CN105488457B - 摄影机运动控制系统在电影拍摄中的虚拟仿真方法及系统 - Google Patents

摄影机运动控制系统在电影拍摄中的虚拟仿真方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种摄影机运动控制系统在电影拍摄中的虚拟仿真方法及系统，属于摄影机控制技术领域。本方法及系统使得电影创作者能在电影拍摄前期根据自己的操作习惯和视角及画面规划等更直观的去调整摄影机运动轨迹和画面顺序，利用三维虚拟仿真设计出让创作者满意的镜头效果，然后自动计算拟采用的摄影机运动控制系统的参数，精确控制摄影机镜头的空间坐标，从而提高了摄影机运动控制系统的交互性，节省了使用摄影机运动控制系统的镜头的拍摄成本，大大提高了影片数字制作的质量和效率。

Description

摄影机运动控制系统在电影拍摄中的虚拟仿真方法及系统
技术领域
本发明涉及摄影机运动控制虚拟仿真，具体的说，是在电影拍摄前期，针对摄影机运动控制系统拍摄镜头画面而设计的一种虚拟仿真的方法及系统，属于摄影机控制技术领域。
背景技术
随着近年来电影技术的发展，虚拟现实技术和增强现实技术开始渗透到了电影制作中，它打破了传统的电影制作的工作流程，提供了一种可交互的，实时的计划和创作电影的环境。比如，在电影拍摄计划阶段，使用动画建模软件搭建虚拟场景，配合运动捕获系统将跟踪的摄像机数据与虚拟场景中的虚拟摄影机进行绑定。这样，电影创作人员就能在这个阶段使用一些交互设备进行更加直观的、可视化的拍摄来实现他们的想法。这样就提高了电影前期制作的效率，使得创作者之间的交流更加方便和直观。这种制作方式就是电影虚拟化制作。
目前，电影虚拟化制作概念和流程仍然处于探索阶段，由于其自身的交互性和实时性的优势，使得电影虚拟化制作已经运用到了许多电影的实际制作中。摄影机运动控制系统(Motion Control System)是结合了软硬件设备的一套机械装置，它能够借助计算机准确控制机械装置的运动，从而达到摄影机在空间的定位，而这些轨迹数据又能不断精确的在空间重复，在电影特效合成领域有广泛的应用。Motion Control系统在数字制作中占有非常重要的作用，精确的重复拍摄使得电脑数字制作的质量和时间大大提高。例如MILOMoCo 13轴向摄影机运动控制系统，它能精确重复拍摄路径，捕捉现场任何细腻动作。国内如中国科学院计算技术研究所提出的专利授权号为ZL201010624277.3的“机器运动控制的摄像系统及其控制方法”，采用伺服电机驱动方式提高了拍摄的精确性，九个自由度的连接组建和云台的设计方式提高了系统的灵活性，提高了拍摄控制的稳定性和安全性。
但目前的摄影机运动控制系统过于笨重，拆装、托运都非常不便。现场还需要有专业的技术人员进行操作，虽然MoCo系统具有预览功能，拍摄前可以进行规划和预览，但是如果在拍摄现场对摄影机运动控制系统的空间运动轨迹进行设计和调整，非常浪费时间，再加上它昂贵的租赁费用，极大的增加了前期拍摄的成本。基于以上原因导致影片创作人员在使用摄像机运动控制系统操作时的诸多不方便，而在电影拍摄前期对于摄影机运动控制系统的仿真还没有一套成熟的方法。
发明内容
针对以上问题，本发明提出了一种对摄影机运动控制系统进行虚拟仿真的方法，以及根据该方法结合滑轨、升降臂、运动捕捉系统、三维动画软件构建的仿真系统。本方法及系统使得电影创作者能在电影拍摄前期根据自己的操作习惯和视角及画面规划等更直观的去调整摄影机运动轨迹和画面顺序，利用三维虚拟仿真设计出让创作者满意的镜头效果，然后自动计算拟采用的摄影机运动控制系统的参数，精确控制摄影机镜头的空间坐标，从而提高了摄影机运动控制系统的交互性，节省了使用摄影机运动控制系统的镜头的拍摄成本，大大提高了影片数字制作的质量和效率。
