通过对比以往虚拟演播室所采用的摄像机跟踪与定位方式优缺点,选取了目前市场广泛采用的基于机电跟踪的摄像机跟踪与定位方式,在此基础上研究并设计了一系列摄像机跟踪与定位产品,包括基于固定三脚架式摄像机跟踪与定位产品、基于固定底座的摇臂式摄像机跟踪与定位产品、基于轨道升降式摄像机跟踪与定位产品等三种产品,为虚拟拍摄提供了硬件设备。分析了光电编码器在机电跟踪中的作用及其应用难点,总结了虚拟演播室中摄像机拍摄的几种方式及每种拍摄方式的自由度,明确了虚拟演播室中摄像机位姿描述方式,对摄像机跟踪与定位算法的运动学理论进行了研究。设计并改进了镜头跟踪结构、云台跟踪结构,并对摄像机镜头跟踪系统进行校准和试验,完成了摇臂跟踪系统的结构设计和数据采集与通讯系统设计,对摇臂式摄像机跟踪与定位算法进行了分析,实现了摇臂摄像机的跟踪与定位,在此基础上研究了摇臂式摄像的特殊形式:固定三角架式摄像。使用Pro/E建立了直轨摄像机器人三维模型,对直轨摄像机器人跟踪与定位算法进行了分析,并进一步推导了其雅克比矩阵和动力学方程,最后完成了控制系统设计和软件设计。