CN103295235B - 柔索牵引摄像机位置的监控方法 - Google Patents

Abstract

一种柔索牵引摄像机位置的监控方法，解决了现有技术只显示代表位移方向和大小的矢量图像导致显示不直观、控制不精确，不能显示摄像机姿态，仅提供视觉反馈或仅提供位置信息时不易操作的位置控制机的问题。本发明具体步骤包括，将摄像机的位置坐标值、移动速度、四根柔索的索长、水平运动动画、三维运动动画和姿态箭头分别在位置控制机屏幕上显示，画面处理机将摄像机拍摄的视频在画面处理机屏幕显示。观察监视位置控制机屏幕和画面处理机屏幕，通过拨动位置控制手柄和姿态控制手柄控制摄像机移动和转动。本发明具有直观地观测摄像机在工作空间中的位置和运动状态，精确地控制摄像机在工作空间中移动，直观地调节摄像机姿态的优点。

Description

柔索牵引摄像机位置的监控方法

技术领域

本发明属于机械技术领域，更进一步涉及机械运动控制领域中的一种柔索牵引摄像机位置的监控方法。本发明可实现对柔索牵引摄像机在指定工作空间内自由移动时摄像机空间位置和空间姿态的实时监控。

背景技术

在大型和中型场地，如露天歌舞晚会、庆典活动和足球比赛中，柔索牵引摄像机常常由分别固定在场地四个角落的四根立柱支撑起来，每根立柱都高达十几米甚至几十米，柔索牵引摄像机系统可以使摄像机在场地上空的不同高度内连续平稳运动追踪拍摄目标，也可以在场地上空悬停拍摄。柔索牵引摄像机系统拍摄的影像可以给观众一种俯视的、壮观的感觉。

由于柔索承重有限且摄像机的工作高度高、速度快，操作人员不便被柔索悬吊在空中控制摄像机，因此操作人员只能在地面对摄像机进行远程控制。

RichardArthurLINDSAY在其申请的专利“摄像机控制界面(CAMERACONTRALINTERFACE)”(申请号US20070868256，申请日20071005，公开号US2008084481A1)公开了一种摄像机控制界面。该专利申请说明书文件中在描述对摄像机的控制时，涉及到了一种控制方法，观测摄像机被定位在主摄像机附近或被定位在相对于该主摄像机的固定位置上，显示比主摄像机所观察的场景更大的场景部分，操作人员通过观察主摄像机和观测摄像机提供的画面确定主摄像机和被拍摄物体的相对位置，控制主摄像机拍摄物体。该专利申请存在的不足是：只显示了主摄像机和观测摄像机的场景，操作人员仅凭肉眼对主摄像机的位置进行估测，操作人员只能通过视觉反馈控制摄像机在空间中的位置，控制不精确。

GarrettW.Brown在其申请的专利“悬索牵引摄像机系统(SUSPENSIONSYSTEMFORSUPPORTINGANDCONVEYINNGEQUIPMENT，SUCHASACAMERA)”(申请号US19850760390，申请日19850730，公开号US4710819A)公开了一种悬索牵引摄像机系统，该专利申请说明书文件中在描述对摄像机的控制时，涉及到了一种控制方法，用键盘发送摄像机移动的速度矢量，计算机屏幕显示摄像机的位置坐标值，摄像机移动速度，代表位移方向和大小的矢量图像，并每隔一段时间进行刷新。该专利申请存在的不足是：代表位移方向和大小的矢量图像不能直观地显示摄像机在工作空间中的位置，显示器只显示了摄像机的位置移动状态，没有显示摄像机在工作空间的姿态，没有显示摄像机拍摄的图像，不能直观地调节摄像机的姿态和焦距。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种柔索牵引摄像机位置的监控方法。

为实现上述目的，本发明的具体思路是：位置控制手柄向位置控制机发送摄像机移动的速度矢量，位置控制机将速度矢量经过计算得出摄像机的位置坐标值、摄像机的移动速度、四根柔索的索长并在位置控制机的屏幕上显示，在位置控制机屏幕上显示摄像机的水平运动动画和三维运动动画。姿态控制手柄向位置控制机发送摄像机转动的角度值，在三维运动动画中显示姿态箭头，观察监视位置控制机的屏幕上显示的数据、动画、姿态箭头和画面处理机屏幕显示的摄像机拍摄的视频，拨动位置控制手柄和姿态控制手柄控制摄像机移动和转动，从而实现精确地、直观地监视和控制摄像机运动的目的。