本发明提供了一种摄影机运动控制系统在电影拍摄中的虚拟仿真方法，包括以下步骤：
步骤1：架设摄影机实物模型，并跟踪和记录摄影机实物模型的位置与姿态；
步骤2：建立预定拍摄场景的三维模型，该三维模型空间数据与真实场景一致，并在该三维模型中设定虚拟摄影机的初始位置与姿态，该初始位置根据导演预定的画面规则设定；
步骤3：进行虚拟拍摄过程：移动摄影机实物模型，根据摄影机实物模型的位置与姿态改变量调整虚拟摄影机在预定拍摄场景的三维模型中做相对于场景的相同的位姿改变，即摄影机实物模型的运动轨迹与虚拟摄影机在场景的三维模型中的运动轨迹是一致的；在预定拍摄场景的三维模型中根据改变位姿后的虚拟摄影机的位置与姿态，进行虚拟摄影机仿真拍摄效果的实时预览；记录每一个虚拟拍摄过程中虚拟摄影机在所述三维模型中的运动轨迹；
步骤4：根据该仿真拍摄效果对摄影机实物模型的位姿以及虚拟摄影机在三维模型中的初始位置与姿态进行调整；直到三维模型中虚拟摄影机仿真拍摄效果达到导演要求；保存该虚拟拍摄过程中虚拟摄影机在所述三维模型中的运动轨迹；
步骤5：根据步骤4获得的摄影机运动轨迹数据以及预计使用的摄影机运动控制系统的参数和模型，计算采用该摄影机运动控制系统实现所述仿真拍摄效果所需要的每时刻下的各关节位姿数据；
步骤6：所获得的每时刻下摄像机运动控制系统各关节的姿态数据，用于在真实拍摄中操作摄像机运动控制系统。
作为优选，步骤5采用冗余机器人的逆向运动学方法计算采用该摄影机运动控制系统实现所述仿真拍摄效果所需要的每时刻下的各关节位姿数据。
作为优选，所述三维模型采用MAYA软件建立。
作为优选，步骤5中摄影机运动控制系统的模型采用milo模型。
根据上述方法，本发明提供的一种摄影机运动控制系统在电影拍摄中的虚拟仿真系统，包括：跟踪模块、数据处理模块、交互预演模块、显示模块；
其中跟踪模块包括：运动捕获系统，数据传输接口1；
数据处理模块包括：数据传输接口2、运算模块；
交互预演模块包括：升降臂、底座、云台、滑轨、摄影机实物模型；
显示模块包括：虚拟场景显示模块、拍摄效果预览模块；
将滑轨放置于地面，将升降臂固定在底座上，底座放置于滑轨上，底座可沿滑轨滑动，然后将云台固定于升降臂末端，将摄影机实物模型固定于云台上；将滑轨放置于运动捕获系统的采集范围之内；
运动捕获系统通过数据传输接口1与数据处理模块的数据传输接口2相连，数据传输接口2与运算模块相连；运算模块与显示模块相连。
作为优选，运动捕获系统采用Optirack光学运动捕获系统。
作为优选，在摄影机实物模型上固定多个标志点。
作为优选，数据传输接口1向数据传输接口2以UDP组播形式发送数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)此发明有助于电影主创人员更方便的设计调整使用摄影机运动控制系统拍摄的镜头，增加了电影拍摄前期镜头设计的灵活性，使得摄影机控制系统交互性更强。
(2)节省了摄影机运动控制系统的使用成本。因为摄影机运动控制系统体积大、运输不方便，还需要专业的操作人员，而且租赁费用昂贵。此仿真方法使得电影创作人员不用亲自去实际的拍摄场地，就能精确的设计出满意的镜头，比起实际现场操作摄影机运动控制系统要更加方便。
(3)电影拍摄效率对电影创作者来说至关重要，尤其是使用摄影机控制系统进行复杂镜头的拍摄，效率要求更高。通过使用本虚拟仿真方法，既提高摄影机控制系统拍摄镜头的效率，又节省了主创人员的时间成本。提高了影片数字制作的质量和效率。
附图说明
图1为本发明提供的一种摄影机运动控制系统在电影拍摄中的虚拟仿真系统框图；
图2为交互预演模块的一个实例示意图；其中1-摄影机实物模型，2-简易升降臂，3-滑轨；
图3为摄影机实物模型上贴有四个反光点的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明，同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题、原理及有益效果。
