CN111147840A - 一种3d摄像摇臂的视音频采集自动控制与通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种3D摄像摇臂的视音频采集自动控制与通信系统,其包括控制系统、摄像机、麦克风及依次连接的摇臂电动云台、电动伸缩摇臂和摄相机调整机构,摄像机、麦克风、摇臂电动云台、电动伸缩摇臂和摄相机调整机构均电连接于控制系统;控制系统包括主机、3D监视器、键盘控制器、解码器、3D眼镜、无线发射器和无线接收器;其中键盘控制器、3D监视器和无线发射器连接于主机,无线接收器设于远端与无线发射器配合,摄像机和麦克风电连接于主机;解码器的输入端连接于键盘控制器,解码器的输出端连接于摇臂电动云台、电动伸缩摇臂、电动滑块、摄像机电动云台和摄像机。本发明实现3D摄像摇臂的自动控制和视频采集,控制效果好。

Description

一种3D摄像摇臂的视音频采集自动控制与通信系统
技术领域
本发明涉及机电一体化和通信技术领域,具体涉及一种3D摄像摇臂的视音频采集自动控制与通信系统。
背景技术
摄像摇臂在电影、电视、婚礼、广告等节目拍摄大量采用,在信息技术高速发展的时代,人们对视觉影像的追求越来越高,传统的2D影视已不能满足人们的需求,更希望有一种身临其境的3D立体感。
目前,各种家庭立体播放设备如3D电视、3D投影仪等已成为普通大众选购的家用电器,大有取代传统影视播放设备的趋势。3D摄像摇臂目前在市场上很少看到,而3D视频在采集、制作、存贮、传输、显示等各环节较为复杂,没有统一的技术标准和产品样式;传统的3D 摄像拍摄是较为复杂的工作,需要多名摄像师手动操作和调节不同的部件。
鉴于此,为克服上述缺陷,提供一种3D摄像摇臂的视音频采集自动控制与通信系统成为本领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种3D摄像摇臂的视音频采集自动控制与通信系统,实现3D 摄像摇臂的自动控制和视频采集,控制效果好,降低获取3D视频的工作复杂度,提高3D视频采集质量。
为解决以上技术问题,本发明的技术方案为:一种3D摄像摇臂的视音频采集自动控制与通信系统,包括控制系统、摄像机、麦克风及依次连接的摇臂电动云台、电动伸缩摇臂和摄相机调整机构,摄像机、麦克风、摇臂电动云台、电动伸缩摇臂和摄相机调整机构均电连接于控制系统;
其中,摇臂电动云台用于驱动电动伸缩摇臂水平旋转运动,电动伸缩摇臂用于驱动摄相机调整机构上下运动,摄相机调整机构用于安装两台摄像机并调整两台摄像机之间的间距和夹角,摄相机调整机构包括滑轨和滑动设置在滑轨上的两个电动滑块,滑轨与摇臂电动云台连接,两个电动滑块上均安装有摄像机电动云台;摄像机和麦克风设于摄像机电动云台上用于采集视频和音频;
控制系统包括主机、3D监视器、键盘控制器、解码器、3D眼镜、无线发射器和无线接收器;其中键盘控制器、3D监视器和无线发射器连接于主机,无线接收器设于远端与无线发射器配合,摄像机和麦克风电连接于主机;解码器的输入端连接于键盘控制器,解码器的输出端连接于摇臂电动云台、电动伸缩摇臂、电动滑块、摄像机电动云台和摄像机;
所述主机中设有摄像位姿调整模块和3D视频模块;所述键盘控制器工作时,启动测距模块,测量得到拍摄对象与摄像摇臂之间的距离,根据测距结果,确认选择场景及特效;接着启动摄像机间距与拍摄夹角控制模块,用于控制两摄像机拍摄状态,然后摄像机开始拍摄;测距模块采用主动双目技术测量拍摄对象与电动伸缩摇臂之间的距离;摄像机间距与拍摄夹角控制模块用于根据3D视频的场景及特效计算并调整摄像机间距与拍摄夹角;自动平衡模块用于保证在运动状态下拍摄时获取平稳的视频画面。
按以上方案,所述摄像位姿调整模块中存储不同应用场景的拍摄参数,采用D-H矩阵变换方法将摄像机拍摄的图像上的点坐标矩阵变换得到被摄物体在世界坐标系下的点坐标,建立被摄物体在世界坐标系下的三维重建,使摄像机采集的视频画面和虚拟演播室的背景场景保持同步变化。
按以上方案,所述3D视频模块用于获取两台摄像机拍摄的左右通道视频,以左右格式存贮于主机硬盘中;3D视频模块中还设有用于产生背景场景的虚拟演播室。
