综合模块、场景渲染模块和图像合成模块；投影设备可将虚拟三维场景的效果示意图投射到背景天幕，并且在拍摄的瞬间，投影设备不对背景天幕进行投影；信息综合模块将摄影设备位置方向信息和摄影设备拍摄信息进行综合，得虚拟空间位置信息；场景渲染模块染出与现实拍摄参数和环境完全匹配的虚拟场景图形；图像合成模块将虚拟场景图像和原始图像进行合成处理生成合成图像。本发明合成摄影***成本低廉，效果真实可信，不受自然条件影响，能够为摄影行业工作人员提供充足选择空间和创作空间，可以广泛应用在摄影行业中。

Description

基于计算机虚拟三维场景库的合成摄影***

技术领域

本发明涉及一种合成摄影***，尤其涉及一种结合了虚拟三维场景的合成摄影***。

背景技术

在当前摄影行业中，拍摄时可供选择的场景一般为画景，人造实景或外景。但画景表现力不强，不真实可信；人造实景造价不菲，难于多变；外景拍摄需要耗费大量的人力物力，且往往容易受到天气，季节，时间和空间的制约。这些问题很大程度上提高了摄影行业的工作成本，制约了摄影行业的发展。

虽然三维虚拟成像的技术在电影，电视及其它一些图像制作领域已经有了较大范围的应用，但其工作方式一般为：先对剧本脚本进行研究，然后根据剧本和脚本的需要临时制作所需的场景，并在制作中将其与所拍摄的真实的角色和道具进行合成，其拍摄过程是基于剧本剧情的。这种制作流程中所需的工作设备和人员开销成本高昂，并且不能在拍摄前提供大量可供随意选择和拍摄创作的场景。因此，电影电视及其它一些图像制作领域的三维虚拟成像技术迟迟不能在摄影行业得到广泛应用。

所以，设计和开发一个可以提供大量场景可供工作人员自由选择和拍摄创作，又能有效降低成本和提升拍摄效果的摄影***，对于整个摄影行业有着重要意义。

因此，现有技术存在缺陷，有待于进一步改进和发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在拍摄时可根据使用者创作需要选择更换虚拟三维场景的合成摄影***，为拍摄提供更广泛的创作空间。

本发明的技术方案如下：

基于计算机虚拟三维场景库的合成摄影***，包括摄影设备，其中，还包括：三维场景库、拍摄信息采集及实时同步模块、拍摄辅助模块、信息综合模块、场景渲染模块和图像合成模块；

所述摄影设备包括拍摄时将数据同其它数码设备同步和交互的同步接口；

所述三维场景库包含多个虚拟三维场景，虚拟三维场景所使用的计量单位和外形比例与现实世界中一致；

所述拍摄信息采集及实时同步模块，包括设置在所述摄影设备上的手持部分、设置在拍摄对象上的对象追踪模块、还包括非手持部分；

所述拍摄辅助模块包括计算机、投影设备和背景天幕；

三维场景的虚拟场景的位置基本点与现实三维空间中位置的基本点固定对应，且三维场景的虚拟场景的虚拟基本方向与现实三维空间中的***基本方向相同；所述投影设备可将虚拟三维场景的效果示意图投射到背景天幕，并且在拍摄的瞬间，投影设备不对背景天幕进行投影；之后摄影设备拍摄只含有被拍摄对象和背景天幕的画面的原始图像；所述拍摄信息采集及实时同步模块采集摄影设备的空间位置方向信息和摄影设备参数信息，所述信息综合模块将摄影设备位置方向信息和摄影设备拍摄信息进行综合，得虚拟空间位置信息；所述场景渲染模块，通过提取信息综合模块计算所得虚拟空间位置信息渲染出与现实拍摄参数和环境完全匹配的虚拟场景图形；所述图像合成模块，提取场景渲染模块渲染所得的虚拟场景图像，提取摄影设备中拍摄所得的原始图像，并对二者进行合成处理生成一张合成图像。

所述的合成摄影***，其中，所述手持部分包括设置在所述摄影设备顶端的机顶模块，和设置在所述摄影设备底端的定位模块。

所述的合成摄影***，其中，所述机顶模块包括无线电信号发射器、同步信息接收模块、摄影设备拍摄数据提取接口，所述机顶模块的摄影设备拍摄数据提取接口和摄影设备的同步接口连接；