本发明的目的是增强摄影机运动控制系统的交互性，从而节省电影拍摄成本，提高拍摄的效率，提出了一种摄影机运动控制系统在电影拍摄中的虚拟仿真方法及系统。
为了实现上述的目的，本发明提供的摄影机运动控制系统在电影拍摄中的虚拟仿真方法包括如下步骤：
步骤1：架设摄影机实物模型，并跟踪和记录摄影机实物模型的位置与姿态；
步骤2：建立预定拍摄场景的三维模型，本实施例中采用三维动画软件Maya；该三维模型空间数据与真实场景一致(实物的空间数据与maya的空间参数是完全对应的)；并在该三维模型中设定虚拟摄影机的初始位置与姿态，该初始位置根据导演预定的画面规则设定；
步骤3：进行虚拟拍摄过程：移动摄影机实物模型，根据摄影机实物模型的位置与姿态改变量调整虚拟摄影机在预定拍摄场景的三维模型中做相对于场景的相同的位姿改变，即摄影机实物模型的运动轨迹与虚拟摄影机在场景的三维模型中的运动轨迹是一致的；实现时把摄影机实物模型的数据直接赋值给三维动画软件中的虚拟摄像机，保证导演在操作摄影机实物模型的同时，能够身临其境的操作虚拟摄像机；
在预定拍摄场景的三维模型中根据改变位姿后的虚拟摄影机的位置与姿态，进行虚拟摄影机仿真拍摄效果的实时预览；记录每一个虚拟拍摄过程中虚拟摄影机在所述三维模型中的运动轨迹(即摄影机实物模型在虚拟拍摄过程中的运动数据，二者是一致的)；
步骤4：根据该仿真拍摄效果对摄影机实物模型的位姿以及虚拟摄影机在三维模型中的初始位置与姿态进行调整；直到三维模型中虚拟摄影机仿真拍摄效果达到导演要求；保存该虚拟拍摄过程中虚拟摄影机在所述三维模型中的运动轨迹；
步骤5：根据步骤4获得的摄影机运动轨迹数据以及预计使用的摄影机运动控制系统的参数和模型，计算采用该摄影机运动控制系统实现所述仿真拍摄效果所需要的每时刻下的各关节位姿数据。
所述摄影机运动控制系统是指真实摄影机控制机器人，例如milo moco。摄影机运动控制系统是一个多刚体耦合系统，多刚体机器人系统的姿态是指每一个关节的运动系统，比如机器人有5节，那么知晓每一个关节处的角度就能描述这个机器人系统的状态。采用冗余机器人的逆向运动学方法反算采用该摄影机运动控制系统实现所述仿真拍摄效果所需要的每时刻下的机器人各关节位姿数据，逆向运动学方法可参见“王英石，冗余机器人的运动学及轨迹规划的研究[D]；南开大学；2014”。
反算实际拍摄所需机器人各关节每时刻位姿数据，只需要该时刻虚拟摄影机的位姿数据。摄影机实物模型的运动数据与虚拟摄影机在虚拟场景中的运动轨迹是一致的，因为虚拟摄影机在虚拟场景中的运动轨迹就是摄影机实物模型的运动数据赋值过去的。反算过程的实例，在各种论文中都有，不同结构的机器人其反算过程是不一样的。利用反算出来的摄影机运动控制系统各个关节轴的运动数据即可在实际拍摄过程中控制摄影机位姿。冗余机器人的逆向运动学求解方法是在现代机器人中领域的成熟方法，只是不同结构的机器人具体参数不同，如见祖迪2005，机械工程学报41(6)《一种冗余机器人逆运动学求解的有效方法》。
步骤6：所获得的每时刻下摄像机运动控制系统各关节的姿态数据，用于在真实拍摄中操作摄像机运动控制系统。
根据上述方法，本发明提供的一种摄影机运动控制系统在电影拍摄中的虚拟仿真系统，包括：跟踪模块、数据处理模块、交互预演模块、显示模块；
其中跟踪模块包括：运动捕获系统，数据传输接口1；
数据处理模块包括：数据传输接口2、运算模块；
交互预演模块包括：升降臂、底座、云台、滑轨、摄影机实物模型；
显示模块包括：虚拟场景显示模块、拍摄效果预览模块；