按以上方案,所述摄像机镜头一侧安装有红外激光发射器,它发射的光束平行于镜头光心;测距模块通过控制红外激光发射器电源开关,发射的红外光束遇到被测物体后将会反射回来,反射回来的光线可被摄像机的镜头靶面检测到;由于镜头光心与红外激光发射器的光心距离X、摄像机的焦距f以及通过成像光斑与光心距离L已知,可求出摄像镜头与拍摄目标之间的距离D=f+fX/2L;对两台摄像机测量的距离D求平均,可得平均距离值。
按以上方案,所述摄像机间距与拍摄夹角控制模块根据3D视频的场景及特效获取摄像机间距和两摄像机拍摄夹角关系;假设P为世界坐标系中的点,P1和P2是点P在左右摄像平面上的成像点,f是焦距,OL和OR是左右摄像机的光心,距离为b,左右两台摄像机的光轴平行,XR和XL是两个成像点在左右两个像面上距离图像边缘的距离,长为L的两条线段表示的是左右摄像的像面;视差就是XR-XL或者是XL-XR;由于f,b,XR,XL都能够得到,那么物体的景深Z和物体的视差关系为
该公式包含了视差XR-XL和两摄像机之间夹角的关系,可以控制3D视频的出屏与入屏效果。
按以上方案,电动滑块和摄像机电动云台之间设有自动平衡电路板;自动平衡电路板包括微处理器、陀螺仪传感器和电机驱动模块;陀螺仪传感器包括三轴角速度计和三轴角加速度计,动态采集摄像机空间上三个方向的位置矢量传输至微处理器,微处理器通过电机驱动模块控制摄像机电动云台两个方向的电机转动,一个用于水平转动,另一个用于上下转动;微处理器型号采用意法半导体的STM32或TI的MSP430;陀螺仪传感器型号可采用MPU 6050、MPU6500或MPU3050,通过I2C接口与微处理器连接。
按以上方案,所述键盘控制器中还包括自动平衡模块;在摄像机开始拍摄时,如果为运动状态拍摄,可启动自动平衡模块;自动平衡模块用于保证在运动状态下拍摄时获取更平稳的视频画面;自动平衡模块为根据陀螺仪传感器测量的摄像机在三维世界中的运动加速度,对加速度进行时间积分就可得到旋转角速率,再对旋转角速率进行时间积分,得到旋转角度;具体为,在离散域下,陀螺仪传感器测得的角速度用ωi表示,摄像机采样周期用Δt表示,则 t0到t1时刻的旋转角度Δθ可表示为:求得摄像机绕不同轴旋转的角度信息,获取摄像机运动时绕不同坐标轴旋转的角速率以及时间戳信息,将结果反馈到摄像机电动云台,使摄像机动态跟踪目标,从而获取平稳的图像。
按以上方案,所述键盘控制器以主控器为中心,外围包括键盘、摇杆和多种通信接口;主控器可采用意法半导体的STM32或TI的MSP430;键盘用于设置各种控制模式及参数预置;摇杆用于在手动操作运动状态;通信接口包括用于连接各运动执行机构的控制端子的有线通信接口和用于与主机进行无线通信连接进行无线遥控操作的WIFI通信接口。
按以上方案,所述解码器包括拨码开关和连接于拨码开关的接线端子;拨码开关使用 RS485通信接口上连键盘控制器,通过接线端子连接摄像机电动云台、电动滑块、电动伸缩摇臂、摄像机的镜头控制电机;拨码开关用于选择各执行部件的地址、通信协议和传输速率,它由9位拨码开关组成,其中第1~3位为传输速率的设置,第4~9位为地址设置,可对不同执行部件进行地址编码。
按以上方案,所述摄像机电动云台包含2个电机和快装机构,可安装摄像机并沿滑轨前后运动,也可控制摄像机进行水平方向的转动;通过键盘控制器和主机预置参数,可精确控制两摄像机的夹角以及间距;电动滑块用于承载摄像机电动云台,电动滑块由步进电机和轮式模块组成,步进电机可通过固定于滑轨的传送带平行移动,步进电机受到键盘控制器作用而移动相应的距离,对于不同距离的摄像对象提供合适的摄像间距。
本发明具有如下有益效果:本发明采用自动化控制手段,根据不同的应用场景,由主机产生3D视频采集所需要的各种拍摄参数信息,键盘控制器通过驱动相应电动机构,选择不同的摄像机间距和摄像夹角,摄像机以一定的参数条件摄取信号,从而获得逼真的3D效果;采集后的3D视频可以左右格式存贮于主机硬盘中;也可在软件界面下通过主机配套3D监视器进行现场监视,监视人员可通过快门式3D眼镜现场观察3D立体视频,以便及时调整操作摇臂获取更佳3D视频;可大大降低人们获取3D视频的工作复杂度,提高3D视频采集质量;可现场监视3D立体视频并可实现远程通信,实现3D视频的现场直播。满足了目前和将来人们对3D虚拟演播、VR、AR等立体视频逐步普及的需要。适用于电影、电视、教学、广告录播等多种应用类型的节目拍摄;同时还可以通过主机的通信网络接口,使用无线发射器和无线接收器在一定范围内的传输,完成大容量、高速率的信息传输。