本发明的具体实现步骤如下：

(1)安装摄像机并输入工作参数：

1a)将摄像机安装到四根柔索支撑立柱中任意一根立柱上的标定点位置处，将摄像机镜头中心对准摄像机安装立柱外的其余三根立柱中任意一根立柱上的标定点；

1b)将摄像机拟工作空间的长、宽、高参数输入到位置控制机中；

1c)将摄像机安装的标定点坐标值和摄像机镜头对准的标定点坐标值，分别输入到位置控制机中；

1d)将设定的索力安全值输入到位置控制机中。

(2)显示摄像机的初始状态：

2a)将位置控制机的屏幕划分为三个区域：数据显示区、水平运动动画显示区、三维运动动画显示区；数据显示区位于位置控制机屏幕右侧，水平运动动画显示区位于位置控制机屏幕左侧上方，三维运动动画显示区位于位置控制机屏幕左侧下方；

2b)按照右手螺旋法则，建立空间直角坐标系O-XYZ，将摄像机的拟工作空间位于空间直角坐标系O-XZ的第一卦限，X轴为拟工作空间的宽度方向，Y轴为拟工作空间的长度方向，Z轴为拟工作空间的高度方向；通过摄像机位置坐标值与四根柔索支撑立柱四个顶点的四个坐标值，采用空间线段长度公式分别计算四根柔索的索长，将摄像机安装的标定点坐标值和四根柔索的索长在数据显示区显示；将摄像机位置坐标值与四根柔索支撑立柱四个顶点的四个坐标值同时进行水平投影变换，采用计算机图形学中坐标转换方法转换成位置控制机屏幕可显示的二维坐标值，在位置控制机屏幕上显示二维坐标值对应的点，将表示摄像机的点分别与表示四根柔索支撑立柱四个顶点的点用线段相连，在水平运动动画显示区显示摄像机的水平运动动画的初始状态；

2c)按照右手螺旋法则，建立空间直角坐标系O′-X′Y′Z′，原点O′为摄像机镜头中心，X′轴正方向为沿摄像机镜头轴线向外的方向；Y′轴正方向为垂直于摄像机镜头轴线向右的方向，Z′轴正方向为垂直于摄像机镜头轴线向上的方向，原点O′与空间直角坐标系O-XYZ中代表摄像机的点位置重合；在空间直角坐标系O′-X′Y′Z′中，以原点O′为起点，沿X′轴正方向建立一个固定长度的箭头，代表摄像机姿态，采用计算机图形学中坐标系转换方法将转动后的姿态箭头转换到空间直角坐标系O-XYZ中；在空间直角坐标系O-XYZ中，将摄像机位置坐标值、代表四根柔索支撑立柱的四条线段与姿态箭头同时进行三维投影变换，采用计算机图形学中坐标转换方法转换成位置控制机屏幕可显示的二维坐标值，在位置控制机屏幕上显示二维坐标值对应的点、线段和姿态箭头，将表示摄像机的点分别与表示四根柔索支撑立柱四个顶点的点用线段相连，在三维运动动画显示区显示摄像机的三维运动动画和摄像机的姿态箭头的初始状态。

(3)显示摄像机拍摄的视频：

将摄像机拍摄的视频通过视频信号传输线传输到画面处理机，画面处理机将视频在画面处理机的屏幕上显示。

(4)控制摄像机的位置和姿态：

4a)观察数据显示区中的摄像机位置坐标值，当拍摄目标在工作空间内大范围移动时，通过拨动位置控制手柄使显示的位置坐标值调整为操作人员期望的拍摄位置；

4b)观察画面处理机屏幕中的拍摄目标，当拍摄目标在画面处理机屏幕内小范围移动时，通过拨动姿态控制手柄控制摄像机俯仰转动和方位转动，使画面处理机屏幕中的拍摄目标位于画面处理机屏幕的中心区域，通过拨动焦距控制手柄，使画面处理机屏幕上的图像清晰。

(5)判断索力是否安全：

5a)立柱顶端的索力传感器，向位置控制机发送由索力传感器获得的四根柔索的索力值；

5b)位置控制机判断四根柔索的索力值中的最大值是否大于步骤1d)中设定的索力安全值，若大于索力安全值，则执行步骤(6)，否则，执行步骤(7)。

(6)控制摄像机向下移动：

位置控制机发出声音报警，提示四根柔索的索力值中的最大值已经超出索力安全值，通过拨动位置控制手柄使摄像机向下移动，直到位置控制机不再发出声音报警。

(7)显示运动参数、运动动画和姿态箭头：

7a)按照下式计算摄像机的位置坐标值：

$x=x_0+t\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_x$

$y=y_0+t\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_y$

$z=z_0+t\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_z$

其中，x、y、z分别表示当前时刻空间直角坐标系O-XYZ中摄像机向X、Y、Z坐标轴的投影到坐标原点的距离；x₀、y₀、z₀分别表示初始时刻空间直角坐标系O-XYZ中摄像机向X、Y、Z坐标轴的投影到坐标原点的距离；t表示位置控制机连续2次计算的间隔时间；n表示位置控制机从初始时刻到当前时刻所完成的计算次数；V_x、V_y、V_z分别表示当前时刻位置控制手柄发上送的X、Y、Z坐标轴方向的速度矢量；

