CN104902181A - 一种远距离广播级摄像机高清镜头控制方法 - Google Patents

Abstract

一种远距离广播级摄像机高清镜头控制方法，步骤为：(1)接收模拟量形式的镜头变倍值、聚焦值和光圈值，数字量形式的视场变倍值、色彩增益值，以及模式选择信号；(2)对模拟量进行AD采样；(3)根据模式选择信号，对以数字量形式表示的各量分模式按位进行组帧，得到一帧控制指令并发送至广播级镜头的控制端；(4)对控制指令进行抽帧，获得各数字量；对抽帧获得的以数字量形式表示的镜头变倍值、聚焦值、光圈值进行先后两次偏置和电压变换，得到相应的模拟量送至广播级镜头的伺服端进行伺服控制；对抽帧获得的以数字量形式表示的视场变倍值、色彩增益值按照广播级镜头通讯协议进行重新组帧，并送至广播级镜头的伺服端进行伺服控制。

Description

一种远距离广播级摄像机高清镜头控制方法

技术领域

本发明涉及一种广播级摄像机高清镜头的控制方法，适用于影视特拍稳定平台上主流广播级高清镜头的控制，并能拓展应用在具有电压变换控制接口的摄像机镜头控制上，应用于航拍、马拉松跟拍、电视台转播、电影特效拍摄等。

背景技术

广播级摄像机镜头的控制，正常情况下会采用镜头与镜头配套的变倍聚焦等设备进行有限的操控，而此类配套的设备是通过模拟电压变换的方式来控制广播级摄像机镜头的运动。

在长距离操作广播级镜头时，由于长距离的走线会出现电压损耗，导致控制高清镜头控制不精确；从平台外部直接传输电压的方式，电压的变换会引起对控制信号的干扰；而根据平台传输通讯介质的需要，模拟电压信号不能传输(光缆，滑环等)。

如果根据广播级镜头本身的协议，直接以串口的形式把控制端的操作指令转换成协议控制广播级镜头，那么串口发送的每一帧只能含有一种操作指令，这样，在同一时刻广播级镜头只能响应一种操作，不符合操作人员想要在变倍的同时又要调整焦距的类似的操作习惯。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种广播级摄像机高清镜头的远距离控制方法，可以使得影视稳定平台系统能够有效地控制其上搭载的高清广播级摄像机镜头，并可以根据操作员的操作习惯同时控制多种操作(变倍，聚焦等)，而且能实时的采集当前的镜头信息，返回信息值作为控制指令用于稳定回路及变倍聚焦的协同控制。

本发明的技术解决方案是：一种远距离广播级摄像机高清镜头控制方法，包括如下步骤：

(1)接收操作端输入的、以模拟量形式表示的镜头变倍值、聚焦值和光圈值，以数字量表示的视场变倍值、色彩增益值，以及模式选择信号的状态；所述数字量通过IO接口进行接收；所述的模式选择信号的状态包括两种：一种是独立控制模式，此模式下可以分别独立调整变倍值和聚焦值；另一种是协调控制模式，此模式下变倍值和聚焦值同时调整以保证对同一物体的放大或者缩小；

(2)通过模数转换器对所述模拟量进行AD采样，得到以数字量的形式表示的镜头变倍值、聚焦值和光圈值；

(3)当模式选择信号为独立控制模式时，直接将以数字量形式表示的镜头变倍值、聚焦值、光圈值、视场变倍值、色彩增益值按位进行组帧，得到一帧控制指令并通过串口发送至广播级镜头的控制端；当模式选择信号为协调控制模式时，首先从广播级镜头的控制端获取当前的焦距值和倍率的比值，在执行聚焦操作时，根据以数字量形式表示的镜头聚焦值确定聚焦时单位焦距移动的数值大小，计算出单位变倍的数值大小并作为新的镜头变倍值，将新的镜头变倍值，以及步骤(1)和(2)中获取的数字量形式的聚焦值、光圈值、视场变倍值、色彩增益值按位进行组帧，得到一帧控制指令并通过串口发送至广播级镜头的控制端；