附图说明
图1为本发明实施例整体结构示意图;
图2为本实施例中摇臂在虚拟演播室中的应用模型;
图3为本实施例中虚拟演播室的系统坐标系;
图4为本实施例控制与通信系统的控制流程图;
图5为本实施例中测距方法示意图;
图6为本实施例中双目3D成像计算模型示意图。
附图标记:1、主机;2、3D监视器;3、键盘控制器;4、解码器;5、3D眼镜;6、无线发射器;7、无线接收器;8、摄像机;9、麦克风;10、摇臂电动云台;11、电动伸缩摇臂; 12、滑轨;13、电动滑块;14、摄像机电动云台;15、自动平衡电路板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
请参考图1至图6,本发明为一种3D摄像摇臂的视音频采集自动控制与通信系统,实现 3D虚拟演播中的应用。视频采集通过两台摄像机8,在摄像摇臂的自动控制下同时采集获取视频,通过主机1的多通道采集卡获取不同通道视频,包括两台摄像机8的信源和虚拟演播室的背景视频;存贮时通过左右格式存取在主机1硬盘;显示时采用主动快门式3D3D成像原理,通过无线方式获取3D视频的同步信号,进而控制快门式眼镜,使观看者的左右两只眼睛分别得到两台摄像机8获取的不同画面,形成立体视频再现。
系统的硬件组成参考图1,其包括控制系统、摄像机8、麦克风9及依次连接的摇臂电动云台10、电动伸缩摇臂11和摄相机调整机构,摄像机8、麦克风9、摇臂电动云台10、电动伸缩摇臂11和摄相机调整机构均电连接于控制系统;其中,摇臂电动云台10用于驱动电动伸缩摇臂11水平旋转运动,电动伸缩摇臂11用于驱动摄相机调整机构上下运动,摄相机调整机构用于安装两台摄像机8并调整两台摄像机8之间的间距和夹角,摄相机调整机构包括滑轨12和滑动设置在滑轨12上的两个电动滑块13,滑轨12与摇臂电动云台10连接,两个电动滑块13上均安装有摄像机电动云台14;摄像机8和麦克风9设于摄像机电动云台14上用于采集视频和音频;电动滑块13和摄像机电动云台14之间设有自动平衡电路板15。
控制系统包括主机1、3D监视器2、键盘控制器3、解码器4、3D眼镜5、无线发射器6和无线接收器7;其中键盘控制器3、3D监视器2和无线发射器6连接于主机1,无线接收器7设于远端与无线发射器6配合,摄像机8和麦克风9电连接于主机1;解码器4的输入端连接于键盘控制器3,解码器4的输出端连接于摇臂电动云台10、电动伸缩摇臂11、电动滑块13、摄像机电动云台14和摄像机8。
主机1为高性能计算机或嵌入式系统,主要用于视频、音频和数据的处理,完成3D视音频信号的融合以及装置的控制功能。它具有至少2路高清视频输入接口,2路以上的高清视频输出接口、2路音频输入接口、2路音频输出接口、存贮接口、HDMI接口、CRT显示、232/485通信接口、RJ45网络接口、USB接口以及无线接口(如WIFI、红外、蓝牙等)等。
3D监视器2支持分辨率3D监视器2支持高分辨率1080P以上,刷新率为120Hz或以上;3D 监视器2与主机1显示接口连接,可输出显示单台摄像视频,也可显示3D融合视频,当监视3D 视频时,本发明主通过快门式3D眼镜5观看。
键盘控制器3以主控器为中心,外围包括键盘、摇杆和多种通信接口;主控器可采用意法半导体的STM32或TI的MSP430;键盘用于设置各种控制模式及参数预置;摇杆用于在手动操作运动状态;通信接口包括用于连接各运动执行机构的控制端子的有线通信接口和用于与主机1进行无线通信连接进行无线遥控操作的WIFI通信接口,有线接口主要有RS232、RS485等;通信接口当用于本地操作时,键盘通过有线接口一端连接主机1的RS232接口,另一端连接各运动执行机构的控制端子,控制电动伸缩摇臂11的上下运动、摇臂电动云台10和摄像机电动云台14的上下与旋转运动、电动滑块13的左右移动、两摄像机8的焦距和光圈等;键盘控制器 3有手动操作和自动平衡两种模式,手动操作模式是指通过键盘控制器3摇杆操控整个装置,大范围调整不同场景的摄像姿态;自动平衡模式是指当设备处于运动状态下工作时,通过安装于摄像机8底部的自动平衡电路,可消除因运动加速度而引起视频图像的抖动。
