CN102117075A

CN102117075A - 悬索牵引摄影摄像机机位的控制方法

Info

Publication number: CN102117075A
Application number: CN 201110031363
Authority: CN
Inventors: 仇原鹰; 赵泽; 段宝岩; 陈光达; 米建伟; 段学超; 杜敬利; 保宏; 崔传贞
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2031-01-28
Also published as: CN102117075B

Abstract

本发明涉及一种摄影摄像机机位控制技术，特别是悬索牵引摄影摄像机机位的控制方法，其特征是：包括支撑塔和牵引索构成的悬索架，牵引索一端与摄影摄像云台连接，另一端经过支撑塔分别连接传动单元，传动单元再与计算机控制单元电连接，计算机控制单元与模拟摄影摄像机构电连接，计算机控制单元通过检测模拟摄影摄像机构的状态传感检测单元获取模拟摄影摄像机构的摄像师控制手柄的空间运动参数，然后控制传动单元使摄影摄像云台上固定的摄影摄像机在空间支撑塔构成的悬索架空间内三维移动，使摄影摄像机与摄像师控制手柄运行同步。它既可进行固定机位拍摄，也可动态拍摄和跟踪式拍摄。

Description

悬索牵引摄影摄像机机位的控制方法

技术领域

本发明涉及一种摄影摄像机机位控制技术，特别是悬索牵引摄影摄像机机位的控制方法，它适应于电视现场直播、电影棚、大型舞台演出场地、大型的露天歌舞晚会、庆典活动、大型体育运动会如足球、赛马比赛摄像等等。

背景技术

在电视现场直播、电影棚、大型舞台演出场地、大型的露天歌舞晚会、庆典活动、大型体育运动会如足球、赛马比赛等等的摄像中，现有的摄影摄像机机位主要是由固定机位、肩扛移动、跟踪式、轨道移动方式、航拍、摇臂等方法实现的。

固定机位适合于中近景画面拍摄，典型应用如照相馆拍照、会议直播等。这种方式摄影摄像机位的控制设备简单，但拍摄到的画面单一，缺乏动感。

肩扛移动式摄影摄像可以拍摄到动态画面，但画面叠加了摄像师移动时的抖动，使画面平稳性较差，多用于会议、现场采访报道。电影电视艺术片中很少用到这种方式。

跟踪式是将摄影摄像机固定在汽车、摩托车、甚至是飞机上，跟随运动目标，连续动态地拍摄。如方程式赛车中固定在赛车上的摄像。这种方式的拍摄由于难以由摄像师直接掌控，画面难以满足随心所欲的要求。

轨道移动方式是将摄影摄像机安装在可在轨道上移动的小车上进行拍摄的。边移动边拍摄，画面随拍摄对象动态变化，连续流畅，生动，电影棚里应用很多。但固定的轨道轨迹限定了拍摄。因而，多用于电视剧、电影等可预知画面的拍摄。在体育赛事尤其是足球等拍摄目标不确定的拍摄中，这种拍摄方式难有用武之地。并且这种拍摄方式的画面基本是在同一水平高度上，一些俯视的、像老鹰一般所看到的动态画面根本无法实现拍摄。

用航空拍摄的方式，可以得到鹰眼一般的画面效果，诸如对山川地貌鹰眼一般的高空扫视。但是，对于中等大小的场地，由于场地空间限制，飞机掠过的时间极为有限。这样，镜头时间很短；拍摄的代价也比较大，而且，摄影摄像机也难以固定在一个位置进行拍摄。

摇臂可以补充航拍的不足，它可以一直在拍摄场地上下、左右、前后运动，拍出的画面富有动感。然而，摇臂的臂长限制了摄影摄像机的活动范围，一般也就在半径50m—10m的球形范围内。

在中等场地，如水平范围在50m×50m—250m×250m左右、高度小于30m，诸如大型的露天歌舞晚会、庆典活动、大型会议以及大型运动会如足球比赛等，往往要将上述几种拍摄方式组合起来，为观众提供种种不同角度、不同运动形态的画面，使电视电影的画面更精彩。