使用时，将滑轨放置于地面，将升降臂固定在底座上用于改变摄影机实物模型的位置和姿态，底座放置于滑轨上，底座可沿滑轨滑动，然后将云台固定于升降臂末端，将摄影机实物模型固定于云台上；将滑轨放置于运动捕获系统的采集范围之内；所述摄影机实物模型不需要实现任何摄像机的功能，它甚至可以是一个长方体木块；
运动捕获系统通过数据传输接口1与数据处理模块的数据传输接口2相连，数据传输接口2与运算模块相连；运算模块与显示模块相连。运动捕获系统，用于捕捉摄影机实物模型的运动轨迹与姿态，一般在摄影机实物模型上需要安放一些标志物，如光学运动捕获系统需要在跟踪目标上固定数个Marker点。本实施例中运动捕获系统使用了Optirack光学运动捕获系统。这套运动捕获系统由八台红外摄像头和相应的管理软件motive组成。在三维动画软件中编写插件，根据相应的运动捕获系统提供的硬件接口及相关软件开发工具包(SDK，Software Development Kit)接收摄影机实物模型在空间的运动数据，包括它的位置数据和姿态数据。使用的三维动画软件为maya，在maya中通过三维建模的方式创建了摄影机运动控制系统的模型，本例中使用的是目前影视行业使用比较广泛的milo模型，并在虚拟场景中创建了虚拟摄影机。虚拟摄影机首先与摄影机运动控制系统摄影机运动控制系统中的三维模型摄影机绑定。
实施时，将得到的摄影机实物模型运动数据与三维动画软件虚拟场景中的虚拟摄影机绑定。具体来说，将运动捕获系统捕捉到的摄影机实物模型在空间的运动位姿数据发送给三维动画软件，并进一步将将动作捕获系统中的运动位姿数据赋值给三维动画软件虚拟场景中的虚拟摄像机上所述运动位姿数据包括位置与姿态，简称位姿，也就是“位置数据与旋转数据”，具体来说：
根据三维动画软件中模拟的真实拍摄场景，按照导演要求，通过移动简易升降臂、调整云台，设计真实拍摄时的摄影机在空间的运动轨迹与姿态，并能在三维动画软件中进行拍摄效果的实时预览。
得到三维动画软件虚拟场景中的虚拟摄影机运动位姿数据后，使用冗余机器人的逆向运动学方法计算出摄影机运动控制系统模型(指真实摄影机控制机器人的多刚体耦合系统)的姿态，即机器人各关节的运动位姿数据，也就是摄像机运动控制系统的姿态数据，用于操作摄像机运动控制系统进行真实拍摄。
图2所示的一个实例中，本发明所述系统使用了滑轨、简易升降臂，云台。
底座长50cm宽50cm。简易升降臂长300cm，配重为2.5kg。
摄影机实物模型上贴有四个反光点。用来跟踪摄影机实物模型实体模型空间位置的，如图3。
结合本实施例，分别介绍摄影机运动控制虚拟仿真系统的功能。
(1)跟踪模块，包括optitrack光学运动捕获系统和数据传输接口1。为了捕获姿态信息，摄影机实物模型贴有四个反光点，光学运动捕获系统通过红外摄像头捕捉反光点的位置信息，经过计算，得到摄影机实物模型在空间的运动位姿数据，包括位置与姿态。
(2)数据处理模块，包括运算模块和数据传输接口2，用于接收摄影机实物模型运动数据，以及计算摄像机运动控制系统的运动参数。本例中将光学运动捕获系统获得的摄影机实物模型数据以UDP组播形式在发送给运算模块，并将其数据与场景中虚拟摄影机绑定。然后根据虚拟拍摄过程中虚拟摄影机的运动轨迹使用逆向运动学方法求解摄像机运动控制系统的状态，即各关节的运动位姿数据。
(3)交互预演模块，包括简易升降臂、滑轨、底座、云台、摄影机实物模型。用户可以通过旋转简易升降臂或者移动简易升降臂设计自己所需要的拍摄镜头轨迹，并在显示模块通过动画软件实时观看预览效果。
(4)显示模块，包括虚拟场景显示模块、拍摄效果预览模块；用户在三维动画软件中既可以实时看到摄像机实物模型的在虚拟场景的位置并交互调节，也可以通过显示设备实时观看到虚拟摄影机在虚拟场景中的姿态，进一步能够预览此时虚拟摄像机拍摄出的效果。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换和替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.摄影机运动控制系统在电影拍摄中的虚拟仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：架设摄影机实物模型，并跟踪和记录摄影机实物模型的位置与姿态；