解码器4包括拨码开关和各种接线端子,解码器4使用RS485通信接口上连键盘控制器 3,使用多芯线接线端子连接摄像机电动云台14、电动滑块13、电动伸缩摇臂11、摄像机8 的镜头控制(包括光圈、焦距和变倍)电机等;拨码开关用于选择各执行部件的地址、通信协议和传输速率,它由9位拨码开关组成,其中第1~3位为传输速率的设置,可设置为2400、 4800、9600等多种传输速率;第4~9位为地址设置,可对不同执行部件进行地址编码;能自动识别常见的多种485通信协议类型,如PALCO-D、PALCO-P等。
摄像机8为两台同一规格型号的同轴或网络摄像机8,其聚焦、光圈、变倍一致性较高,分辨率应支持标清720P以上,推荐高清1080P,其镜头为电动三可变镜头,可通过键盘控制器3控制,同时镜头一侧还安装有红外激光发射器,它发射的光束平行于摄像光心。
麦克风9用于采集音频信号,与主机1的音频输入接口连接。
用于3D摄像视频采集的两台摄像机8安装在摄像机电动云台14上,摄像机电动云台14 在键盘控制器3作用下可在水平面旋转,摄像机电动云台14包含2个电机和快装机构,可安装摄像机8并沿滑轨12前后运动,也可控制摄像机8进行水平方向的转动,通过键盘控制器 3和主机1预置参数,可精确控制两摄像机8的夹角以及间距,从而保证3D视频效果;摄像机电动云台14和摇臂电动云台10预置参数里具有自动平衡控制和手动控制两种功能,通过键盘控制器3可启动自动平衡或手动控制。
电动滑块13用于承载摄像机电动云台14,电动滑块13在键盘控制器3作用下可在滑轨 12上滑动;电动滑块13由步进电机和轮式模块组成,电机可通过固定于导轨的传送带平行移动,电机受到键盘控制器3作用而移动相应的距离;对于不同距离的摄像对象提供合适的摄像间距,从而保证获取满意3D视频。
自动平衡电路板15通过螺丝固定安装在摄像机电动云台14下,可以克服瞬间速度变化带来的图像抖动,保证视频信号的稳定,自动平衡电路板15包括微处理器、陀螺仪传感器和电机驱动模块;陀螺仪传感器包括三轴角速度计和三轴角加速度计,动态采集摄像机8空间上三个方向的位置矢量传输至微处理器,微处理器通过电机驱动模块控制摄像机电动云台14 两个方向的电机转动,一个用于水平转动,另一个用于上下转动;微处理器型号采用意法半导体的STM32或TI的MSP430;陀螺仪传感器型号可采用MPU 6050、MPU6500或MPU3050,通过I2C接口与微处理器连接。
电动伸缩摇臂11为可控伸缩机构,与解码器4连接,可通过键盘控制器3控制,电动伸缩摇臂11用于承载安装有摄像机8的摄相机调整机构,电动伸缩摇臂11顶端连接有滑轨12;电动伸缩摇臂11由多节大小伸缩管组成,在管道中设置有钢丝绳,所述钢丝绳的一端设置有与键盘控制器3相连接的电机,电动伸缩摇臂11在键盘控制器3作用下可推动摇臂上下运动,完成上下方向的大范围摄像。
摇臂电动云台10上通过支架安装电动伸缩摇臂11,摇臂电动云台10为可控水平旋转机构,与解码器4连接,可通过键盘控制器3控制电动伸缩摇臂11,电动云台为液压云台,整个电动伸缩摇臂11可在键盘控制器3作用下沿水平方向360度旋转,完成大范围水平方向的摄像。
无线发射器6和无线接收器7具有宽带无线通信接口,视音频信号通过无线发射器6和无线接收器7组成的宽带微波通信系统可传送到远端。为避免干扰,系统设备工作频率优选 5.8G频段;为满足高带宽的需求,通信协议优选支持802.11n的系统设备。
3D眼镜5用于配合3D显示器进行视频监测。当3D信号输入到显示器后,图像以帧序列的格式实现左右帧交替产生,通过红外发射器或蓝牙等无线方式将这些帧信号传输出去, 3D眼镜5接收无线同步信号,实现左右眼观看对应的图像,并且保持与2D视像相同的帧数,以便观看立体影像,使装置正常工作。快门式3D技术是通过提高画面的刷新率来实现3D效果的,它把图像按帧一分为二,形成对应左右两眼的两组画面,连续交错显示,同时,通过无线发射器6同步控制快门式3D眼镜5的左右镜片开关,使左右两眼在正确的时刻看到相应画面。该技术可让用户轻松得到高清3D效果,而且不会造成画面亮度的降低,在显示屏幕刷新率达到120Hz以上时,左、右眼接收频率为60Hz以上,用户可得到连续稳定的3D 图像效果。