发明内容

本发明的目的是提供一种水平范围50m×50m—250m×250m，高度小于30m，既可进行固定机位拍摄，也可动态拍摄和跟踪式（运动范围内）的拍摄的悬索牵引摄影摄像机机位的控制方法。

本发明的目的是这样实现的，悬索牵引摄影摄像机机位的控制方法，其特征是：包括支撑塔和牵引索构成的悬索架，牵引索一端与摄影摄像云台连接，另一端经过支撑塔分别连接传动单元，传动单元再与计算机控制单元电连接，计算机控制单元与模拟摄影摄像机构电连接，计算机控制单元通过检测模拟摄影摄像机构的状态传感检测单元获取模拟摄影摄像机构的摄像师控制手柄的空间运动参数，然后控制传动单元使摄影摄像云台上固定的摄影摄像机在空间支撑塔构成的悬索架空间内三维移动，使摄影摄像机与摄像师控制手柄运行同步。

所述的构成悬索架的支撑塔由三个构成时，每个支撑塔上有一个滑轮组件，三根牵引索一端通过滑轮组件与摄影摄像云台连接，另一端与缠绕机构连接，缠绕机构由电机驱动，电机依据计算机控制单元给出参数进行转动，控制摄影摄像云台的空间位置。

所述的控制摄影摄像云台的空间位置将依据下面算法进行：

在悬索架空间建立空间直角坐标系

，在这个坐标系中，各牵引索在支撑塔顶的滑轮组件的出索点的空间坐标为

，其中；牵引索连接的摄影摄像云台3的空间坐标为

；

与

点之间的距离为

，

；

则：

或，

；

按照期望的摄影摄像云台位置

，由上式可解算出牵引索的长度

，将此长度作为电机转动执行量，最终成为摄影摄像云台的轨迹。

所述的构成悬索架的支撑塔由四个构成时，每个支撑塔上有一个滑轮组件，四根牵引索一端通过滑轮组件与摄影摄像云台连接，另一端与缠绕机构连接，缠绕机构由电机驱动，电机依据计算机控制单元给出参数进行转动，控制摄影摄像云台的空间位置。

所述的悬索架由四个支撑塔构成时，控制摄影摄像云台的空间位置将依据下面算法进行：

在悬索架空间建立空间直角坐标系，在这个坐标系中，设各牵引索在支撑塔顶的滑轮组件的出索点的空间坐标为，其中

；牵引索连接的摄影摄像云台的空间坐标为

；

与

点之间的距离为

，

；

则五点之间的几何关系：

或

，

；

输入给出摄影摄像云台的空间位置

，由上式可以解算出四根牵引索的长度

，通过控制在四个支撑塔上固定的四台电机转动方向和转动量，使四根牵引索达到上述算法解出的长度，摄影摄像云台按照计算机控制的轨迹、速度以及加速度，由牵引索的长度变化最终形成摄像云台要求速度下的轨迹。

所述的摄影摄像云台至少包括：摄影摄像机、俯仰旋转关节、水平旋转关节、AB轴机构、铅垂主轴、垂直稳定陀螺，摄影摄像机通过俯仰旋转关节和水平旋转关节与铅垂主轴连接，AB轴机构在与铅垂主轴连接，铅垂主轴上有垂直稳定陀螺，牵引索与AB轴机构连接，牵引索在对AB轴机构作用使其在三维移动时，垂直稳定陀螺使铅垂主轴保持垂直状态，同时铅垂主轴通过俯仰旋转关节和水平旋转关节使摄影摄像机保持稳定。

所述的模拟摄影摄像机构包括：安装于机架上的摄像师控制手柄、X方向的移动导轨、Y方向的移动导轨、Z方向的移动导轨、状态传感检测单元、X方向上的阻尼器、Y方向上的阻尼器、Z方向上的阻尼器，摄像师控制手柄在X方向的移动导轨、Y方向的移动导轨、Z方向的移动导轨所形成的空间内移动，摄像师控制手柄移动时受到X方向上的阻尼器、Y方向上的阻尼器、Z方向上的阻尼器的阻尼作用，摄像师控制手柄由摄像师操控。