(4)在广播级镜头的控制端，对所述控制指令进行抽帧，获得以数字量形式表示的镜头变倍值、聚焦值、光圈值、视场变倍值、色彩增益值；对抽帧获得的以数字量形式表示的镜头变倍值、聚焦值、光圈值进行第一次偏置和电压变换，得到数模转换器输入范围内的数字量，然后经过DA转换、第二次偏置和电压变换，得到广播级镜头允许输入电压范围之内的以模拟量形式表示的镜头变倍值、聚焦值、光圈值送至广播级镜头的伺服端，驱动广播级镜头的变倍、聚焦和光圈运动；对抽帧获得的以数字量形式表示的视场变倍值、色彩增益值进行重新组帧，获得符合广播级镜头通讯协议的视场变倍数据帧以及色彩增益数据帧并送至广播级镜头的伺服端，驱动广播级镜头进行视场变倍或者色彩增益调整；

(5)广播级镜头根据一帧控制指令调整完毕后，广播级镜头的控制端按照固定的周期接收广播级镜头反馈的当前的镜头变倍值、聚焦值、光圈值、视场变倍值、色彩增益值，进行闭环控制。

所述步骤(3)中按位进行组帧的方法为：将帧头作为数据帧的第一字节，将变倍值作为第二和第三字节，将聚焦值作为第四和第五字节，将光圈值作为第六和第七字节，色彩增益值作为第八字节的低四位数，视场变倍值作为第八字节的高四位数，将五种数据进行求和并将结果作为帧尾。

所述步骤(4)中送至广播级镜头的伺服端的模拟量和数字量采用两个不同的通道分别发送。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明方法采用数字通信的方式，确保了传输过程中信息无损，如果直接用模拟电压变换的方式在系统中走线直接传到镜头伺服器端，线上电压的磨损和波动会使得伺服控制器控制镜头运动不准，同时线上电压的变换组成的回路经过整个系统，电压的变换导致电流的变换，变换的电流会产生磁场，从而对整个系统的信号产生干扰；本发明利用数字信号进行传输，可以有效的减少变换电压对其他部分产生的干扰，降低控制电压的损耗；

(2)本发明加入模式选择开关，当切换开关切换到变倍聚焦独立操作时，操作人员可以选择拍摄的物体进行视场调整和聚焦操作；当切换开关切换到变倍聚焦协调的控制镜头的操作时，可以让操作人员在对一特定物体对焦之后，想要进行变倍操作时，只需进行聚焦的操作，也能快速方便的进行跟焦操作；

(3)本发明利用DA转换变倍量，聚焦量，光圈量成模拟方式控制广播级镜头，利用反馈信号和聚焦量同时控制聚焦和变倍的操作设定，可以使聚焦、变倍、光圈的命令执行操作更加圆滑，不会产生突进的感觉，并且在变倍、聚焦、光圈都需要调整时，可以同时响应变倍、聚焦、光圈命令；同时，以数字开关通过转换帧格式的方式直接控制广播级镜头，让此种发明延伸到系统内部的连线变得简化，抗干扰性高，符合操作人员的习惯。

附图说明

图1为平台系统与广播级镜头的硬件连接示意图；

图2为本发明方法的流程框图。

具体实施方式

为了解决数字信号直接控制广播级高清镜头伺服的同一时间只能完成一种命令(变倍、聚焦、光圈)局限性，以符合操作人员的习惯，在镜头控制器端把传输的数字信号经过数据处理转换成模拟信号，进行电压锁存，连接到镜头伺服端，达到实时的控制目的。同时在镜头的伺服端把控制镜头状态的数字开关变量按照伺服本身的数字通讯协议发到伺服端，用来控制镜头的一些开关状态的切换(调整色差、调整镜头范围等)。

为了解决平台根据镜头当前状态的参考运动的需要，在伺服端加入信号采集元件，采集到当前镜头状态信号，通过数字通信返回给平台系统。

本发明把控制端的模拟控制量转换为数字控制量，利用数字通信消除模拟控制信号在传输过程中产生的电压损耗以及对其他信号的干扰。在伺服的输出端利用快速扫描切换通道模拟电压锁存变换的方式控制镜头的变倍聚焦等指令，同时用数字通讯协议控制镜头的数字开关变量，用模拟和数字量结合的方式达到同时控制的目的。本发明还通过精确的采集当前镜头返回的模拟量状态值，应用到系统的稳定控制。