主机1中设有摄像位姿调整模块和3D视频模块;键盘控制器3工作时,启动测距模块,测量得到拍摄对象与摄像摇臂之间的距离,根据测距结果,确认选择场景及特效;接着启动摄像机8间距与拍摄夹角控制模块,用于控制两摄像机8拍摄状态,然后摄像机8开始拍摄;测距模块采用主动双目技术测量拍摄对象与电动伸缩摇臂11之间的距离;摄像机8间距与拍摄夹角控制模块用于根据3D视频的场景及特效计算并调整摄像机8间距与拍摄夹角;自动平衡模块用于保证在运动状态下拍摄时获取平稳的视频画面。
系统的3D视频模块需存贮不同应用场景下的技术参数和算法,从而根据不同场景由主机1自动计算产生3D视频采集所需要的各种拍摄参数信息;例如摇臂的初始位置坐标、摇臂臂体的尺寸、电动云台的尺寸、摄像机8镜头的焦距等各种与摄像位姿相关的参数。根据这些参数,控制器通过采用相应的通信协议,驱动相应电动机构,例如可控制电动云台的旋转运动、摄像机8在滑轨12上的前后移动等,以便摄像机8以一定的参数条件摄取信号,从而获得逼真的3D效果。
在3D摄像系统中,3D视频的采集是首先要解决的问题,主要是控制摄像机8的位姿参数。本发明的摄像位姿调整模块中存储不同应用场景的拍摄参数,采用D-H矩阵变换方法将摄像机8拍摄的图像上的点坐标矩阵变换得到被摄物体在世界坐标系下的点坐标,建立被摄物体在世界坐标系下的三维重建,使摄像机8采集的视频画面和虚拟演播室的背景场景保持同步变化。
摄像位姿参数是指摄像机8工作时的位置和方向,其位置可以用空间三维坐标(x,y,z)来表示,方向可以用方向角(α,β,γ)来表示围绕三个坐标轴旋转的角度;假设摄像机8坐标系为 (Xc,Yc,Zc),世界坐标系为(Xw,Yw,Zw)可以从拍摄的图像上的点坐标矩阵变换得到被摄物体在世界坐标系下的点坐标,本实施例采用D-H矩阵变换的方法来求解:
D-H矩阵通常有4种基本类型,即位置矩阵P,旋转矩阵R,透视矩阵O和比例变换矩阵I。摄像机8坐标系与世界坐标系之间的关系可以用4种矩阵组合来表示,其中R为3*3 的旋转矩阵,T为3*1的平移矩阵,O为零矩阵,如式(1)所示:
其中,旋转矩阵和平移矩阵称为外部参数矩阵;如果沿Z轴旋转,旋转角为θz,则有式(2):
同理,只旋转Y轴和只旋转X轴情况下得到式(3)和式(4):
推广到一般,可得到摄像机8坐标系(Xc,Yc,Zc)和世界坐标系(Xw,Yw,Zw)的转换关系,如式(5):
摄像坐标系与像平面坐标系之间的关系可以用三角形相似定理得出公式(6):
其中f为摄像机8镜头的焦距,写成矩阵形式为式(7):
将以上公式综合,摄像机8坐标系与成像坐标系的关系如式(8):
摄像摇臂由于有多个关节,可对每个关节按序编号,构建连杆坐标系。将摄像摇臂基座定义为1号坐标系,摄像机8定义为最后一个坐标系,如初始基座坐标系为nP=[Px PyPz]T,第n次齐次坐标变换矩阵用n-1Tn表示,则它相对于基座坐标系的变换可表示为式(9):
0P=0T1 1T2 2T3 L n-1Tn nP (9)
图2所示为摄像摇臂在虚拟3D演播中的应用模型。为动态跟踪3D视频,需要实现摇臂摄像位姿参数的动态调整,即建立被摄物体在世界坐标系下的三维重建,解决3D视频在虚拟演播、VR、AR等的应用问题;由于摄像摇臂关节不多,可用多关节连杆坐标系变换的方法实现。
假设摇臂基座坐标系为(xo,yo,zo),各连杆坐标系为(xn,yn,zn),云台坐标系为(xc,yc,zc)。设摇臂主臂长为L,地面至俯仰轴(A点)距离为d1;云台安装表面到中心参考点的距离为 d5。摇臂中依坐标系次序的关节旋转角为θn,摇臂主轴与云台安装面俯仰轴之间的公垂线距离为a3。假设摇臂基座固定,摄像摇臂系统可看成6个关节组成,由于主臂与辅臂为平行四边形结构,其θ4=-θ2。D-H变量参数表如表1所示:
表1摇臂D-H变量参数表
计算各变换矩阵:
总的变换矩阵为:
将摄像机8位于轨道水平位置,摄像机电动云台14中心相对于基座坐标系的初始位置可以通过精确测量得到,设为[Px Py Pz]T。摄像摇臂经运动后,摄像机8光心的坐标为式(17):
在3D虚拟演播系统中建立坐标系0O-X0Y0Z0,原点设为蓝箱底边与地面交线的中点,X 轴为地面和背面的交线,Y轴为过原点且垂直于地面,Z轴根据右手定则确定。建立的3D虚拟演播室坐标系如图3所示;摄像坐标系原点在世界坐标系的位置为[xr 0 zr]T。则虚拟摄像机8光心在世界坐标系中的位置如下:
