[发明专利]一种模拟真实场景的三维模型投影方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及电视节目制作的技术领域，特别是涉及一种模拟真实场景的三维模型投影方法及一种模拟真实场景的三维模型投影装置。

背景技术

虚拟演播室是近年发展起来的一种独特的电视节目制作技术。它的实质是将计算机制作的虚拟三维模型与摄像机现场拍摄的物体活动图像进行数字化的实时合成，使物体图像与虚拟背景能够同步变化，从而实现两者的融合，以获得完美的合成画面。虚拟演播室技术是在传统色键抠像技术的基础上，充分利用了计算机三维图形技术和视频合成技术，根据摄像机的位置与参数，使三维虚拟场景的透视关系与前景保持一致，经过色键合成后，使得前景中的图像看起来完全处于计算机所产生的三维虚拟场景中，而且能在其中运动，从而创造出逼真的、立体感很强的电视演播室效果。

相应地，在虚拟演播室系统中，我们需要把虚拟的三维模型按照当前摄像机的姿态投影到二维图像中去，从而实现虚实的结合。对于摄像机的姿态，一般都是基于机器视觉中针孔模型的透视投影成像原理确定，公知的是，它具有把直线映射成直线的特点。

然而，实际上真实的镜头并非理想的针孔模型，往往还带有微小的畸变，如图1所示，真实的镜头往往会把现实场景中的直线投影成图像上的一条带弧度的曲线。此时，若直接把虚拟的三维模型投影到图像上去，直线仍是直线，就会显得跟图像中的场景不协调，缺少真实感。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种模拟真实场景的三维模型投影方法，以使三维模型与图像中的真实场景相匹配，实现更真实、自然的虚实结合。

为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了一种模拟真实场景的三维模型投影方法，包括：

将三维模型在世界坐标系中的坐标点变换为摄像机坐标系中的坐标点；

对所述变换的坐标点进行归一化，获得归一化的图像坐标(x，y)；

根据所述归一化的图像坐标(x，y)计算畸变后的归一化图像坐标

将所述畸变后的归一化图像坐标投影到像平面上，获得畸变后的图像坐标

将三维模型经过投影所述畸变后的图像坐标后，叠加到真实的二维图像中。

优选的，所述畸变后的归一化图像坐标通过以下公式计算获得；

其中，r²＝x²+y²，k₁和k₂为采用张正友摄像机标定方法获得的径向畸变系数。

优选的，所述畸变后的图像坐标通过以下矩阵投影获得：

其中，所述f_x、f_y为焦距参数，u₀、v₀为摄像机光心在像平面的像素坐标，所述f_x、f_y、u₀、v₀均采用张正友摄像机标定方法获得。

优选的，采用逐点遍历的方法将三维模型在世界坐标系中的坐标点变换为摄像机坐标系中的坐标点。

优选的，所述三维模型为几何图形的三维模型。

本发明实施例还公开了一种模拟真实场景的三维模型投影装置，包括：

坐标系变换单元，用于将三维模型在世界坐标系中的坐标点变换为摄像机坐标系中的坐标点；

坐标归一化处理单元，用于对所述变换的坐标点进行归一化，获得归一化的图像坐标(x，y)；

畸变坐标预计算单元，用于根据所述归一化的图像坐标(x，y)计算畸变后的归一化图像坐标

畸变坐标投影单元，用于将所述畸变后的归一化图像坐标投影到像平面上，获得畸变后的图像坐标

虚实叠加单元，用于将三维模型经过投影所述畸变后的图像坐标后，叠加到真实的二维图像中。

优选的，所述畸变坐标预计算单元包括公式调用子单元，用于调用以下公式计算畸变后的归一化图像坐标

其中，r²＝x²+y²，k₁和k₂为采用张正友摄像机标定方法获得的径向畸变系数。

优选的，所述畸变坐标投影单元包括矩阵调用子单元，用于调用以下矩阵获得畸变后的图像坐标