7b)采用矢量运算公式，计算摄像机的移动速度；

7c)采用空间线段长度公式，分别计算四根柔索的索长；

7d)位置控制机将处理后的摄像机位置坐标值、摄像机的移动速度和四根柔索的索长在数据显示区显示；

7e)在空间直角坐标系O-XYZ中，将摄像机位置坐标值与四根柔索支撑立柱四个顶点的四个坐标值同时进行水平投影变换，采用计算机图形学中坐标转换方法转换成位置控制机屏幕可显示的二维坐标值，在位置控制机屏幕上显示二维坐标值对应的点，将表示摄像机的点分别与表示四根柔索支撑立柱四个顶点的点用线段相连，位置控制机屏幕通过每隔20毫秒刷新一次，在水平运动动画显示区显示水平运动动画；

7f)在空间直角坐标系O′-X′Y′Z′中，将空间直角坐标系O′-X′Y′Z′按照姿态控制手柄发送的俯仰转动角度值和方位转动角度值分别绕Y′轴和Z′轴转动，采用计算机图形学中坐标系转换方法将空间直角坐标系O′-X′Y′Z′中的姿态箭头转换到空间直角坐标系O-XYZ中，在空间直角坐标系O-XYZ中，将摄像机位置坐标值、代表四根柔索支撑立柱的四条线段与姿态箭头同时进行三维投影变换，采用计算机图形学中坐标转换方法转换成位置控制机屏幕可显示的二维坐标值，在位置控制机屏幕上显示二维坐标值对应的点、线段和姿态箭头，将表示摄像机的点分别与表示四根柔索支撑立柱四个顶点的点用线段相连，位置控制机屏幕通过每隔20毫秒刷新一次，在三维运动动画显示区显示三维运动动画和摄像机的姿态箭头。

(8)调整摄像机的位置和姿态：

8a)观察数据显示区中的摄像机位置坐标值，当拍摄目标在工作空间内大范围移动时，通过拨动位置控制手柄使显示的位置坐标值调整为操作人员期望的拍摄位置；

8b)观察数据显示区中的摄像机移动速度，当显示的摄像机移动速度较快时，通过减小位置控制手柄的倾斜角度，使显示的摄像机移动速度降低；

8c)观察水平运动动画显示区中的摄像机水平运动动画，当代表摄像机的圆点移动到水平运动动画的边缘时，通过拨动位置控制手柄使代表摄像机的圆点沿着水平运动动画的矩形边缘移动，使摄像机在工作空间边缘跟随拍摄目标移动，或者通过拨动位置控制手柄使代表摄像机的圆点返回到水平运动动画的矩形内限定区域，使摄像机在工作空间内限定区域跟随拍摄目标移动；

8d)观察三维运动动画显示区中的三维运动动画，当代表摄像机的圆点接近三维运动动画中长方体的边界时，通过拨动位置控制手柄使代表摄像机的圆点离开三维运动动画中长方体的边界；

8e)观察三维运动动画显示区中的姿态箭头，当拍摄目标改变时，通过拨动姿态控制手柄控制摄像机俯仰转动和方位转动，使箭头指向下一个拍摄目标。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

第一，本发明通过水平运动动画和三维运动动画，直观地显示摄像机在工作空间中的位置和运动状态，操作人员监视水平运动动画和三维运动动画，通过位置控制手柄控制摄像机运动，克服了现有技术只显示代表位移方向和大小的矢量图像导致显示不直观、控制不精确的缺点，使得本发明不仅能够直观地观测摄像机在工作空间中的位置和运动状态，而且可以通过控制手柄精确地控制摄像机在工作空间中移动。

第二，本发明通过在三维运动动画中显示摄像机的姿态箭头，精确地显示了摄像机镜头轴线的空间指向，克服了现有技术不能显示摄像机在工作空间的姿态的缺点，使得本发明具有精确地监控摄像机姿态的新功能。

第三，本发明通过在画面处理机屏幕显示摄像机拍摄的视频和在位置控制机屏幕显示摄像机的姿态箭头，同时提供了直观的视觉反馈和精确的姿态信息，克服了现有技术仅提供视觉反馈或仅提供位置信息时不易操作的缺点，使得本发明能够直观地调节摄像机的姿态和焦距。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的位置控制机屏幕状态显示效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述。

参照附图1本发明的具体步骤如下。

步骤1，安装摄像机并输入工作参数。

在摄像机正常工作前，必须安装摄像机，在四根柔索支撑立柱底部选取水平高度相同的四个点作为四个标定点，将摄像机安装到四根柔索支撑立柱中任意一根立柱上的标定点位置处，将摄像机镜头中心对准摄像机安装立柱外的其余三根立柱中任意一根立柱上的标定点。