所述的状态传感检测单元包括：X方向的光栅尺、Y方向的光栅尺、Z方向的光栅尺、X方向上的限位开关组、Y方向上的限位开关组、Z方向上的限位开关组，通过X方向的光栅尺、Y方向的光栅尺、Z方向的光栅尺分别反映出摄像师控制手柄在缩比的三维空间的位置、速度、加速度信息；所述的X方向上的限位开关组、Y方向上的限位开关组、Z方向上的限位开关组限定了摄像师控制手柄的运动范围。

所述的通过X方向的光栅尺、Y方向的光栅尺、Z方向的光栅尺分别反映的摄像师控制手柄在缩比的三维空间的位置、速度、加速度信息是送到计算机控制单元，由计算机控制单元发送到控制传动单元，再由控制传动单元控制摄影摄像云台的运动。

所述的摄像师控制手柄由摄像师操作，摄影摄像云台内安装水平旋转与俯仰旋转传感器，水平旋转与俯仰旋转传感器经处理电路信号处理，将水平旋转与俯仰旋转的参数信息无线发送给摄影摄像云台，由摄影摄像云台完成与模拟摄影摄像机构相同的水平旋转与俯仰旋转，将小范围三维运动的信息数字化，使摄像机的画面达到遥控操作。

本发明的特点是：本发明由三到四根牵引索控制摄影摄像机在上述中等场地的空间范围内运动，通过运动轨迹与速度的变化以及摄影摄像机的俯仰、旋转与变焦，这种机位控制方式可以获得富有动感的拍摄效果，实现以下的功能：

1．可以实现稳定的固定机位拍摄；

2．可以实现动态拍摄；

3．一台摄影摄像机既可拍摄动态画面也可拍摄静态画面，实现动态画面与静态画面的结合；

4．可以实现运动范围内的跟踪式拍摄；

5．可以实现传统轨道移动方式拍摄，但又不局限于传统的轨道拍摄，具有俯视仰视的鹰眼功能；

6．具有小范围的航拍功能，可以以极低速度航拍，甚至是悬停拍摄；

7．比摇臂式拍摄的运动范围大得多，运动速度也快得多（可达10m/s），可以迅速捕捉场地中的生动画面；

8．一种拍摄方式兼有多种方式的优点；

9．可以记忆多个拍摄轨迹，复现精彩的拍摄路径；

10．由于是轻便的牵引索控制，因而系统造价低，控制简便。

附图说明

下面结合实施例附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明实施结构示意图；

图2是实施例1的结构示意图；

图3是实施例2的结构示意图；

图4是摄影摄像云台结构示意图；

图5是模拟摄影摄像机构结构示意图。

图中：1、支撑塔；2、牵引索；3、摄影摄像云台；4、模拟摄影摄像机构；5、传动单元；6、控制单元；7、状态传感检测单元；8、计算机控制单元；9、滑轮组件；10、缠绕机构；11、电机；12、摄影摄像机；13、俯仰旋转关节；14、水平旋转关节；15、AB轴机构；16、铅垂主轴；17、机架； 18、垂直稳定陀螺；19、摄像师控制手柄；20、X方向的移动导轨；21、Y方向的移动导轨；22、Z方向的移动导轨；23、X方向的光栅尺；24、Y方向的光栅尺；25、Z方向的光栅尺；26、X方向上的限位开关组；27、Y方向上的限位开关组；28、Z方向上的限位开关组；29、X方向上的阻尼器；30、Y方向上的阻尼器；31、Z方向上的阻尼器。

具体实施方式

如图1所示，包括空间分布支撑塔1，三或四个支撑塔1构成悬索架、牵引索2一端与摄影摄像云台3连接，牵引索2另一端经过支撑塔1连接传动单元5，牵引索2是钢丝绳或其它柔性绳，传动单元5至少包括控制牵引索2伸缩移动的滑轮组件9、缠绕机构10和电机11，使摄影摄像云台3可在悬索架的空间内三维移动。

