CN1214513A - 六自由度摄像机运动姿态记录系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可以记录摄像机六个自由度运动姿态的记录系统。利用这个系统可以形成既能记录摄像机所拍摄的图像,而且也能记录摄像机的运动姿态的视频信号。当播放这种视频图象信号时,可以用该信号中所记录的运动姿态信号驱动一台六自由度的液压运动系统,观众在该运动系统上观看图像,由于该图像内容的运动状态同运动系统的运动姿态完全同步,因此观众会有强烈地身临其境的感觉。

Description

六自由度摄像机运动姿态记录系统

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。本发明涉及一种可以记录摄像机六个自由度(上下、左右、前后和俯仰、摇动、滚动)运动姿态的记录系统。将摄像机安装在这个系统上，并将摄像机反应图像的视频信号同六自由度摄像机运动姿态记录系统所记录下来的运动姿态信号在场消隐信号或行消隐信号的位置上合成，即可形成一种不仅能反应摄像机所拍摄的图像信号，而且也能反应摄像机的运动姿态的视频信号。当播放这种视频图象信号时，可以用该信号中所记录的运动姿态信号驱动一台六自由度的液压运动系统，观众在这个运动系统上观看该视频图像，由于该图像的内容同运动系统的运动姿态完全同步，因此观众会有强烈地身临其境的感觉。用带有这种六自由度运动姿态记录系统的立体摄像机去拍摄立体图像，并使得观众在另一个六自由度运动系统上观看这个立体图像，由于该运动系统的运动姿态同立体摄像机所拍摄图像时的运动姿态完全同步，加之图像的立体显示功能，会使得观众的临场感觉更加强烈，真正达到“虚拟实境”的目的。这种六自由度摄像机运动姿态记录系统不仅可以用于摄像机，同时也可以用于摄影机。在记录摄影机的全动姿态时要随着摄影机的运行同步记录其时间码(Time Code)，以便于在播放影片时，六自由度的运动平台可以于图像保持同步运动。记录摄像机的运动姿态信号也可独立进行，即记录在独立的记录媒体上，并通过时间码与图像信号保持同步。摄像机运动姿态信号可以是模拟信号，也可以是数字信号，如果记录在模拟图像信号内应该用模拟运动姿态信号记录，如果独立记录运动姿态信号和时间码，则可以用数字运动姿态信号记录。

下面结合附图对本发明进行详细地说明。

图1是本发明的整体结构图

1是摄像机。本图中所画的摄像机是一台立体摄像机，它由具有两台平行放置的、间距相同于人眼间距的摄像机构成。摄像机的支架固定在运动系统上平台70上。2是六自由度摄像机运动姿态记录系统中的六个动子，它可以象汽缸中的活塞一样，在六个定子5中自由滑动。由于缸体中充有密封油体或密封气体或密封弹簧，因此动子常态保持在中间位置，在外力作用下可以上下运动。3是六个动子的固定支架，这样的动子固定支架共有三个，每两个动子固定在一个动子支架上，每个动子在支架上可万向运动。三个支架必须在一个等腰三角形的三个顶点上。4是六个定子的固定支架，它安装在下平台71上，这样的定子固定支点同样有三个，每个支架上固定两个定子，每个定子可以在支架上万向运动。三个支架也必须在一个等腰三角形的三个顶点上。上下等腰三角形的大小应相同，它们在静止状态下的几何中心应相同，静止状态时下平台的等腰三角形由上平台的等腰三角形绕其几何中心顺时针旋转180度形成。7是六个定子5的固定盘，这样的固定盘共有三个。6是六个动子2的固定盘，这样的固定盘共有三个。在静止状态下，每两个在支架上相连的定子和动子都保持准确的60度夹角。其俯视图是标准的正六边形。由于每个动子和定子同支架的连接是由万象活动结做成的，且每个动子都可以独立运动，因此在下平台固定时，上平台可实现上下、左右、前后和俯仰、摇动、滚动6自由度的运动姿态。摄像机在这样的运动系统上进行拍摄时，它的每一个运动姿态都会唯一地反应在6个动子的运动姿态中。因此只要记录下来每个动子的运动姿态，就等于记录下来整个摄像机的运动姿态。

图2是上述6自由度运动姿态记录系统的动子、定子、支架和位移传感器的结构图。动子2可以在定子5中自由滑动。12是阻尼装置，可以由弹簧、液压油或压缩空气组成，但要求6个定子中的阻尼物质、阻尼方式和阻尼效果完全一样。17和11构成了动子的运动位移传感器。这样的传感器可以由电磁传感器、光电传感器、微波传感器或电阻传感器组成。该传感器的输出信号表示了每个动子在不同时刻的位移状态。9是动子运动位移信号输出端。10是定子的连接头，该连接头的圆形阴影部分是一个轴孔，它可以套入支架7上的固定轴14或13上，并可以自由转动。16是动子上的连接头，其结构和原理与定子上的连接头完全相同。图2中的7表示定子固定盘，该固定盘上有旋转轴15，以使得固定轴14和13可以围绕15自由转动，当定子的连接头与定子固定盘7上的固定轴14和13相连结后，定子不仅可以围绕14和13自由转动，而且定子还可以围绕15自由转动，因此实现了万向转动的要求。17和18是自轴心15引出的同固定轴14和13相垂直的虚线，这两根虚线在7上的投影的夹角必须等于120度。图2中最下方的一幅图说明了一个定子与一个固定盘相连结后的情形。动子固定盘同定子固定盘的结构和原理完全相同。由于位移传感器固定在定子上，因此在图3中再加以描述。