规范描述摄像机8的状态参数通常用与摄像系统相关的PAN角、TILT角、ROLL角等参数来表示。这里摄像机8的PAN角被定义为摄像机8的光轴在水平面(XY面)的投影与Y 轴之间的夹角;摄像机8的TILT角定义为摄像机8的光轴与水平面面的夹角;摄像机8的 ROLL角被定义为摄像机8绕着光轴旋转的角度;摄像机8的FOCUS值被定义为摄像机8 的镜头光心与被拍摄物之间的距离;摄像机8的ZOOM被定义为摄像机8视野的垂直角,垂直角为所拍摄画面的顶部和底部分别与镜头的光心连线的角度值。此时,摄像姿态角如式 (19)、(20)、(21)所示:
PAN=θ12 (19)
TILT=θ6 (20)
ROLL=0 (21)
将光心坐标[Xv Yv Zv]T、PAN角、TILT角等参数通过系统主机1的通信接口与3D虚拟演播系统连接,虚拟演播室的场景和现实摄像机8拍摄的画面可保持同步变化。
图4所示为3D摄像摇臂的视音频采集自动控制与通信系统的控制流程。首先进行初始化;初始化完成后,启动测距模块,即测量得到拍摄对象与摄像摇臂之间的距离,根据测距结果,确定选择场景并修改摄像对象的距离,也可手动选择3D出屏或入屏等不同的特效;接着启动摄像机8间距与拍摄夹角控制模块,用于控制两摄像机8拍摄状态;然后摄像机8 开始拍摄,麦克风9拾音,如果为运动状态拍摄,可启动自动平衡模块;摄像机8工作的同时,视频经主机1处理融合,可通过3D眼镜5和3D显示器观测拍摄结果;同时将合成的视频和音频信号自动保存;如果需要,可通过无线通信接口连接的无线发射器6和无线接收器 7进行远程传输。系统预置了摄像摇臂的初始工作状态,在主机1内存中存贮了系统控制的各种参数,例如摇臂D-H变量参数、摄像机8的焦距等各种初始位姿参数,一些可变参数可通过键盘和鼠标进行修改。
测距模块的测距原理主流有三种技术路线:单目结构光、TOF(飞行时间)和双目视觉测量。结构光技术是将编码的光栅或线光源等投射到被测物上,根据它们产生的畸变来解调出被测物的三维信息;TOF原理是传感器发出经调制的近红外光,遇物体后反射,通过计算光线发射和反射时间差或相位差来换算被拍摄物体的距离;双目视觉则是用两个普通摄像头以视差的方式来计算被测物距离。三种方式各有优缺点,单独实施都可以实现,但较为复杂。本发明结合双目和结构光两种技术优势,采用了主动双目的技术,即通过安装于镜头的红外激光发射器,它发射的光束平行于摄像光心,如图5所示,通过控制激光发射器电源开关,发射的红外光束遇到被测物体后将会反射回来,反射回来的光线可被摄像机8的镜头靶面检测到。由于镜头光心与激光发射器的光心距离X、摄像机8的焦距f以及通过成像光斑与光心距离L 都可以精确得到,利用三角关系公式,很容易可以求出摄像镜头与拍摄目标之间的距离 D=f+fX/2L。由于红外激光光束细,光斑图像较小,摄像机8在视野范围内都可以检测到,对两台摄像机8测量的距离求平均,可以得到相对准确的距离值,为下一步控制3D成像效果打下基础。该种测距方法无需传统双目测距对图像纹理的要求,也降低了主机1计算资源的占用。
摄像机8间距和拍摄夹角控制模块用于控制3D视频的的视频效果,例如出屏与入屏等;根据3D视频的场景及特效获取摄像机8间距和两摄像机8拍摄夹角关系。出屏表现为图像看上去有从显示屏幕凸出来的感觉,使观看者感觉图像距离自己很近,而入屏是使背景产生向后方凹下去的感觉,使画面很有层次感。其本质是由于产生了视差的原因,距离眼睛较近的一侧称之为正视差,反之为负视差,正视差就是出屏效果,负视差则为入屏效果。不同的视差既与观扑克者有关,也与视频采集时两台摄像机8的位置关系有关,即主要与两台摄像机8的间距和拍摄夹角有关。
如图5所示为双目3D成像模型,其原理如下:假设P为世界坐标系中的点,P1和P2是点P在左右摄像平面上的成像点,f是焦距,OL和OR是左右摄像机8的光心,距离为b,左右两台摄像机8的光轴平行,XR和XL是两个成像点在左右两个像面上距离图像边缘的距离,长为L的两条线段表示的是左右摄像的像面;视差就是XR-XL或者是XL-XR;由于f,b, XR,XL都能够得到,那么物体的景深Z和物体的视差关系可通过三角相似定理推算得到公式 (22)