摄影摄像云台3上安装有摄影摄像机12，传动单元5通过控制单元6与计算机控制单元8电连接，计算机控制单元8与模拟摄影摄像机构4电连接，计算机控制单元8通过检测模拟摄影摄像机构4的状态传感检测单元7，获取模拟摄影摄像机构4的摄像师控制手柄19空间运动参数，然后通过控制单元6控制传动单元5使摄影摄像云台3上连接的摄影摄像机12在空间支撑塔1构成的三维悬索架空间内运动，摄影摄像机12与摄像师控制手柄19同步运行。

如图2所示，由三个支撑塔1形成空间悬索架，三个支撑塔1上各有一个滑轮组件9，三根牵引索2一端通过滑轮组件9与摄影摄像云台3连接，三根牵引索2另一端分别与一个缠绕机构10连接，缠绕机构10由电机11驱动，电机11依据计算机控制单元8给出参数进行转动，控制摄影摄像云台的空间位置。

空间悬索架是三个支撑塔1时，控制摄影摄像云台3的空间位置将依据下面算法进行：

在悬索架空间建立空间直角坐标系

，在这个坐标系中，各牵引索2在支撑塔1顶滑轮组件的出索点的空间坐标为

，其中；牵引索2连接的摄影摄像云台3的空间坐标为

；

与

点之间的距离为

，

。

则：

或，

。

按照期望的摄像云台3位置

，可解算出牵引索2的长度，将此长度作为电机转动执行量，最终成为摄影摄像云台3的轨迹。

如图3所示，由四个支撑塔1形成空间悬索架，四个支撑塔上各有一个滑轮组件9，四根牵引索2一端通过滑轮组件9与摄影摄像云台3连接，四根牵引索2另一端分别与一个缠绕机构10连接，缠绕机构10由电机11控制，电机11依据计算机控制单元8给出参数进行转动，控制摄影摄像云台的空间位置。

在四个支撑塔空间建立空间直角坐标系

，在这个坐标系中，设各牵引索的在塔顶滑轮组件的出索点的空间坐标为

，其中

；牵引索连接的摄影摄像云台的空间坐标为

；摄影摄像云台与各根牵引索在支撑塔1的塔顶出索点之间的距离为

，；

则五点之间的几何关系：

或

，

。

按照期望的摄影摄像云台的空间位置，可以解算出各牵引索的长度

，通过控制四台电机转动方向和转动量使四根牵引索达到上述算法解出的长度，摄影摄像云台3按照计算机控制的轨迹、速度以及加速度，由牵引索的长度变化最终形成摄影摄像云台在要求速度下的轨迹。

如图4所示，给出摄影摄像云台3的结构示意图，它至少包括：摄影摄像机12、俯仰旋转关节13、水平旋转关节14、AB轴机构15、铅垂主轴16、垂直稳定陀螺18。摄影摄像机12通过俯仰旋转关节13和水平旋转关节14与铅垂主轴16连接，AB轴机构15与主轴16连接，主轴16上有垂直稳定陀螺18，牵引索2与AB轴机构15连接，牵引索2通过AB轴机构15使摄影摄像机12三维移动，垂直稳定陀螺18使铅垂主轴16保持垂直状态，俯仰旋转关节13和水平旋转关节14使摄影摄像机12可以俯仰旋转和水平旋转绕。

如图5所示，所述的模拟摄影摄像机构4包括：安装于机架17上的摄像师控制手柄19、X方向的移动导轨20、Y方向的移动导轨21、Z方向的移动导轨22、状态传感检测单元7，X方向上的阻尼器29、Y方向上的阻尼器30、Z方向上的阻尼器31，摄像师控制手柄19沿X方向的移动导轨20、Y方向的移动导轨21、Z方向的移动导轨22形成的三维移动体内自由移动，摄像师控制手柄19移动时X方向上的阻尼器29、Y方向上的阻尼器30、Z方向上的阻尼器31阻尼限制，摄像师控制手柄19由摄像师操控。状态传感检测单元7包括：X方向的光栅尺23、Y方向的光栅尺24、Z方向的光栅尺25、X方向上的限位开关组26、Y方向上的限位开关组27、Z方向上的限位开关组28，用于检测摄像师控制手柄19在缩比的三维空间的运动位置、运动速度、加速度以及限位信息。