在所述摄影设备拍摄的瞬间，所述机顶模块的同步信息接收模块通过自身的摄影设备拍摄数据提取接口接收到摄影设备的同步信息；所述无线电信号发射器通过固定频段的无线电信息，将所述同步信息接收模块中的同步信息发送出去，所述同步信息包括摄影设备的拍摄参数；所述同步信息接收模块没有接收到同步信息时，所述无线电信号发射器通过另外一固定频段的无线电信息将空白信息发送出去。

所述的合成摄影***，其中，所述定位模块包括无线电信号接收器和和三个以上超声波发射器；所述无线电信号接收器用于接收所述机顶模块无线电信号发射器发射出的无线电信息；所述超声波发射器的位置不在一条直线上，且每个超声波发射器在定位模块中的位置是固定不变的；所述无线电信号接收器接收到来自机顶模块的无线电信息时，每个超声波发射器会立即发射固定频段的超声波。

所述的合成摄影***，其中，所述对象追踪模块包括无线电信号接收器和三个以上超声波发射器，所述多个超声波发射器的位置不在一条直线上，且每个超声波发射器在对象追踪模块中的位置是固定不变的；所述无线电信号接收器接收到来自机顶模块的无线电信息时，每个超声波发射器会立即发出固定频段的超声波。

所述的合成摄影***，其中，所述非手持部分包括无线电信号接收器、信息记录装置和三个以上超声波接收器，各超声波接收器的位置不在一条直线上；所述超声波接收器的实际物理位置对应虚拟三维场景中已知且固定不变的虚拟三维坐标位置，所述超声波接收器与现实三维空间中基本点的相对位置不可改变；所述信息记录装置通过接收到无线电信息和接收到超声波信号的时间差计算出与超声波发射器的空间距离。

所述的合成摄影***，其中，所述拍摄辅助模块还包括计算机连接的无线电信号接收器，所述无线电信号接收器用于接收手持部份的信息记录装置中机顶模块发射出的无线电信息，并将接收到的无线电信息发送至所述计算机。

所述的合成摄影***，其中，所述场景渲染模块的虚拟场景图像为若干图层，包括前景部分和背景部分。

所述的合成摄影***，其中，所述图像合成模块对原始图像进行处理，去除原图像中不需要的部分，然后将此图像置于场景渲染模块所得虚拟场景图像的前景部分和背景部分之间，生成一张包含多个图层的图像。

与现有技术相比，本发明提供了一种基于计算机虚拟三维场景库的合成摄影***，该合成摄影***包括三维场景库，可以根据需要更换，该合成摄影***利用图层合成的方式将原始图像和虚拟场景图像合成一张多层图片，实现虚拟场景和实际场景的结合；该合成摄影***成本低廉，效果真实可信，不受自然条件影响，能够为摄影行业工作人员提供充足选择空间和创作空间，可以广泛应用在摄影行业中。

附图说明

图1为本发明三维场景库的合成摄影***的结构示意图；

图2为本发明合成摄影***的立体结构示意图；

图3为本发明机顶模块的结构示意图；

图4为本发明定位模块的结构示意图；

图5为本发明对象追踪模块的结构示意图；

图6为本发明非手持部分的结构示意图；

图7为本发明三维场景库的虚拟场景的位置基本点与现实三维空间中位置的基本点对应结构图；

图8为本发明场景渲染模块中图层的位置示意图；

图9为本发明图像合成模块的合成流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的较佳实施例作进一步详细说明。

本发明提供的基于计算机虚拟三维场景库的合成摄影***，如图1所示，包括：摄影设备、三维场景库、拍摄信息采集及实时同步模块、拍摄辅助模块、信息综合模块、场景渲染模块和图像合成模块。

所述摄影设备，包括数码照相机和/或数码摄像机，所述数码照相机和数码摄像机需要具有同步接口，所述同步接口可以是热靴，所述同步接口用于在拍摄时将数据同其它设备的同步和交互。

