CN1105329C - 六自由度摄像机运动姿态记录系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于对图像信号的加工处理。为解决已有的摄像机只能记录图像信号而不能记录摄像机动作姿态信号的问题特提出本方案。该记录系统包括专用的工作平台和记录及调制电路所组成。专用的工作平台由上平台、下平台、六个定子、六个动子、动子定子与平台的连接部件、定子动子之间的阻尼物及位移传感器所组成，摄像机安装在上平台上，拍摄时摄像机的各种姿态和角度的变化经各位移传感器取出位移信号，该信号经放大、整形后输入合成器与同步的图像信号调制叠加成为复合信号。在放映时从复合信号中分捡出位移信号，再将此信号加在观众席的运动平台上，观众可以逼真地欣赏到运动与图像内容完全同步的立体图像了，确有身临其境的真实感觉。

Description

六自由度摄像机运动姿态记录系统

技术领域：本发明属于对图象信号的加工处理，它具体涉及一种新型的将取出的摄像机运动姿态信号同步地附加在视频图象信号上的记录系统的结构。

背景技术：一般的摄像机只能记录所拍摄的图像，不能记录该摄像机在拍摄图像时的运动姿态。当人们观看此片时不免觉得图像尚有死板、贪乏，缺少趣味感，若能使摄像机在记录图像信号的同时记录下摄像机的运动姿态信号，在该片放映时让观众以同样的运动规律观看，则必然有身临其境的感觉，感到比已有的影片更加生动活泼，再配以立体影和立体的环场声的设施则使观众的临场感觉更加强烈，真正达到“虚拟实境”的目的，能得到更大的享受和满足。

发明内容：本发明的目的是为解决前述的观看带有摄像机运动姿态信号的影片给观众以最大的满足，特提出本方案--------六自由度摄像机运动姿态记录系统，它采用机电结合的手段在支撑摄像机的平台上记录下摄像机拍摄过程的各种运动姿态变化的信号，并将它调制加在与其同步的图像信号上。

按如上构思，本方案所提供的六自由度摄像机运动姿态记录系统的特征特征是：该记录系统是由专用的工作平台和记录及调制电路所组成，其专用的工作平台包括上平台、下平台及中间的支撑部分，它的摄像机装在上平台上，它的固定基座是下平台，在上下平台之间用多个成相互滑动配合关系的定子和动子所支撑，动子与定子之间设有阻尼物，在各定子和动子配合体上都设有位移传感器的传感元件，各配合体的位移信号经加工调制在同步的视频图像信号上。

在本方案中，它的定子有6个，动子有6个，定子端头与定子固定支架铰接，各定子的固定支架与定子固定盘的垂直轴相铰接，各定子固定盘与下平台固定连接，各定子固定支架通过其侧耳上的孔与两个定子下端的孔相铰接，两定子轴线在固定盘垂直轴线方向上的投影夹角为120°，在各固定支架上连接的两定子或动子之间的空间角度为60°；各动子端头与动子固定支架铰接，各动子固定支架与动子固定盘的垂直轴铰接，各动子固定盘与上平台的下面固定连接，各动子端通过孔与动子固定支架的侧耳相铰接，其动子与动子固定支架及动子固定盘的连接与定子的有关部分相同。各定子动子间的阻尼物可以是弹簧、液压油或压缩空气，各定子动子配合体中的阻尼物、阻尼效果完全相同，使定子和动子之间成平衡的取中状态。各定子固定盘与下平台固定连接后三个固定盘垂直轴心形成一个等边三角形，三个动子固定盘的垂直轴心也成一等边三角形，该两个等边三角形相等，处于平衡状态时两个三角形的几何形心的投影应重合，但相位相差180°。它的6个位移传感器可以是电磁传感器、光电传感器、微波传感器或电阻传感器，它的感受元件附加在定子和动子上，输出的位移信号可以是模拟信号，也可以被处理为数字信号，可以用模拟信号的方式记录也可以用数字信号的方式记录，可连续记录也可抽样记录。它的加工调制电路是由位移传感电路、放大电路、整形电路、取样电路及合成电路几部分所构成，各定子上的传感器的信号传至各位移信号的放大电路，经整形电路处理后送入取样电路取出的位移信号与同步的视频信号共同送入信号合成器，取样电路与信号合成器的运行都受同步信号的控制，合成器输出的是带有视频信号及与视频信号同步的摄像机位移信号的复合信号，其位移信号加在视频场消隐信号的后肩或行消隐信号的后肩上。它的位移信号可连续地、独立地记录在记录媒体上，同时将图像信号的时间码也同步记录下来；各位移信号可以以模拟方式被调制在不同频率的载波上，并被连续记录在彩色全电视的音轨上。