摄像师的操作通过这个机构变换为摄影摄像云台在悬索架空间的三维按比例运动。在X方向的移动导轨20、Y方向的移动导轨21、Z方向的移动导轨22上分别有X方向的光栅尺23、Y方向的光栅尺24、Z方向的光栅尺25和X方向上的限位开关组26、Y方向上的限位开关组27、Z方向上的限位开关组28，通过X方向的光栅尺23、Y方向的光栅尺24、Z方向的光栅尺25分别反映出摄像师控制手柄19在缩比的三维空间的运动位置、运动速度和加速度信息；X方向上的限位开关组26、Y方向上的限位开关组27、Z方向上的限位开关组28则使摄像师控制手柄19的运动范围限定于安全可控的范围内，通过X方向的光栅尺23、Y方向的光栅尺24、Z方向的光栅尺25分别反映的摄像师控制手柄19在缩比的三维空间的运动，摄像师控制手柄19的位置、运动速度和加速度信息通过状态传感检测单元7检测，由计算机控制单元8采集，由计算机控制单元8发送到控制单元6，控制单元6控制电机11运动，进而使牵引索2长度变化，达到使摄影摄像云台3位置变化的目的。

Claims

1.悬索牵引摄影摄像机机位的控制方法，其特征是：包括支撑塔（1）和牵引索（2）构成的悬索架，牵引索（2）一端与摄影摄像云台（3）连接，另一端经过支撑塔（1）分别连接传动单元（5），传动单元（5）再与计算机控制单元（8）电连接，计算机控制单元（8）与模拟摄影摄像机构（4）电连接，计算机控制单元（8）通过检测模拟摄影摄像机构（4）的状态传感检测单元（7）获取模拟摄影摄像机构（4）的摄像师控制手柄（19）的空间运动参数，然后控制传动单元（5）使摄影摄像云台（3）上固定的摄影摄像机在空间支撑塔（1）构成的悬索架空间内三维移动，使摄影摄像机（12）与摄像师控制手柄（19）运行同步。

2.根据权利要求1所述的悬索牵引摄影摄像机机位的控制方法，其特征是：所述的构成悬索架的支撑塔（1）由三个构成时，每个支撑塔上有一个滑轮组件（9），三根牵引索（2）一端通过滑轮组件（9）与摄影摄像云台（3）连接，另一端与缠绕机构（10）连接，缠绕机构（10）由电机（11）驱动，电机（11）依据计算机控制单元（8）给出参数进行转动，控制摄影摄像云台的空间位置。

3.根据权利要求2所述的悬索牵引摄影摄像机机位的控制方法，其特征是：所述的控制摄影摄像云台（3）的空间位置将依据下面算法进行：

在悬索架空间建立空间直角坐标系

Figure 2011100313638100001DEST_PATH_IMAGE002

，在这个坐标系中，各牵引索（2）在支撑塔（1）顶的滑轮组件的出索点的空间坐标为

Figure 2011100313638100001DEST_PATH_IMAGE004

，其中

Figure 2011100313638100001DEST_PATH_IMAGE006

；牵引索（2）连接的摄影摄像云台（3）的空间坐标为

Figure 2011100313638100001DEST_PATH_IMAGE008

；与

点之间的距离为

，

；

则：

或，

；

按照期望的摄影摄像云台（3）位置

，由上式可解算出牵引索（2）的长度

，将此长度作为电机转动执行量，最终成为摄影摄像云台（3）的轨迹。

4.根据权利要求1所述的悬索牵引摄影摄像机机位的控制方法法，其特征是：所述的构成悬索架的支撑塔（1）由四个构成时，每个支撑塔上有一个滑轮组件（9），四根牵引索（2）一端通过滑轮组件（9）与摄影摄像云台（3）连接，另一端与缠绕机构（10）连接，缠绕机构（10）由电机（11）驱动，电机（11）依据计算机控制单元（8）给出参数进行转动，控制摄影摄像云台（3）的空间位置。