所述三维场景库，所述三维场景库包括多个三维场景，这些三维场景是相互独立的，没有任何联系。所述三维场景库中的三维场景均符合以下要求：

一、三维场景中存在一个位置已知且唯一的“虚拟基本点”和一个方向已知且唯一的“虚拟基本方向”，所述“虚拟基本点”和“虚拟基本方向”对应现实三维空间中位置已知的“***基本点”和方向已知的“***基本方向”。

二、三维场景中存在若干坐标点，这些坐标点的数量与拍摄信息采集及实时同步模块的非手持部分的超声波接收器的个数相同，且位置相对应。

三、三维场景库中虚拟三维场景所使用的计量单位和外形比例与现实世界中一致。

所述拍摄信息采集及实时同步模块，如图2所示，包括手持部分、对象追踪模块和具有超声波接收器的非手持部分。

所述手持部分，如图2所示，设置在所述摄影设备上，包括机顶模块和定位模块。

所述机顶模块，可以设置在所述摄影设备的顶端；所述机顶模块如图3所示，包括无线电信号发射器、同步信息接收模块、摄影设备拍摄数据提取接口，所述机顶模块的摄影设备拍摄数据提取接口和摄影设备的同步接口连接。在所述摄影设备拍摄的瞬间，所述机顶模块的同步信息接收模块通过自身的摄影设备拍摄数据提取接口，以及摄影设备的同步信息接口接收到摄影设备的同步信息。所述无线电信号发射器发射出固定频段的无线电信息，所述无线电信息可以被合成摄影***的其它工作模块接收并识别，所述无线电信息包括同步信息接收模块中的同步信息。所述同步信息包括摄影设备的拍摄参数，例如快门速度、光圈值、感光度、白平衡的设定等可以影响拍摄结果风格的参数。

所述同步信息接收模块接收到同步信息时，所述无线电信号发射器将该接收的同步信息以固定频段的无线电信息的形式发送出去；所述同步信息接收模块没有接收到同步信息时，所述无线电信号发射器每隔数秒钟发射出另一固定频段的无线电信息，此无线电信息是不包含任何参数的空白信息。所述无线电信号发射器发射同步信息和空白信息所用的无线电频段不同，但这两种无线电频段都可以被其合成摄影***的其它设备接收并识别。

所述定位模块，如图4所示，包括无线电信号接收器和三个以上超声波发射器。所述无线电信号接收器用于接收所述机顶模块无线电信号发射器发射出的无线电信息。所述超声波发射器的位置不在一条直线上，且每个超声波发射器在定位模块中的位置是固定不变的。所述无线电信号接收器接收到来自机顶模块的无线电信息时，每个超声波发射器会立即发射固定频段的超声波，每个超声波发射器的超声波频段各不相同，且是可被所述超声波接收器分别识别的超声波。所述定位模块可以设置螺栓，所述定位模块可以通过螺栓固定在所述摄影设备底部的脚架固定接口上，以保证在拍摄过程中其与摄影设备的相对位置不会变化。

所述对象追踪模块，可通过物理方式固定在被拍摄对象的腰部，如图5所示，包括无线电信号接收器和三个以上超声波发射器，所述多个超声波发射器的位置不在一条直线上，且每个超声波发射器在对象追踪模块中的位置是固定不变的。所述无线电信号接收器接收到来自机顶模块的无线电信息时，每个超声波发射器会立即发出固定频段的超声波，每个超声波发射器的超声波频段各不相同，且是可被所述超声波接收器分别识别的超声波。

所述非手持部分，如图6所示，包括无线电信号接收器、信息记录装置和三个以上超声波接收器，各超声波接收器的位置不在一条直线上。所述超声波接收器的实际物理位置对应虚拟三维场景中已知且固定不变的虚拟三维坐标位置，所述超声波接收器与现实三维空间“***的基本点位置”的相对位置不可改变。所述各超声波接收器在水平方向上的坐标均为0。所述信息记录装置通过接收到无线电信息和接收到超声波信号的时间差计算出与超声波发射器的空间距离。