在摄像机正常工作前要输入摄像机拟工作空间的长、宽、高参数，这样才能将柔索牵引摄像机应用到不同大小的工作场地，将四根柔索支撑立柱围成的立柱顶端以下、标定点以上的长方体空间作为摄像机拟工作空间，将摄像机拟工作空间的长、宽、高参数输入到位置控制机中。

在摄像机正常工作前位置控制机需要得到摄像机的初始位置坐标值和初始姿态，将摄像机安装的标定点坐标值和摄像机镜头对准的标定点坐标值，分别输入到位置控制机中。

在摄像机正常工作前位置控制机需要得到索力安全值，索力安全值使四根柔索能够在索力安全范围内工作，将柔索的拉断力大小与安全系数的比值作为索力安全值，将设定的索力安全值输入到位置控制机中。

步骤2，显示摄像机的初始状态。

将位置控制机的屏幕划分为三个区域：数据显示区、水平运动动画显示区、三维运动动画显示区；数据显示区位于位置控制机屏幕右侧，水平运动动画显示区位于位置控制机屏幕左侧上方，三维运动动画显示区位于位置控制机屏幕左侧下方。

按照右手螺旋法则，建立空间直角坐标系O-XYZ，将摄像机的拟工作空间位于空间直角坐标系O-XYZ的第一卦限，X轴为拟工作空间的宽度方向，Y轴为拟工作空间的长度方向，Z轴为拟工作空间的高度方向；通过摄像机位置坐标值与四根柔索支撑立柱四个顶点的四个坐标值，采用空间线段长度公式分别计算四根柔索的索长，将摄像机安装的标定点坐标值和四根柔索的索长在数据显示区显示；将摄像机位置坐标值与四根柔索支撑立柱四个顶点的四个坐标值同时进行水平投影变换，采用计算机图形学中坐标转换方法转换成位置控制机屏幕可显示的二维坐标值，在位置控制机屏幕上显示二维坐标值对应的点，将表示摄像机的点分别与表示四根柔索支撑立柱四个顶点的点用线段相连，在水平运动动画显示区显示摄像机的水平运动动画的初始状态。

按照右手螺旋法则，建立空间直角坐标系O′-X′Y′Z′，原点O′为摄像机镜头中心，X′轴正方向为沿摄像机镜头轴线向外的方向；Y′轴正方向为垂直于摄像机镜头轴线向右的方向，Z′轴正方向为垂直于摄像机镜头轴线向上的方向，原点O′与空间直角坐标系O-XYZ中代表摄像机的点位置重合；在空间直角坐标系O′-X′Y′Z′中，以原点O′为起点，沿X′轴正方向建立一个固定长度的箭头，代表摄像机姿态，采用计算机图形学中坐标系转换方法将转动后的姿态箭头转换到空间直角坐标系O-XYZ中；在空间直角坐标系O-XYZ中，将摄像机位置坐标值、代表四根柔索支撑立柱的四条线段与姿态箭头同时进行三维投影变换，采用计算机图形学中坐标转换方法转换成位置控制机屏幕可显示的二维坐标值，在位置控制机屏幕上显示二维坐标值对应的点、线段和姿态箭头，将表示摄像机的点分别与表示四根柔索支撑立柱四个顶点的点用线段相连，在三维运动动画显示区显示摄像机的三维运动动画和摄像机的姿态箭头的初始状态。

步骤3，显示摄像机拍摄的视频。

将摄像机拍摄的视频通过视频信号传输线传输到画面处理机，画面处理机将视频在画面处理机的屏幕上显示，使操作人员能够实时观察摄像机拍摄的视频。

步骤4，控制摄像机的位置和姿态。

观察和监视数据显示区中的摄像机位置坐标值，当拍摄目标在工作空间内大范围移动时，通过拨动位置控制手柄使显示的位置坐标值调整为操作人员期望的拍摄位置。

观察和监视画面处理机屏幕中的拍摄目标，当拍摄目标在画面处理机屏幕内小范围移动时，通过拨动姿态控制手柄控制摄像机俯仰转动和方位转动，使画面处理机屏幕中的拍摄目标位于画面处理机屏幕的中心区域，通过拨动焦距控制手柄，使画面处理机屏幕上的图像清晰。

步骤5，判断索力是否安全。

通过立柱顶端的索力传感器，向位置控制机发送由索力传感器获得的四根柔索的索力值。位置控制机判断四根柔索的索力值中的最大值是否大于设定的索力安全值，如果大于索力安全值，则执行步骤6；否则，执行步骤7。以此保证四根柔索能够在索力安全范围内工作。