该公式包含了视差XR-XL和两摄像之间夹角的关系,可以控制3D视频的出屏与入屏效果。建议两台摄像机8的间距应与人的双眼距离大致相同可获得较好的3D效果。据统计,一般成年人的瞳距的最大值与最小值在58mm~64mm之间,因此,本方案中两台摄像机8设置为50mm~70mm,近距离场境为60mm可获得较好的效果,也要求摄像机8选型时应有较小的机身。
自动平衡模块用于保证在运动状态下拍摄时获取更平稳的视频画面;这里主要使用了安装于电动云台底部的自动平衡电路板15,其核心部件为陀螺仪传感器,型号为MPU-6500,包括三轴角速度计和三轴角加速度计。陀螺仪传感器可以测量摄像机8在三维世界中的运动加速度,对加速度进行时间积分就可得到旋转角速率,再对旋转角速率进行时间积分,就可得到旋转角度。为便于处理,在离散域下,陀螺仪传感器测得的角速度用ωi表示,摄像机8采样周期用Δt表示,则t0到t1时刻的旋转角度Δθ可表示为:
利用公式(23)可求得摄像机8绕不同轴旋转的角度信息,通过陀螺仪传感器与键盘控制器3之间的接口,获取摄像机8运动时绕不同坐标轴旋转的角速率以及时间戳信息,将数据通过自适应卡尔曼滤波和进一步的信号处理,将结果反馈到摄像机电动云台14的电机,使摄像机8动态跟踪目标,从而获取平稳的图像。
采集后的3D视频通过压缩处理后可通过左右格式存贮于主机1硬盘中;也可在软件界面下通过主机1配套3D监视器2进行现场监视,监视人员可通过快门式3D眼镜5现场观察 3D立体视频,以便及时调整操作摄像摇臂装置获取更佳3D视频;同时还可以通过主机1的通信网络接口,使用无线发射器6和无线接收器7在一定范围内的传输。
3D立体影视为未来的主要发展方向。目前,各种家庭立体播放设备如3D电视、3D投影仪等已成为普通大众选购的家用电器,大有取代传统影视播放设备的趋势,其应用前景较好。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种3D摄像摇臂的视音频采集自动控制与通信系统,其特征在于,包括:控制系统、摄像机、麦克风及依次连接的摇臂电动云台、电动伸缩摇臂和摄相机调整机构,摄像机、麦克风、摇臂电动云台、电动伸缩摇臂和摄相机调整机构均电连接于控制系统;
其中,摇臂电动云台用于驱动电动伸缩摇臂水平旋转运动,电动伸缩摇臂用于驱动摄相机调整机构上下运动,摄相机调整机构用于安装两台摄像机并调整两台摄像机之间的间距和夹角,摄相机调整机构包括滑轨和滑动设置在滑轨上的两个电动滑块,滑轨与摇臂电动云台连接,两个电动滑块上均安装有摄像机电动云台;摄像机和麦克风设于摄像机电动云台上用于采集视频和音频;
控制系统包括主机、3D监视器、键盘控制器、解码器、3D眼镜、无线发射器和无线接收器;其中键盘控制器、3D监视器和无线发射器连接于主机,无线接收器设于远端与无线发射器配合,摄像机和麦克风电连接于主机;解码器的输入端连接于键盘控制器,解码器的输出端连接于摇臂电动云台、电动伸缩摇臂、电动滑块、摄像机电动云台和摄像机;
所述主机中设有摄像位姿调整模块和3D视频模块;所述键盘控制器工作时,启动测距模块,测量得到拍摄对象与摄像摇臂之间的距离,根据测距结果,确认选择场景及特效;接着启动摄像机间距与拍摄夹角控制模块,用于控制两摄像机拍摄状态,然后摄像机开始拍摄;测距模块采用主动双目技术测量拍摄对象与电动伸缩摇臂之间的距离;摄像机间距与拍摄夹角控制模块用于根据3D视频的场景及特效计算并调整摄像机间距与拍摄夹角;自动平衡模块用于保证在运动状态下拍摄时获取平稳的视频画面。
2.根据权利要求1所述的3D摄像摇臂的视音频采集自动控制与通信系统,其特征在于:所述摄像位姿调整模块中存储不同应用场景的拍摄参数,采用D-H矩阵变换方法将摄像机拍摄的图像上的点坐标矩阵变换得到被摄物体在世界坐标系下的点坐标,建立被摄物体在世界坐标系下的三维重建,使摄像机采集的视频画面和虚拟演播室的背景场景保持同步变化。
3.根据权利要求1所述的3D摄像摇臂的视音频采集自动控制与通信系统,其特征在于:所述3D视频模块用于获取两台摄像机拍摄的左右通道视频,以左右格式存贮于主机硬盘中;3D视频模块中还设有用于产生背景场景的虚拟演播室。