所述非手持部分在使用中，有两种情况：

一、所述无线电信号接收器接收到包含同步信息的无线电信息，将同步信息发送给所述信息记录装置；每个超声波接收器接收到来自定位模块和对象追踪模块的超声波信号，并将超声波信号发送给所述信息记录装置。无线电信号与超声波信号的传播速度是不同的，且速度的差值可知，所述信息记录装置通过接收到两种信号的时间差计算出各个超声波发射器和超声波接收器之间的距离，并将这些信息记录保存。

二、无线电信号接收器接收到包含空白信息的无线电信息，并将包含空白信息的无线电信息发送给所述信息记录装置：每个超声波接收器接收到来自定位模块和对象追踪模块的超声波信号，并将超声波信号发送给所述信息记录装置。无线电信号与超声波信号的传播速度是不同的，且速度的差值可知，所述信息记录装置通过接收到两种信号的时间差计算出各个超声波发射器和超声波接收器之间的距离。但这些信息不会被保存，而是被实时传输到拍摄辅助模块的计算机中。

所述拍摄辅助模块，如图2所示，包括计算机、无线电接收装置、投影设备、背景天幕等。

所述投影设备与所述计算机相连接，并且可以通过计算机的调用，将需要投影的图像实时投影在所述背景天幕上。

所述无线电信号接收器与所述计算机相连接，用于接收手持部份的信息记录装置中机顶模块发射出的无线电信息，并将接收到的无线电信息发送至所述计算机。

所述背景天幕，用于接收投影设备投射出的图像，是计算机图像合成中易于抠图的绿屏或蓝屏。

所述计算机，同三维场景库，拍摄信息采集及实时同步模块和信息综合模块进行数据交换，对所述投影设备有控制作用，并可提取来自与其连接的所述无线电信号接收器的信息。

所述摄影设备在拍摄工作开始前，用户通过计算机预览三维场景库中的场景效果，并可以实施检索，以选择希望使用的三维虚拟场景。选择完成后，三维场景的选择结果将会被记录在此计算机中，并且在之后的信息综合过程中，此三维场景的选择结果提供给所述信息综合模块。拍摄工作开始后，所述计算机调用投影设备将拍摄参考画面投影在背景天幕上，以共使用者在拍摄时进行参考。

在拍摄活动中，拍摄辅助模块周期性接收到来自非手持部分信息记录装置的信息，并对各个超声波发射器与接收器的距离信息进行解算，将被拍摄对象相对于虚拟三维场景的粗略位置关系计算出来，并以二维俯视图的形式在计算机屏幕上显示，共使用者参考，以最大限度避免拍摄中的穿帮出现。在摄影设备拍摄的瞬间，连接在所述计算机上的无线电信号接收器接收到所述手持部分的同步信息的无线电信息，此时计算机会同时停止投影设备对背景天幕的投影，以保证摄影设备所拍摄下来的画面是只含有被拍摄对象和背景天幕的原始图像，方便后期的合成调整。摄影设备所拍摄下来的画面中只含有被拍摄对象和背景天幕，这个过程可以在三维场景的虚拟场景的位置基本点与现实三维空间中位置的基本点固定对应以后再去拍摄。

所述摄影设备在拍摄之前，需要将三维场景库的虚拟场景的位置基本点和基本方向与现实三维空间中位置的基本点和基本方向固定对应，然后做一次拍摄，作为三维拍摄的原始图像，将所述信息采集及实时同步模块在此次拍摄中所记录下的位置关系信息作为标准位置关系信息，提供给信息综合模块作为参考。此时摄影设备所处的位置和方向是固定且已知的，所以此时所述定位模块和所述摄影设备的和方向位置关系是可知的，且此种关系在拍摄过程中保持不变。

所述三维场景库的虚拟场景的位置基本点与现实三维空间中位置的基本点对应的方法和结构如下：

现实的三维空间包括X,Y,Z三个面，这三个面符合以下条件：

首先、X和Y两个面的相对位置和角度是已知，并且固定不变的，并且这两个面对非手持模块的每个超声波接收器的相对位置和角度也是已知，并且固定不变的。

其次、Z面是一个可承重且稳定的平台，可以手动移动和旋转，并且在Z面上有一个大小固定且与手持部分大小一致形状相同的凹槽，如图7所示。

第三、当摄影设备的镜头垂直于Y面，并且摄影设备上焦平面标记（标记摄影设备感光器件位置深度的标记，一般标记在摄影设备的一侧）到Y面的距离与X面上平行于Y面的直线a到Y面的距离相等时，则此时摄影设备感光元件所在的位置，称之为“***的基本点位置”，镜头所正对的方向为“***的基本方向”。三维场景库的每个场景中均存在一个位置已知的“虚拟基本点”和一个“虚拟基本方向”，对应现实三维空间中位置已知的“***基本点”位置和方向已知的“***基本方向”。