步骤6，控制摄像机向下移动。

位置控制机发出声音报警，提示四根柔索的索力值中的最大值已经超出索力安全值，通过拨动位置控制手柄使摄像机向下移动，直到位置控制机不再发出声音报警。

步骤7，显示运动参数、运动动画和姿态箭头。

按照下式计算摄像机的位置坐标值：

$x=x_0+t\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_x$

$y=y_0+t\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_y$

$z=z_0+t\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_z$

其中，x、y、z分别表示当前时刻空间直角坐标系O-XYZ中摄像机向X、Y、Z坐标轴的投影到坐标原点的距离；x₀、y₀、z₀分别表示初始时刻空间直角坐标系O-XYZ中摄像机向X、Y、Z坐标轴的投影到坐标原点的距离；t表示位置控制机连续2次计算的间隔时间；n表示位置控制机从初始时刻到当前时刻所完成的计算次数；V_x、V_y、V_z分别表示当前时刻位置控制手柄发上送的X、Y、Z坐标轴方向的速度矢量。

按照下式计算摄像机的移动速度：

$V=\sqrt{V_x^2+V_y^2+V_z^2}$

其中，V表示当前时刻摄像机的移动速度；V_x、V_y、V_z分别表示当前时刻位置控制手柄发送的X、Y、Z坐标轴方向的速度矢量。

按照下式分别计算四根柔索的索长：

$L_1=\sqrt{x^2+y^2+{(c-z)}^2}$

$L_2=\sqrt{x^2+{(b-y)}^2+{(c-z)}^2}$

$L_3=\sqrt{{(a-x)}^2+{(b-y)}^2+{(c-z)}^2}$

$L_4=\sqrt{{(a-x)}^2+y^2+{(c-z)}^2}$

其中，L₁、L₂、L₃、L₄分别表示四根柔索的索长；x、y、z分别表示当前时刻空间直角坐标系O-XYZ中摄像机向X、Y、Z坐标轴的投影到坐标原点的距离；a、b、c分别表示拟工作空间沿X、Y、Z方向的长度。

位置控制机将处理后的摄像机位置坐标值、摄像机的移动速度和四根柔索的索长在数据显示区显示。

在空间直角坐标系O-XYZ中，将摄像机位置坐标值与四根柔索支撑立柱四个顶点的四个坐标值同时进行水平投影变换，采用计算机图形学中坐标转换方法转换成位置控制机屏幕可显示的二维坐标值，在位置控制机屏幕上显示二维坐标值对应的点，将表示摄像机的点分别与表示四根柔索支撑立柱四个顶点的点用线段相连，位置控制机屏幕通过每隔20毫秒刷新一次，在水平运动动画显示区显示水平运动动画。

在空间直角坐标系0′-X′Y′Z′中，将空间直角坐标系O′-X′Y′Z′按照姿态控制手柄发送的俯仰转动角度值和方位转动角度值分别绕Y′轴和Z′轴转动，采用计算机图形学中坐标系转换方法将空间直角坐标系O′-X′Y′Z′中的姿态箭头转换到空间直角坐标系O-XYZ中，在空间直角坐标系O-XYZ中，将摄像机位置坐标值、代表四根柔索支撑立柱的四条线段与姿态箭头同时进行三维投影变换，采用计算机图形学中坐标转换方法转换成位置控制机屏幕可显示的二维坐标值，在位置控制机屏幕上显示二维坐标值对应的点、线段和姿态箭头，将表示摄像机的点分别与表示四根柔索支撑立柱四个顶点的点用线段相连，位置控制机屏幕通过每隔20毫秒刷新一次，在三维运动动画显示区显示三维运动动画和摄像机的姿态箭头。

步骤8，调整摄像机的位置和姿态。

观察监视数据显示区中的摄像机位置坐标值，当拍摄目标在工作空间内大范围移动时，通过拨动位置控制手柄使显示的位置坐标值调整为操作人员期望的拍摄位置。

观察监视数据显示区中的摄像机移动速度，当显示的摄像机移动速度较快时，通过减小位置控制手柄的倾斜角度，使显示的摄像机移动速度降低。

观察监视水平运动动画显示区中的摄像机水平运动动画，当代表摄像机的圆点移动到水平运动动画的边缘时，通过拨动位置控制手柄使代表摄像机的圆点沿着水平运动动画的矩形边缘移动，使摄像机在工作空间边缘跟随拍摄目标移动。或者通过拨动位置控制手柄使代表摄像机的圆点返回到水平运动动画的矩形内限定区域，使摄像机在工作空间内限定区域跟随拍摄目标移动。

观察监视三维运动动画显示区中的三维运动动画，当代表摄像机的圆点接近三维运动动画中长方体的边界时，通过拨动位置控制手柄使代表摄像机的圆点离开三维运动动画中长方体的边界。