步骤2：建立预定拍摄场景的三维模型，该三维模型空间数据与真实场景一致，并在该三维模型中设定虚拟摄影机的初始位置与姿态，该初始位置根据导演预定的画面规则设定；
步骤3：进行虚拟拍摄过程：移动摄影机实物模型，根据摄影机实物模型的位置与姿态改变量调整虚拟摄影机在预定拍摄场景的三维模型中做相对于场景的相同的位姿改变，即摄影机实物模型的运动轨迹与虚拟摄影机在场景的三维模型中的运动轨迹是一致的；在预定拍摄场景的三维模型中根据改变位姿后的虚拟摄影机的位置与姿态，进行虚拟摄影机仿真拍摄效果的实时预览；记录每一个虚拟拍摄过程中虚拟摄影机在所述三维模型中的运动轨迹；
步骤4：根据该仿真拍摄效果对摄影机实物模型的位姿以及虚拟摄影机在三维模型中的初始位置与姿态进行调整；直到三维模型中虚拟摄影机仿真拍摄效果达到导演要求；保存该虚拟拍摄过程中虚拟摄影机在所述三维模型中的运动轨迹；
步骤5：根据步骤4获得的摄影机运动轨迹数据以及预计使用的摄影机运动控制系统的参数和模型，计算采用该摄影机运动控制系统实现所述仿真拍摄效果所需要的每时刻下的各关节位姿数据；
步骤6：所获得的每时刻下摄像机运动控制系统各关节的姿态数据，用于在真实拍摄中操作摄像机运动控制系统。
2.根据权利要求1所述摄影机运动控制系统在电影拍摄中的虚拟仿真方法，其特征在于，步骤5采用冗余机器人的逆向运动学方法计算采用该摄影机运动控制系统实现所述仿真拍摄效果所需要的每时刻下的各关节位姿数据。
3.根据权利要求1所述摄影机运动控制系统在电影拍摄中的虚拟仿真方法，其特征在于，所述三维模型采用MAYA软件建立；
其中，MAYA软件中的三维模型空间数据与真实场景一致，即实物的空间数据与MAYA的空间参数是完全对应的，并在该三维模型中设定虚拟摄影机的初始位置与姿态，该初始位置根据导演预定的画面规则设定。
4.根据权利要求1所述摄影机运动控制系统在电影拍摄中的虚拟仿真方法，其特征在于，步骤5中摄影机运动控制系统的模型采用milo模型；
其中，milo模型是目前影视行业使用比较广泛的摄影机运动控制系统的模型，在MAYA软件中通过三维建模方式创建。
5.摄影机运动控制系统在电影拍摄中的虚拟仿真系统，其特征在于，包括：跟踪模块、数据处理模块、交互预演模块、显示模块；
其中跟踪模块包括：运动捕获系统，数据传输接口1；
数据处理模块包括：数据传输接口2、运算模块；
交互预演模块包括：升降臂、底座、云台、滑轨、摄影机实物模型；
显示模块包括：虚拟场景显示模块、拍摄效果预览模块；
将滑轨放置于地面，将升降臂固定在底座上，底座放置于滑轨上，底座可沿滑轨滑动，然后将云台固定于升降臂末端，将摄影机实物模型固定于云台上；将滑轨放置于运动捕获系统的采集范围之内；
运动捕获系统通过数据传输接口1与数据处理模块的数据传输接口2相连，数据传输接口2与运算模块相连；运算模块与显示模块相连。
6.根据权利要求5所述的摄影机运动控制系统在电影拍摄中的虚拟仿真系统，其特征在于，运动捕获系统采用Optirack光学运动捕获系统；
其中，Optirack光学运动捕获系统由八台红外摄像头和相应的管理软件组成。
7.根据权利要求6所述的摄影机运动控制系统在电影拍摄中的虚拟仿真系统，其特征在于，在摄影机实物模型上固定多个标志点。
8.根据权利要求5所述的摄影机运动控制系统在电影拍摄中的虚拟仿真系统，其特征在于，数据传输接口1向数据传输接口2以UDP组播形式发送数据。
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