第四、拍摄前，先将安装好拍摄信息采集及实时同步模块手持部分的拍摄设备固定在Z面的凹槽中，然后手动移动和旋转Z平台，并通过取景器观察，最终将摄影设备调整到“***的基本点位置”，并且镜头面向“***的基本方向”。在此位置和方向下，所述摄影设备进行一次拍摄，则非手持部分的信息记录装置会采集并存储一次各个超声波发射器和接收器之间的距离关系，作为之后拍摄工作中计算各个超声波发射器和接收器之间距离的标准。这些步骤完成后，可以开始使用已选定的虚拟场景进行拍摄工作。

所述信息综合模块，提取拍摄信息采集及实时同步模块的非手持部分所记录的摄影设备拍摄信息，以及各个超声波接收器和发射器之间的距离信息，并通过这些距离信息计算获得摄影设备和被拍摄对象在拍摄进行时所处的空间位置和角度。

得出摄影设备相对于虚拟场景中的位置和空间方向后，信息综合模块将摄影设备位置方向信息和摄影设备拍摄信息进行综合，得出建立一个虚拟摄像机所需要的全部属性。通过对对象追踪模块的信息提取，可以计算得每次拍摄时被拍摄对象对应的虚拟空间位置信息。

所述场景渲染模块，可以通过信息综合模块提取到场景选择信息，从三维场景库中提取拍摄时所使用的虚拟场景到场景渲染模块中；提取信息综合模块计算所得的虚拟摄像机属性，并依照此属性在场景渲染模块中建立一台虚拟摄像机，提取信息综合模块计算所得的被拍摄对象虚拟空间位置信息。

所述场景渲染模块可以渲染出与现实拍摄参数和环境完全匹配的虚拟场景图像；所得出的虚拟场景图像将会参照画面中元素与被拍摄对象的位置关系分为若干图层，包括前景部分和背景部分，如图8所示。通过所述场景渲染模块得到一个包含有若干图层，且与现实拍摄参数和环境完全匹配的场景图像。

所述图像合成模块，提取场景渲染模块渲染所得的虚拟场景图像，提取摄影设备中拍摄所得的原始图像，并对二者进行合成处理，如图9所示。所述图像合成模块对原始图像进行处理，去除原图像中不需要的部分，例如拍摄时记录下的蓝屏和绿屏，然后将此图像置于渲染所得图像的前景部分和背景部分之间，生成一张包含多个图层的图像。所述图像合成模块可以对图像中不合理的内容进行修正，执行校色等操作，从而生成可以被用户接受的完整图像。

本发明提供的基于三维场景库的合成摄影***，投影设备可将虚拟三维场景的效果示意图投射到背景天幕，并且在拍摄的瞬间，投影设备不对背景天幕进行投影；可以随意调换三维场景，这些三维场景可以供给摄影工作人员自由选择和用于拍摄创作；可将渲染出的虚拟三维场景图像和拍摄所得的原始图像合成为一个完整的图像。本发明的合成摄影***成本低廉，效果真实可信，不受自然条件影响，能够为摄影行业工作人员提供充足选择空间和创作空间，可以广泛应用在摄影行业中。

应当理解的是，上述针对本发明较佳实施例的表述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.基于计算机虚拟三维场景库的合成摄影***，包括摄影设备，其特征在于，还包括：三维场景库、拍摄信息采集及实时同步模块、拍摄辅助模块、信息综合模块、场景渲染模块和图像合成模块；