整个平台系统的控制单元/广播级摄像机镜头配套的控制单元与广播级镜头端连接如图1所示。图1中，1为模拟操纵杆量输入，2为数字操纵杆量输入，3为控制单元，4为平台系统计算机电路数字信号处理，5为镜头端数据处理的模块，6为广播级摄像机高清镜头返回的相机状态，7为平台系统以串口的形式发送变倍聚焦等模拟控制指令，8为平台系统直接控制广播级摄像机镜头伺服的数字开关命令。流程如图2所示。

在控制单元的电路中采用AD采集，把操作手柄等输出的杆量的模拟信号转换成数字信号，同时，把控制广播级高清镜头的开关量的信号通过电路板本身的IO接口采集，并通过控制单元的控制串口发出。

操作端的模拟杆量为变倍，聚焦，光圈电位计的值，其中，三种杆量的模拟输入范围为0V～5V，变倍值为2.5V，拨动变倍的船型电位器，以船型电位器的输出值偏离2.5V的量作为变倍操作的速度值，与2.5V做差判断变倍操作的方向；聚焦操作0～5V表示焦距最近到无穷远处的范围，一般的广播级相机，呈平方关系递增；光圈操作0～5V表示光圈从关闭到最亮(一般为F1.8)的范围，呈线性变化，在三种信号输入时，AD采集把相应的模拟量转换成16位数字量。作为变倍，聚焦，光圈的控制命令。

操作端的光圈范围调节，红绿蓝色调的调整，市场变倍(1x～2x)，色彩增益等命令的调整，属于数字开关量，在控制电路端，接入到控制单元电路的通用的IO接口，每一个数字量传到发送端，代表一帧数据的一个数的一位，这样，把若干个广播级镜头的数字开关操作变量组合成一帧数据的相应位数。

在控制单元的发送端把变倍，聚焦，光圈控制命令和数字开关操作命令与操作稳定平台的指令组合作为串口数据RS422发出，422的传输可以通过直接走线，可以通过光缆，可以通过无线接收信号，可以通过光电滑环与操作平台内部的信号处理控制电路连接。

在进行数据量传输时，需要将数字量进行组帧。一帧命令包含所有镜头变倍值、聚焦值和光圈值以及视场变倍，色彩增益的命令。为了更好的适应实际的操作，本发明通过引入模式切换(切换开关)，对变倍值和聚焦值分别独立调整，以及倍值和聚焦值协调调整两种情况进行分别处理。

当切换开关在选择变倍、聚焦指令同时发送协调控制时，操作端首先记录当前通过广播级镜头控制端反馈的倍率和焦距值的比值K，在执行聚焦操作时，在控制单元内部计算单位聚焦移动的数值大小Fs，由于操作人员的操作习惯不一样，Fs不是一个均匀变化的值。根据之前几率的比值，计算出单位时间内变倍倍率的大小Fs*K，在控制单元内部进行求导运算，即在控制单元内部用定时器中断扫描Fs*K，定时器中断的时间间隔t0，通过Fs*K/t0计算出当聚焦值变化Fs单位时，变倍速率数据的值，作为变倍指令控制镜头变倍的速度控制量，当前一时刻焦点通过聚焦命令向拍摄人员方向移动时，这是变倍方向判断为缩小视场角(即图像放大)，当前一时刻焦点通过聚焦命令向远处运动时，这是变倍方向判断为放大视场角(即缩小视场)，然后通过帧命令向广播级镜头的控制端发送指令，控制单元方面只需操作聚焦旋钮即可按照预先的拍摄物体状态同时执行变倍和聚焦操作，当接收到广播级镜头的控制端当前反馈回的变倍值Zs与控制单元根据聚焦操作计算出的倍率Fs*K一致时(Zs＝Fs*K)，控制单元发送变倍速率为0的指令。