观察监视三维运动动画显示区中的姿态箭头，当拍摄目标改变时，通过拨动姿态控制手柄控制摄像机俯仰转动和方位转动，使箭头指向下一个拍摄目标。

参照附图2，对采用本发明方法时位置控制机屏幕状态显示效果作进一步的描述。

图2为本发明的位置控制机屏幕状态显示效果示意图，其中，图2中的右侧表示数据显示区，左侧上方表示水平运动动画显示区，左侧下方表示三维运动动画显示区。

在图2的数据显示区中，从上至下分别显示移动速度、x坐标、y坐标、z坐标、索一长度、索二长度、索三长度和索四长度。移动速度表示摄像机在工作空间内移动的移动速度，单位是米每秒。x坐标、y坐标和z坐标分别表示当前时刻空间直角坐标系O-XYZ中摄像机向X、Y和Z坐标轴的投影到坐标原点的距离，单位都是米。索一长度、索二长度、索三长度和索四长度分别表示柔索一、柔索二、柔索三和柔索四的索长，单位都是米。数据显示区每隔20毫秒刷新一次。由此可见，当摄像机在工作空间内移动时，数据显示区显示的摄像机移动速度、摄像机的位置坐标值和四根柔索的索长都会产生相应的变化。监控摄像机移动时，观察监视数据显示区中的摄像机移动速度，当显示的移动速度较快时，通过减小位置控制手柄的倾斜角度，使显示的移动速度降低；观察x坐标、y坐标、z坐标，当拍摄目标在工作空间内大范围移动时，通过拨动位置控制手柄使显示的x坐标、y坐标、z坐标调整为操作人员期望的拍摄位置。

在图2的水平运动动画显示区中，矩形的四个顶点分别表示四根柔索支撑立柱的顶点。X、Y和O分别表示空间直角坐标系O-XYZ水平投影变换后的X坐标轴、Y坐标轴和坐标原点O。线段1、线段2、线段3和线段4分别表示水平投影变换后的柔索一、柔索二、柔索三和柔索四。线段1、线段2、线段3和线段4交汇处的黑色圆点表示水平投影变换后的摄像机。水平运动动画显示区每隔20毫秒刷新一次。显然，当摄像机在工作空间内移动时，水平运动动画显示区中黑色圆点会在矩形区域内产生相应的移动。监控摄像机移动时，观察监视水平运动动画显示区中的摄像机水平运动动画，当黑色圆点移动到水平运动动画的矩形边缘时，通过拨动位置控制手柄使黑色圆点沿着水平运动动画的矩形边缘移动，使摄像机在工作空间边缘跟随拍摄目标移动，或者通过拨动位置控制手柄使黑色圆点返回到水平运动动画的矩形内限定区域，使摄像机在工作空间内限定区域跟随拍摄目标移动。

在图2的三维运动动画显示区中，四根竖直线段分别表示四根柔索支撑立柱，四根竖直线段的上端点分别表示四根柔索支撑立柱的顶点，四根竖直线段的下端点分别表示四个标定点，四根竖直线段围成的长方体空间表示摄像机拟工作空间。X、Y、Z和0分别表示空间直角坐标系O-XYZ三维投影变换后的X坐标轴、Y坐标轴、Z坐标轴和坐标原点O。线段1、线段2、线段3和线段4分别表示三维投影变换后的柔索一、柔索二、柔索三和柔索四。线段1、线段2、线段3和线段4交汇处的黑色圆点表示三维投影变换后的摄像机。黑色箭头表示三维投影变换后的摄像机镜头轴线。三维运动动画显示区每隔20毫秒刷新一次。因此，当摄像机在工作空间内移动时，三维运动动画中黑色圆点会在长方体空间内产生相应的移动，当摄像机在工作空间内转动时，黑色的姿态箭头指向会产生相应的变化。监控摄像机移动时，观察监视三维运动动画显示区中的三维运动动画，当黑色圆点接近三维运动动画中长方体的边界时，通过拨动位置控制手柄使黑色圆点离开三维运动动画中长方体的边界；观察姿态箭头，当拍摄目标改变时，通过拨动姿态控制手柄控制摄像机俯仰转动和方位转动，使箭头指向下一个拍摄目标。

Claims (7)

1.一种柔索牵引摄像机位置的监控方法，具体步骤如下：

(1)安装摄像机并输入工作参数：

1a)将摄像机安装到四根柔索支撑立柱中任意一根立柱上的标定点位置处，将摄像机镜头中心对准摄像机安装立柱外的其余三根立柱中任意一根立柱上的标定点；

1b)将摄像机拟工作空间的长、宽、高参数输入到位置控制机中；

1c)将摄像机安装的标定点坐标值和摄像机镜头对准的标定点坐标值，分别输入到位置控制机中；

1d)将设定的索力安全值输入到位置控制机中；

(2)显示摄像机的初始状态：

2a)将位置控制机的屏幕划分为三个区域：数据显示区、水平运动动画显示区、三维运动动画显示区；数据显示区位于位置控制机屏幕右侧，水平运动动画显示区位于位置控制机屏幕左侧上方，三维运动动画显示区位于位置控制机屏幕左侧下方；