所述摄影设备包括拍摄时将数据同其它数码设备同步和交互的同步接口；

所述三维场景库包含多个虚拟三维场景，虚拟三维场景所使用的计量单位和外形比例与现实世界中一致；

所述拍摄信息采集及实时同步模块，包括设置在所述摄影设备上的手持部分、设置在拍摄对象上的对象追踪模块、还包括非手持部分；

所述拍摄辅助模块包括计算机、投影设备和背景天幕；

三维场景的虚拟场景的位置基本点与现实三维空间中位置的基本点固定对应，且三维场景的虚拟场景的虚拟基本方向与现实三维空间中的***基本方向相同；所述投影设备可将虚拟三维场景的效果示意图投射到背景天幕，并且在拍摄的瞬间，投影设备不对背景天幕进行投影；之后摄影设备拍摄只含有被拍摄对象和背景天幕的画面的原始图像；所述拍摄信息采集及实时同步模块采集摄影设备的空间位置方向信息和摄影设备参数信息，所述信息综合模块将摄影设备位置方向信息和摄影设备拍摄信息进行综合，得虚拟空间位置信息；所述场景渲染模块，通过提取信息综合模块计算所得虚拟空间位置信息渲染出与现实拍摄参数和环境完全匹配的虚拟场景图形；所述图像合成模块，提取场景渲染模块渲染所得的虚拟场景图像，提取摄影设备中拍摄所得的原始图像，并对二者进行合成处理生成一张合成图像。

2.根据权利要求1所述的合成摄影***，其特征在于，所述手持部分包括设置在所述摄影设备顶端的机顶模块，和设置在所述摄影设备底端的定位模块。

3.根据权利要求2所述的合成摄影***，其特征在于，所述机顶模块包括无线电信号发射器、同步信息接收模块、摄影设备拍摄数据提取接口，所述机顶模块的摄影设备拍摄数据提取接口和摄影设备的同步接口连接；

在所述摄影设备拍摄的瞬间，所述机顶模块的同步信息接收模块通过自身的摄影设备拍摄数据提取接口接收到摄影设备的同步信息；所述无线电信号发射器通过固定频段的无线电信息，将所述同步信息接收模块中的同步信息发送出去，所述同步信息包括摄影设备的拍摄参数；所述同步信息接收模块没有接收到同步信息时，所述无线电信号发射器通过另外一固定频段的无线电信息将空白信息发送出去。

4.根据权利要求3所述的合成摄影***，其特征在于，所述定位模块包括无线电信号接收器和和三个以上超声波发射器；所述无线电信号接收器用于接收所述机顶模块无线电信号发射器发射出的无线电信息；所述超声波发射器的位置不在一条直线上，且每个超声波发射器在定位模块中的位置是固定不变的；所述无线电信号接收器接收到来自机顶模块的无线电信息时，每个超声波发射器会立即发射固定频段的超声波。

5.根据权利要求4所述的合成摄影***，其特征在于，所述对象追踪模块包括无线电信号接收器和三个以上超声波发射器，所述多个超声波发射器的位置不在一条直线上，且每个超声波发射器在对象追踪模块中的位置是固定不变的；所述无线电信号接收器接收到来自机顶模块的无线电信息时，每个超声波发射器会立即发出固定频段的超声波。

6.根据权利要求5所述的合成摄影***，其特征在于，所述非手持部分包括无线电信号接收器、信息记录装置和三个以上超声波接收器，各超声波接收器的位置不在一条直线上；所述超声波接收器的实际物理位置对应虚拟三维场景中已知且固定不变的虚拟三维坐标位置，所述超声波接收器与现实三维空间中基本点的相对位置不可改变；所述信息记录装置通过接收到无线电信息和接收到超声波信号的时间差计算出与超声波发射器的空间距离。

7.根据权利要求6所述的合成摄影***，其特征在于，所述拍摄辅助模块还包括计算机连接的无线电信号接收器，所述无线电信号接收器用于接收手持部份的信息记录装置中机顶模块发射出的无线电信息，并将接收到的无线电信息发送至所述计算机。

8.根据权利要求7所述的合成摄影***，其特征在于，所述场景渲染模块的虚拟场景图像为若干图层，包括前景部分和背景部分。

9.根据权利要求8所述的合成摄影***，其特征在于，所述图像合成模块对原始图像进行处理，去除原图像中不需要的部分，然后将此图像置于场景渲染模块所得虚拟场景图像的前景部分和背景部分之间，生成一张包含多个图层的图像。

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