当切换开关在选择变倍、聚焦指令分别独立控制时，则直接将数字量信号进行组帧发送到镜头控制端即可。切换开关在两种模式下，其组帧的方法是相同的。

由于一帧命令需要包含所有镜头变倍值、聚焦值和光圈值以及视场变倍，色彩增益的命令，因此，在本发明中按照如下原则进行数据组帧：变倍的16位控制数为一帧数据的第二和第三字节，聚焦的16位控制数为一帧数据的第四和第五字节，光圈的16位控制数为一帧数据的第六和第七字节，先低位后高位，视场变倍值为一帧数据的第八字节的高四位数，色彩增益值为一帧数据的第八个字节的低四位数，即帧命令格式如下：

帧头变倍16位数值聚焦16位数值光圈16位数值视场变倍值H4/色彩增益L4求和帧尾

本发明中，广播级镜头的伺服端的模拟量和数字量采用两个不同的通道分别发送。模拟量的发送，直接把广播级摄像机高清镜头的控制端经过二次处理后的模拟量传送给广播级摄像机高清镜头。数字量的发送，当镜头控制端接收到数字的控制信号为视场变倍切换时，以波特率为38400BPS向镜头端发送初始化命令，每隔9ms发送一次，同一指令接收到镜头返回到的相同指令后，发下一条初始化命令。当初始化命令结束后，镜头控制端首先向镜头发送视场变倍命令，然后以3ms每帧的数据向镜头根据镜头协议发送视场变倍状态量，当色彩增益值改变时，首先修改帧命令，变为色彩增益门命令，然后也以每3ms每帧的方式发送增益改变和具体数值，控制广播级摄像机镜头数字开关的变化。

具体的，当信号处理控制电路接收到的串口的控制信号后，用抽帧处理，其中，变倍，聚焦，光圈的模拟器件产生的数据由数据处理转换为DA端接收数据信号转变成模拟信号的电压范围，采用4通道12位DA芯片，信号处理控制电路接收到的16位模拟信号要转换成数值在0～4095的范围内，信号处理控制电路把变倍，聚焦，光圈命令通过另一种帧格式串口数据发送给广播级镜头端处理模块，此模块接收到数字信号，通过DA转换变为模拟信号，输出范围为-1.25V～1.25V在后端进行放大电压匹配，滤波处理，把控制电压范围控制到-10V～10V。这里，镜头端用来控制变倍指令的模拟量值为不操作时5V，所以输入到镜头端处理模块的数据为2048，平台系统的电路板每个20ms发送一次串口数据，确保控制的实时性。2V和8V表示放大，缩小倍数的速度最大值，由于处理模块内部的DA转换芯片具有数据锁存功能，在DA扫描别的通道时，变倍通道也可以保持当前的状态。而聚焦和光圈命令在2～8V段每一个电压值代表一个聚焦，光圈的大小，即为位置控制量，所以在12位DA的数字输入端，数据的变化范围为892～3280。数据的接收和DA芯片的控制由可编程逻辑器件实现，所以，稳定平台的信号处理电路发送给镜头端的模块的数据为：变倍中值2048控制聚焦量892～3280，控制光圈量892～3280。

当稳定平台的信号处理电路接收到的控制指令中视场倍数调整，色彩增益调整数字信号出现改变时，在广播级镜头控制端，把设计项目时参考的内部通讯协议直接变成镜头伺服可识别的数字协议。波特率38400BPS，首先每个9ms依次发送80 C6 BF；BE 80 80 00 00 00 BF；BE 80 81 00 00 00 BF；86 C0 0000 00 BF命令作为广播级高清镜头初始化命令，镜头控制端在每接收到相同帧命令时才能发送下一条指令，当镜头控制端接收到追后一条指令86 C0 00 0000 BF时，初始化完成，当镜头控制端接收到操作端视场倍数调整命令时，串口发送84 Cx BF；C0表示1.0倍视场；C1表示1.5倍视场，C2表示2.0倍视场；发送间隔为3～6ms，并从镜头端接收返回状态指令。单出现色彩增益调整时，发送AF Cx 00 00 00 BF到广播级高清镜头伺服，C1代表增益增强，C2代表增益衰减；发送间隔为3～6ms，并从镜头端接收返回指令，发送当传送断开时，串口需要重新发送初始化命令进行重新连接