4.根据权利要求1所述的3D摄像摇臂的视音频采集自动控制与通信系统,其特征在于:所述摄像机镜头一侧安装有红外激光发射器,它发射的光束平行于镜头光心;测距模块通过控制红外激光发射器电源开关,发射的红外光束遇到被测物体后将会反射回来,反射回来的光线可被摄像机的镜头靶面检测到;由于镜头光心与红外激光发射器的光心距离X、摄像机的焦距f以及通过成像光斑与光心距离L已知,可求出摄像镜头与拍摄目标之间的距离D=f+fX/2L;对两台摄像机测量的距离D求平均,可得平均距离值。
5.根据权利要求1所述的3D摄像摇臂的视音频采集自动控制与通信系统,其特征在于:所述摄像机间距与拍摄夹角控制模块根据3D视频的场景及特效获取摄像机间距和两摄像机拍摄夹角关系;假设P为世界坐标系中的点,P1和P2是点P在左右摄像平面上的成像点,f是焦距,OL和OR是左右摄像机的光心,距离为b,左右两台摄像机的光轴平行,XR和XL是两个成像点在左右两个像面上距离图像边缘的距离,长为L的两条线段表示的是左右摄像的像面;视差就是XR-XL或者是XL-XR;由于f,b,XR,XL都能够得到,那么物体的景深Z和物体的视差关系为
该公式包含了视差XR-XL和两摄像机之间夹角的关系,可以控制3D视频的出屏与入屏效果。
6.根据权利要求1所述的3D摄像摇臂的视音频采集自动控制与通信系统,其特征在于:电动滑块和摄像机电动云台之间设有自动平衡电路板;自动平衡电路板包括微处理器、陀螺仪传感器和电机驱动模块;陀螺仪传感器包括三轴角速度计和三轴角加速度计,动态采集摄像机空间上三个方向的位置矢量传输至微处理器,微处理器通过电机驱动模块控制摄像机电动云台两个方向的电机转动,一个用于水平转动,另一个用于上下转动;微处理器型号采用意法半导体的STM32或TI的MSP430;陀螺仪传感器型号可采用MPU 6050、MPU6500或MPU3050,通过I2C接口与微处理器连接。
7.根据权利要求6所述的3D摄像摇臂的视音频采集自动控制与通信系统,其特征在于:所述键盘控制器中还包括自动平衡模块;在摄像机开始拍摄时,如果为运动状态拍摄,可启动自动平衡模块;自动平衡模块用于保证在运动状态下拍摄时获取更平稳的视频画面;自动平衡模块为根据陀螺仪传感器测量的摄像机在三维世界中的运动加速度,对加速度进行时间积分就可得到旋转角速率,再对旋转角速率进行时间积分,得到旋转角度;具体为,在离散域下,陀螺仪传感器测得的角速度用ωi表示,摄像机采样周期用Δt表示,则t0到t1时刻的旋转角度Δθ可表示为:求得摄像机绕不同轴旋转的角度信息,获取摄像机运动时绕不同坐标轴旋转的角速率以及时间戳信息,将结果反馈到摄像机电动云台,使摄像机动态跟踪目标,从而获取平稳的图像。
8.根据权利要求1所述的3D摄像摇臂的视音频采集自动控制与通信系统,其特征在于:
所述键盘控制器以主控器为中心,外围包括键盘、摇杆和多种通信接口;主控器可采用意法半导体的STM32或TI的MSP430;键盘用于设置各种控制模式及参数预置;摇杆用于在手动操作运动状态;通信接口包括用于连接各运动执行机构的控制端子的有线通信接口和用于与主机进行无线通信连接进行无线遥控操作的WIFI通信接口。
9.根据权利要求1所述的3D摄像摇臂的视音频采集自动控制与通信系统,其特征在于:所述解码器包括拨码开关和连接于拨码开关的接线端子;拨码开关使用RS485通信接口上连键盘控制器,通过接线端子连接摄像机电动云台、电动滑块、电动伸缩摇臂、摄像机的镜头控制电机;拨码开关用于选择各执行部件的地址、通信协议和传输速率,它由9位拨码开关组成,其中第1~3位为传输速率的设置,第4~9位为地址设置,可对不同执行部件进行地址编码。
10.根据权利要求1所述的3D摄像摇臂的视音频采集自动控制与通信系统,其特征在于:所述摄像机电动云台包含2个电机和快装机构,可安装摄像机并沿滑轨前后运动,也可控制摄像机进行水平方向的转动;通过键盘控制器和主机预置参数,可精确控制两摄像机的夹角以及间距;电动滑块用于承载摄像机电动云台,电动滑块由步进电机和轮式模块组成,步进电机可通过固定于滑轨的传送带平行移动,步进电机受到键盘控制器作用而移动相应的距离,对于不同距离的摄像对象提供合适的摄像间距。
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