2b)按照右手螺旋法则，建立空间直角坐标系O-XYZ，将摄像机的拟工作空间位于空间直角坐标系O-XYZ的第一卦限，X轴为拟工作空间的宽度方向，Y轴为拟工作空间的长度方向，Z轴为拟工作空间的高度方向；通过摄像机位置坐标值与四根柔索支撑立柱四个顶点的四个坐标值，采用空间线段长度公式分别计算四根柔索的索长，将摄像机安装的标定点坐标值和四根柔索的索长在数据显示区显示；将摄像机位置坐标值与四根柔索支撑立柱四个顶点的四个坐标值同时进行水平投影变换，采用计算机图形学中坐标转换方法转换成位置控制机屏幕可显示的二维坐标值，在位置控制机屏幕上显示二维坐标值对应的点，将表示摄像机的点分别与表示四根柔索支撑立柱四个顶点的点用线段相连，在水平运动动画显示区显示摄像机的水平运动动画的初始状态；

2c)按照右手螺旋法则，建立空间直角坐标系O′-X′Y′Z′，原点O′为摄像机镜头中心，X′轴正方向为沿摄像机镜头轴线向外的方向；Y′轴正方向为垂直于摄像机镜头轴线向右的方向，Z′轴正方向为垂直于摄像机镜头轴线向上的方向，原点O′与空间直角坐标系O-XYZ中代表摄像机的点位置重合；在空间直角坐标系O′-X′Y′Z′中，以原点O′为起点，沿X′轴正方向建立一个固定长度的箭头，代表摄像机姿态，采用计算机图形学中坐标系转换方法将转动后的姿态箭头转换到空间直角坐标系O-XYZ中；在空间直角坐标系O-XYZ中，将摄像机位置坐标值、代表四根柔索支撑立柱的四条线段与姿态箭头同时进行三维投影变换，采用计算机图形学中坐标转换方法转换成位置控制机屏幕可显示的二维坐标值，在位置控制机屏幕上显示二维坐标值对应的点、线段和姿态箭头，将表示摄像机的点分别与表示四根柔索支撑立柱四个顶点的点用线段相连，在三维运动动画显示区显示摄像机的三维运动动画和摄像机的姿态箭头的初始状态；

(3)显示摄像机拍摄的视频：

将摄像机拍摄的视频通过视频信号传输线传输到画面处理机，画面处理机将视频在画面处理机的屏幕上显示；

(4)控制摄像机的位置和姿态：

4a)观察数据显示区中的摄像机位置坐标值，当拍摄目标在工作空间内大范围移动时，通过拨动位置控制手柄使显示的位置坐标值调整为操作人员期望的拍摄位置；

4b)观察画面处理机屏幕中的拍摄目标，当拍摄目标在画面处理机屏幕内小范围移动时，通过拨动姿态控制手柄控制摄像机俯仰转动和方位转动，使画面处理机屏幕中的拍摄目标位于画面处理机屏幕的中心区域，通过拨动焦距控制手柄，使画面处理机屏幕上的图像清晰；

(5)判断索力是否安全：

5a)立柱顶端的索力传感器，向位置控制机发送由索力传感器获得的四根柔索的索力值；

5b)位置控制机判断四根柔索的索力值中的最大值是否大于步骤1d)中设定的索力安全值，若大于索力安全值，则执行步骤(6)，否则，执行步骤(7)；

(6)控制摄像机向下移动：

位置控制机发出声音报警，提示四根柔索的索力值中的最大值已经超出索力安全值，通过拨动位置控制手柄使摄像机向下移动，直到位置控制机不再发出声音报警；

(7)显示运动参数、运动动画和姿态箭头：

7a)按照下式计算摄像机的位置坐标值：

$x=x_0+t\·\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{V}_x$

$y=y_0+t\·\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{V}_y$

$z=z_0+t\·\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{V}_z$

其中，x、y、z分别表示当前时刻空间直角坐标系O-XYZ中摄像机向X、Y、Z坐标轴的投影到坐标原点的距离；x₀、y₀、z₀分别表示初始时刻空间直角坐标系O-XYZ中摄像机向X、Y、Z坐标轴的投影到坐标原点的距离；t表示位置控制机连续2次计算的间隔时间；n表示位置控制机从初始时刻到当前时刻所完成的计算次数；V_x、V_y、V_z分别表示当前时刻位置控制手柄发送的X、Y、Z坐标轴方向的速度矢量；