镜头端的控制模块可以通过AD采集得到镜头的变倍，聚焦，光圈的模拟量，镜头端输出的变倍，聚焦，光圈的输出范围为2～7V，在镜头控制端AD通道采集，采集的范围为13107～45875，把倍率和聚焦的值发送给控制端，当变倍聚焦协调控制时，可以使用倍率和聚焦的数据。

最后，广播级镜头根据一帧控制指令调整完毕后，广播级镜头的控制端按照固定的周期会接收广播级镜头反馈的当前的镜头变倍值、聚焦值、光圈值、视场变倍值、色彩增益值，进行闭环的控制调整。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种远距离广播级摄像机高清镜头控制方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)接收操作端输入的、以模拟量形式表示的镜头变倍值、聚焦值和光圈值，以数字量表示的视场变倍值、色彩增益值，以及模式选择信号的状态；所述数字量通过IO接口进行接收；所述的模式选择信号的状态包括两种：一种是独立控制模式，此模式下可以分别独立调整变倍值和聚焦值；另一种是协调控制模式，此模式下变倍值和聚焦值同时调整以保证对同一物体的放大或者缩小；

(2)通过模数转换器对所述模拟量进行AD采样，得到以数字量的形式表示的镜头变倍值、聚焦值和光圈值；

(3)当模式选择信号为独立控制模式时，直接将以数字量形式表示的镜头变倍值、聚焦值、光圈值、视场变倍值、色彩增益值按位进行组帧，得到一帧控制指令并通过串口发送至广播级镜头的控制端；当模式选择信号为协调控制模式时，首先从广播级镜头的控制端获取当前的焦距值和倍率的比值，在执行聚焦操作时，根据以数字量形式表示的镜头聚焦值确定聚焦时单位焦距移动的数值大小，计算出单位变倍的数值大小并作为新的镜头变倍值，将新的镜头变倍值，以及步骤(1)和(2)中获取的数字量形式的聚焦值、光圈值、视场变倍值、色彩增益值按位进行组帧，得到一帧控制指令并通过串口发送至广播级镜头的控制端；

(4)在广播级镜头的控制端，对所述控制指令进行抽帧，获得以数字量形式表示的镜头变倍值、聚焦值、光圈值、视场变倍值、色彩增益值；对抽帧获得的以数字量形式表示的镜头变倍值、聚焦值、光圈值进行第一次偏置和电压变换，得到数模转换器输入范围内的数字量，然后经过DA转换、第二次偏置和电压变换，得到广播级镜头允许输入电压范围之内的以模拟量形式表示的镜头变倍值、聚焦值、光圈值送至广播级镜头的伺服端，驱动广播级镜头的变倍、聚焦和光圈运动；对抽帧获得的以数字量形式表示的视场变倍值、色彩增益值进行重新组帧，获得符合广播级镜头通讯协议的视场变倍数据帧以及色彩增益数据帧并送至广播级镜头的伺服端，驱动广播级镜头进行视场变倍或者色彩增益调整；

(5)广播级镜头根据一帧控制指令调整完毕后，广播级镜头的控制端按照固定的周期接收广播级镜头反馈的当前的镜头变倍值、聚焦值、光圈值、视场变倍值、色彩增益值，进行闭环控制。

2.根据权利要求1所述的一种远距离广播级摄像机高清镜头控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中按位进行组帧的方法为：将帧头作为数据帧的第一字节，将变倍值作为第二和第三字节，将聚焦值作为第四和第五字节，将光圈值作为第六和第七字节，色彩增益值作为第八字节的低四位数，视场变倍值作为第八字节的高四位数，将五种数据进行求和并将结果作为帧尾。

3.根据权利要求1或2所述的一种远距离广播级摄像机高清镜头控制方法，其特征在于：所述步骤(4)中送至广播级镜头的伺服端的模拟量和数字量采用两个不同的通道分别发送。