图3是六自由度运动姿态位移传感器、信号处理、运动姿态信号与同步的视频信号相混合并形成具有运动姿态信号的视频信号原理图。19至24表明了6个相互独立的运动姿态位移传感器。它们连续地输出每个动子的运动姿态的位移信息，这些信息经放大电路25至30和整形电路31至36的处理后送入取样电路37。取样电路受到视频同步信号40的控制，在每个视频场消隐信号的后肩上或行消隐信号的后肩上逐次对传感器19至24的动子姿态信号分时取样输出取样位移信号45，视频信号38和位移信号45同时送入合成器39，形成具有位移信息的视频信号37。在图3的下方，描述了这种信号的一部分周期性内容，其中41是场同步头或行同步头信号，42是场消隐信号或行消隐信号，44是场消隐信号或行消隐信号的宽度，位移信号必须叠加在这个区域中，且不能破坏彩色副载波信号。43是视频图像信号，46至51就是反应六个动子运动姿态的取样位移信号，它们的大小反应了每个动子的运动幅度，它们的排列顺序反应了每个动子的编号，在通过运动系统放映这样的具有运动姿态信号的视频图像信号时，可以逐次将这些记录在每一场场消隐信号或每一行行消隐信号后肩上的运动姿态信号取出，并依次同步控制另一套六自由度运动系统中的动子的运动姿态，这样就可以完全再现摄像机或摄影机拍摄图像时的运动姿态。观众在这样的运动系统上同步观赏图像，就会产生身临其境的感觉。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于图像信号同步。全部运动姿态信号可以用模拟量记录，也可以用数字量记录。

图4是一个实施例。

57是立体摄像机或摄影机，它固定在六自由度运动姿态记录系统58的上平台上，其下平台固定在摄影车61上。55是寻像器，摄影师56通过它拍摄图像。59是视频信号和运动姿态记录装置，60是电源系统。61是摄影车。随着摄影车的上下颠簸和摄像师运动镜头，六自由度运动姿态记录系统将摄像机的运动姿态随图像信号同步地记录下来。在播放这个图像信号时，一个六自由度液压运动系统67受到这个运动姿态信号的同步控制开始随着图像信号内容同步运动，视频图像被投影仪63分时显示在屏幕65上，观众64配戴液晶分时开关眼镜在运动状态下观看这个立体图象62。66是液压动力泵系统，它为67提供液压动力。69为控制及受控电磁阀系统，它接收到来自68的运动姿态信号后控制每个液压动子的运动。68是视频播放系统，它不仅播放投影仪63所需要的立体投影图像信号，而且它还将拍摄此图像时摄像机的运动姿态信号传导到液压运动系统67和液压控制系统69。这样观众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。这样的六自由度运动姿态记录系统当然也可以用于平面图像与运动姿态的同步记录，将立体摄像机57换成普通平面摄像机或普通平面摄影机进行具有运动姿态信息的图像记录，并可以通过平面图像投影系统和六自由度运动系统显示逼真的同步动感图像。

Claims (9)

1．本发明涉及一种六自由度摄像机或摄影机运动姿态记录系统。其基本特征是：该六自由度摄像机或摄影机运动姿态记录系统由支撑摄影机或摄像机的六自由度运动平台、六只按一定规律装配的动子和定子、六只线性位移传感器、每个线性位移传感器上的位移信号处理和记录电路、以及这六个位移信号的记录方式组成。

2．权利要求1中所涉及的“…由支撑摄影机或摄像机的六自由度运动平台、六只按一定规律装配的动子和定子…”，其基本特征是：运动平台由上平台、下平台和固定于上下平台之间的六只相同长度、可自由滑动、并且由密封油体或密封气体或密封弹簧形成运动阻尼的动子和定子组成。

3．权利要求1中所涉及的“…六只按一定规律装配的动子和定子…”，其基本特征是：这六只动子和定子在上平台固定在一个等腰三角形的三个顶点上，每一个顶点上固定两只动子，每只动子在该顶点上可万向运动；这六只动子和定子在下平台也固定在一个等腰三角形的三个顶点上，每一个顶点上固定两只定子，每只定子在该顶点上可万向运动。

4．权利要求3中所涉及的“…固定在一个等腰三角形的三个顶点上…”，其基本特征是：这三个顶点组成的等腰三角形在上平台和下平台上的大小一样、几何中心一样，下平台上的等腰三角形的三个顶点的位置可由上平台上的等腰三角形的的三个顶点绕其几何中心顺时针旋转180度形成。

5．权利要求1中涉及的“…六只线性位移传感器…”，其基本特征是：每个线性位移传感器都同动子和定子平行固定放置，它们可以在时间上同步独立地记录每一只动子的运动位移量，并将该运动位移量转化为电信号输出。

6．权利要求1中涉及的“…每个位移传感器上的位移信号处理和记录电路…”，其基本特征是：每个位移传感器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，可以连续记录也可以抽样记录。

7．权利要求1中涉及的“…这六个位移信号的记录方式…”，其基本特征是：六个运动位移信号被连续地、独立地记录在记录媒体上，在记录的同时将图像信号的时间码也一并记录下来，以便在驱动六自由度运动系统时与图像同步播放使用。

8．权利要求1中涉及的“…这六个位移信号的记录方式…”，其基本特征是：六个运动位移信号以模拟信号的方式被顺序地、相隔一定时间地记录在视频信号的每一场的场消隐信号或每一行的行消隐信号的后肩上，在驱动六自由度运动系统时被依次取出，与图像信号同步驱动六自由度运动系统。

9．权利要求1中涉及的“…这六个位移信号的记录方式…”，其基本特征是：六个运动位移信号以模拟信号的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信号的音轨上，使用时将其解调出来，还原为六个位移信号驱动六自由度运动系统。

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