采用本方案能体现如下的优越性：①本系统是将摄像机固定在上平台上，工作时能将摄像机运动姿态用六个自由度变化的数据准确地做出记录，而且把记录下的信号调制叠加在同步的视频图像的场消隐信号或行消隐信号的后肩，这种全面真实的反映图像信号及与其同步的摄像机运动姿态的复合信号是前人没有做到的；②在放映时从复合信号中解调出摄像机拍摄时的运动姿态在六个自由度上变化的数据，将它加在观众观看席的运动平台上，使观看席平台做与摄像机拍摄时相同的运动姿态，如此观众感受到的图像就与摄像师的感觉相同，与一般影片的观看相比有更加生动活泼的感觉，这种数据的叠加和捡出能准确真实地再现原有的生动场面，使观众有真实感，无失真难受的感觉，这种生动的再现也是前人没有做到的；③本系统的操作和实现的途径很宽，在摄像机平台的动子与定子之间的位移传感器可以是电磁传感器、光电传感器、微波传感器或电阻传感器；动子与定子之间的阻尼物可以是液压油、压缩空气或弹簧的形式；在摄像机工作平台上取出的运动姿态信号可用模拟信号记录，也可以处理为数字信号记录，可连续记录，也可抽样记录；该记录还可以连续地、独立地与图像信号的时间码同时记录在记录媒体上供播放时使用；其位移记录的信号还能以模拟信号的方式被调制在不同频率的载波上，并被连续地记录在彩色全电视的音轨上等等，给使用者创造出广阔地实施条件和手段；④它具有优越的效果，又有广阔的实施条件，新颖性好、创造性高，值得推广使用。

附图说明：

图1、图2、图3是本方案六自由度摄像机运动姿态记录系统的结构示意图。图1是主视图，图2是图1的侧视图，图3是图1的俯视图。

图4、图5是动子固定支架与动子固定盘连接关系的结构示意图。图5是4的俯视图。

图6是动子与动子固定支架连接情况的结构示意图。

图7是位移传感器与动子、定子之间关系的结构示意图。

图8是该记录系统的电原理图。

图9是视频图像信号一个周期内的结构示意图。

图10是各位移信号叠加在视频信号上的结构示意图。

图11是摄影车的结构示意图。

图12是观看席运动平台的结构示意图。

具体实施方式：该六自由度摄像机运动姿态记录系统是由专用的工作平台和记录及调制电路所组成。本系统中的专用平台包括上平台70和下平台71及中间的支撑部分，支撑部分包括六个动子5、六个定子2、三个定子固定支架4、三个定子固定盘7、三个动子固定支架3、三个动子固定盘6、动子与定子间的阻尼物12、附在动子及定子上的位移传感器的传感元件11和17所组成。它的摄像机1是个立体摄像机，由两台平行放置且间距与人眼间距相同的摄像机组成的，摄像机固定在上平台上，六个动子和六个定子之间是滑动的配合关系，相似于汽缸与活塞的关系，各动子与定子之间都设有阻尼物，该阻尼物可以是液压油、压缩空气或弹簧，六个动子内的阻尼物质、阻尼方式和阻尼效果完全一样，在平时的平衡状态下动子保持在中间位置，在外力的作用下动子能自由运动。每两个定子与一个定子固定支架相连，定子通过下端的孔10与定子固定支架4两个侧耳上的孔13、14相铰接，定子固定支架的中间有孔与定子固定盘上的垂直轴15相铰接，定子固定支架的两个侧耳的轴线在中间孔中心线的投影方向上成120°的夹角，定子固定盘固定在下平台上，三个定子固定盘的垂直轴的中心位于等边三角形的顶点上，在平衡状态下两定子的轴线成60°的空间角度。在动子方面的连接关系以及中间各件的形状都与定子的有关部分相同，每两个动子通过其端点的孔16与动子的固定支架的两侧耳相铰接，动子固定支架与动子固定盘的中间垂直轴相铰接，动子固定盘固定安装在上平台下面，三个动子固定盘的垂直轴中心位于一等边三角形的顶点，此三角形与定子固定盘的等边三角形相等，在平衡状态时两等边三角形的几何形心的投影相重合，但两三角形的相位相差180°。在各对动子定子配合体上都装有位移传感器的传感元件11、17。拍摄时根据需要，摄像机做出各种姿态、角度的变化，此变化通过六个位移传感受器取出信号给予记录。

它的调制加工电路由六个位移传感器19～24、六个放大电路25～30、六个整形电路31～36、取样电路37、合成器39组成。自各位移传感器取出的位移信号经各自的放大电路传给整形电路，再送至取样电路，在视频同步信号40的作用下取出应有的信号45与同步的图像信号送至合成器合成，输出的是带有同步的摄像机运动姿态信号与视频图像信号的复合信号37。从视频图像信号的结构图中可知，在场同步头或行同步头41之后有场消隐信号或行消隐信号42，其信号的宽度为44，位移信号必须叠加在此区域，且不能破坏彩色副载波信号，视频图像信号43位于场或行的消隐信号之后。六个动子位移信号叠加后就呈现为图10的结构，各动子的位移信号46～51叠加在场消隐或行消隐信号的区域内，它们的大小反映了各动子的运动幅度。另外，运动姿态信号也可以独立地记录在记录媒体上，也可以经六路载波调制后记录在全电视信号的音轨上，记录时应同时记录时间码，以保证运动姿态信号能严格地与图像信号同步。全部运动姿态信号可以用模拟量记录，也可用数字量记录。