7b)采用矢量运算公式，计算摄像机的移动速度；

7c)采用空间线段长度公式，分别计算四根柔索的索长；

7d)位置控制机将处理后的摄像机位置坐标值、摄像机的移动速度和四根柔索的索长在数据显示区显示；

7e)在空间直角坐标系O-XYZ中，将摄像机位置坐标值与四根柔索支撑立柱四个顶点的四个坐标值同时进行水平投影变换，采用计算机图形学中坐标转换方法转换成位置控制机屏幕可显示的二维坐标值，在位置控制机屏幕上显示二维坐标值对应的点，将表示摄像机的点分别与表示四根柔索支撑立柱四个顶点的点用线段相连，位置控制机屏幕通过每隔20毫秒刷新一次，在水平运动动画显示区显示水平运动动画；

7f)在空间直角坐标系O′-X′Y′Z′中，将空间直角坐标系O′-X′Y′Z′按照姿态控制手柄发送的俯仰转动角度值和方位转动角度值分别绕Y′轴和Z′轴转动，采用计算机图形学中坐标系转换方法将空间直角坐标系O′-X′Y′Z′中的姿态箭头转换到空间直角坐标系O-XYZ中，在空间直角坐标系O-XYZ中，将摄像机位置坐标值、代表四根柔索支撑立柱的四条线段与姿态箭头同时进行三维投影变换，采用计算机图形学中坐标转换方法转换成位置控制机屏幕可显示的二维坐标值，在位置控制机屏幕上显示二维坐标值对应的点、线段和姿态箭头，将表示摄像机的点分别与表示四根柔索支撑立柱四个顶点的点用线段相连，位置控制机屏幕通过每隔20毫秒刷新一次，在三维运动动画显示区显示三维运动动画和摄像机的姿态箭头；

(8)调整摄像机的位置和姿态：

8a)观察数据显示区中的摄像机位置坐标值，当拍摄目标在工作空间内大范围移动时，通过拨动位置控制手柄使显示的位置坐标值调整为操作人员期望的拍摄位置；

8b)观察数据显示区中的摄像机移动速度，当显示的摄像机移动速度较快时，通过减小位置控制手柄的倾斜角度，使显示的摄像机移动速度降低；

8c)观察水平运动动画显示区中的摄像机水平运动动画，当代表摄像机的圆点移动到水平运动动画的边缘时，通过拨动位置控制手柄使代表摄像机的圆点沿着水平运动动画的矩形边缘移动，使摄像机在工作空间边缘跟随拍摄目标移动，或者通过拨动位置控制手柄使代表摄像机的圆点返回到水平运动动画的矩形内限定区域，使摄像机在工作空间内限定区域跟随拍摄目标移动；

8d)观察三维运动动画显示区中的三维运动动画，当代表摄像机的圆点接近三维运动动画中长方体的边界时，通过拨动位置控制手柄使代表摄像机的圆点离开三维运动动画中长方体的边界；

8e)观察三维运动动画显示区中的姿态箭头，当拍摄目标改变时，通过拨动姿态控制手柄控制摄像机俯仰转动和方位转动，使箭头指向下一个拍摄目标。

2.根据权利要求1所述的柔索牵引摄像机位置的监控方法，其特征在于，步骤1a)中所述的标定点是指，在四根柔索支撑立柱底部选取的水平高度相同的四个点。

3.根据权利要求1所述的柔索牵引摄像机位置的监控方法，其特征在于，步骤1b)中所述的摄像机拟工作空间是指，由四根柔索支撑立柱围成的立柱顶端以下、标定点以上的长方体空间。

4.根据权利要求1所述的柔索牵引摄像机位置的监控方法，其特征在于，步骤1d)中所述的索力安全值是指，柔索的拉断力大小与安全系数的比值。

5.根据权利要求1所述的柔索牵引摄像机位置的监控方法，其特征在于，步骤2b)、步骤7c)所述的空间线段长度公式如下：

$L_1=\sqrt{x^2+y^2+{(c-z)}^2}$

$L_2=\sqrt{x^2+{(b-y)}^2+{(c-z)}^2}$

$L_3=\sqrt{{(a-x)}^2+{(b-y)}^2+{(c-z)}^2}$

$L_4=\sqrt{{(a-x)}^2+y^2+{(c-z)}^2}$

其中，L₁、L₂、L₃、L₄分别表示四根柔索的索长；x、y、z分别表示当前时刻空间直角坐标系O-XYZ中摄像机向X、Y、Z坐标轴的投影到坐标原点的距离；a、b、c分别表示拟工作空间沿X、Y、Z方向的长度。

6.根据权利要求1所述的柔索牵引摄像机位置的监控方法，其特征在于，步骤2c)中所述的摄像机姿态是指摄像机镜头轴线的空间指向。

7.根据权利要求1所述的柔索牵引摄像机位置的监控方法，其特征在于，步骤7b)所述的矢量运算公式如下：

$V=\sqrt{{V_x}^2+{V_y}^2+{V_z}^2}$

其中，V表示当前时刻摄像机的移动速度；V_x、V_y、V_z分别表示当前时刻位置控制手柄发送的X、Y、Z坐标轴方向的速度矢量。