5.根据权利要求4所述的悬索牵引摄影摄像机机位的控制方法，其特征是：所述的悬索架由四个支撑塔构成时，控制摄影摄像云台的空间位置将依据下面算法进行：

在悬索架空间建立空间直角坐标系

，在这个坐标系中，设各牵引索在支撑塔（1）顶的滑轮组件的出索点的空间坐标为

，其中

；牵引索（2）连接的摄影摄像云台（3）的空间坐标为

；

与

点之间的距离为

，

；

则五点之间的几何关系：

或

，

；

输入给出摄影摄像云台的空间位置

，由上式可以解算出四根牵引索的长度

6.根据权利要求1所述的悬索牵引摄影摄像机机位的控制方法，其特征是：所述的摄影摄像云台（3）至少包括：摄影摄像机（12）、俯仰旋转关节（13）、水平旋转关节（14）、AB轴机构（15）、铅垂主轴（16）、垂直稳定陀螺（18）；摄影摄像机（12）通过俯仰旋转关节（13）和水平旋转关节（14）与铅垂主轴（16）连接，AB轴机构（15）在与铅垂主轴（16）连接，铅垂主轴（16）上有垂直稳定陀螺（18），牵引索（2）与AB轴机构（15）连接，牵引索（2）在对AB轴机构（15）作用使其在三维移动时，垂直稳定陀螺（18）使铅垂主轴（16）保持垂直状态，同时铅垂主轴（16）通过俯仰旋转关节（13）和水平旋转关节（14）使摄影摄像机（12）保持稳定。

7.根据权利要求1所述的悬索牵引摄影摄像机机位的控制方法，其特征是：所述的模拟摄影摄像机构(4)包括：安装于机架(17)上的摄像师控制手柄(19)、X方向的移动导轨(20)、Y方向的移动导轨(21)、Z方向的移动导轨(22)、状态传感检测单元(7)、X方向上的阻尼器(29)、Y方向上的阻尼器（30）、Z方向上的阻尼器（31），摄像师控制手柄（19）在X方向的移动导轨（20）、Y方向的移动导轨（21）、Z方向的移动导轨（22）所形成的空间内移动，摄像师控制手柄（19）移动时受到X方向上的阻尼器（29）、Y方向上的阻尼器（30）、Z方向上的阻尼器（31）的阻尼作用，摄像师控制手柄（19）由摄像师操控。

8.根据权利要求7所述的悬索牵引摄影摄像机机位的控制方法，其特征是：所述的状态传感检测单元（7）包括：X方向的光栅尺（23）、Y方向的光栅尺（24）、Z方向的光栅尺（25）、X方向上的限位开关组（26）、Y方向上的限位开关组（27）、Z方向上的限位开关组（28），通过X方向的光栅尺（23）、Y方向的光栅尺（24）、Z方向的光栅尺（25）分别反映出摄像师控制手柄（19）在缩比的三维空间的位置、速度、加速度信息；所述的X方向上的限位开关组（26）、Y方向上的限位开关组（27）、Z方向上的限位开关组（28）限定了摄像师控制手柄（19）的运动范围。

9.根据权利要求8所述的悬索牵引摄影摄像机机位的控制方法，其特征是：所述的通过X方向的光栅尺（23）、Y方向的光栅尺（24）、Z方向的光栅尺（25）分别反映的摄像师控制手柄（19）在缩比的三维空间的位置、速度、加速度信息是送到计算机控制单元（8），由计算机控制单元（8）发送到控制传动单元（5），再由控制传动单元（5）控制摄影摄像云台（3）的运动。

10.根据权利要求1所述的悬索牵引摄影摄像机机位的控制方法，其特征是：所述的摄像师控制手柄（19）由摄像师操作，摄影摄像云台（3）内安装水平旋转与俯仰旋转传感器，水平旋转与俯仰旋转传感器经处理电路信号处理，将水平旋转与俯仰旋转的参数信息无线发送给摄影摄像云台（3），由摄影摄像云台（3）完成与模拟摄影摄像机构（4）相同的水平旋转与俯仰旋转，将小范围三维运动的信息数字化，使摄像机的画面达到遥控操作。