实际拍摄与放映时的情况简化为图10和图11。其立体摄像机57装在专用工作平台58上，该平台装在摄影车61上，摄像机上有寻像器55供摄影师56使用，摄影车上还有电源系统60和视频信号和运动姿态信号的记录装置59。记录装置记录下带有图像信号和同步的摄像机位移信号的复合信号。放映时，放映场内设有观看席的运动平台67、屏幕65、液压动力泵系统66、运动平台的受控电磁阀系统69、播放系统68及投影仪63，播放系统供给投影仪以视频信号，以便放出立体影图像，还将分捡出的摄像机运动姿态信号传送给控制电磁阀系统，将液压动力加在运动平台的相关部位，观众席的运动平台的运动机构与摄像机的专用工作平台的运动机构相同，运动平台即按拍摄时所记录的摄像机位移信号的规律运动，观众64坐在观众席的运动平台上配戴液晶分时开关眼镜在运动状态下观看立体图像62，就可以逼真地欣赏到运动与图像内容完全同步的立体图像了。同样，运动姿态的记录系统也可用于普通的平面摄像机运动姿态的记录上，放映时也能同样看到显示逼真的同步动感的画面。

Claims (7)

1.一种六自由度摄像机运动姿态记录系统，其特征是该记录系统是由专用的工作平台和记录及调制电路所组成，其专用的工作平台包括上平台、下平台及中间的支撑部分，它的摄像机(1)装在上平台(70)上，它的固定基座是下平台(71)，在上下平台之间用多个成相互滑动配合关系的定子(5)和动子(2)所支撑，动子与定子之间设有阻尼物(12)，在各定子和动子配合体上都设有位移传感器的传感元件(11、17)，各配合体的位移信号经加工调制在同步的视频图像信号上。

2.按照权利要求1所述的六自由度摄像机运动姿态记录系统，其特征是它的定子有6个，动子有6个，定子端头与定子固定支架(4)铰接，各定子的固定支架与定子固定盘(7)的垂直轴(15)相铰接，各定子固定盘与下平台固定连接，各定子固定支架通过其侧耳上的孔(13、14)与两个定子下端的孔(10)相铰接，两定子轴线在固定盘垂直轴线方向上的投影夹角为120°，在各固定支架上连接的两定子或动子之间的空间角度为60°；各动子端头与动子固定支架(3)铰接，各动子固定支架与动子固定盘(6)的垂直轴铰接，各动子固定盘与上平台(70)的下面固定连接，各动子端通过孔(15)与动子固定支架的侧耳相铰接，其动子与动子固定支架及动子固定盘的连接与定子的有关部分相同。

3.按照权利要求1所述的六自由度摄像机运动姿态记录系统，其特征是各定子动子间的阻尼物可以是弹簧、液压油或压缩空气，各定子动子配合体中的阻尼物、阻尼效果完全相同，使定子和动子之间成平衡的取中状态。

4.按照权利要求1所述的六自由度摄像机运动姿态记录系统，其特征是各定子固定盘与下平台固定连接后三个固定盘垂直轴心形成一个等边三角形，三个动子固定盘的垂直轴心也成一等边三角形，该两个等边三角形相等，处于平衡状态时两个三角形的几何形心的投影应重合，但相位相差180°。

5.按照权利要求1所述的六自由度摄像机运动姿态记录系统，其特征是它的6个位移传感器可以是电磁传感器、光电传感器、微波传感器或电阻传感器，它的感受元件附加在定子和动子上，输出的位移信号可以是模拟信号，也可以被处理为数字信号，可以用模拟信号的方式记录也可以用数字信号的方式记录，可连续记录也可抽样记录。

6.按照权利要求1所述的六自由度摄像机运动姿态记录系统，其特征是它的加工调制电路是由位移传感电路、放大电路、整形电路、取样电路及合成电路几部分所构成，各定子上的传感器(29～24)的信号传至各位移信号的放大电路(25～30)，经整形电路(31～36)处理后送入取样电路(37)取出的位移信号(45)与同步的视频信号(38)共同送入信号合成器(39)，取样电路与信号合成器的运行都受同步信号(40)的控制，合成器输出的是带有视频信号及与视频信号同步的摄像机位移信号的复合信号，其位移信号加在视频场消隐信号的后肩或行消隐信号的后肩上。

7.按照权利要求1所述的六自由度摄像机运动姿态记录系统，其特征是它的位移信号可连续地、独立地记录在记录媒体上，同时将图像信号的时间码也同步记录下来；各位移信号可以以模拟方式被调制在不同频率的载波上，并被连续记录在彩色全电视的音轨上。

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