摄影机器人控制系统设计与研制(2)
附录C 自动控制模式主要程序 41
附录D 手柄控制模式主要程序 42
附录E 串口通讯主要程序 43
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
近年来，电视电影制作业发展迅猛，除了引人入胜的内容，观众所看到的华丽流畅、全方位、高质量的电视、电影画面同样功不可没，然而这华丽镜头呈现的背后离不开摄影机器人。其中应用最多的就是虚拟演播室，虚拟演播室技术是一个包含多种技术的系统，利用虚拟演播室可以实现图像的虚拟合成[1]。比如观众看到的一些节目中，主持人与虚拟人物共存，并可进行实时的互动，这令节目看起来十分惊喜，这种节目效果自然离不开虚拟合成技术，但如何做到虚拟图像与实际图像空间时空的一致准确性，这就离不开虚拟演播室跟踪技术，这也是虚拟演播室中的一个关键技术，而这项关键技术的实现就是利用摄影机器人[2]。它可以为虚拟合成设备提供精确的实时拍摄位置数据，包括摄像机的空间位置以及摄像机的摇移、俯仰、变焦、聚焦等。这将方便虚拟合成设备判断摄像机、演员或主持人以及虚拟场景之间的相对位置关系，实现真实摄像机与虚拟摄像机的锁定，保证后期图像合成质量[3]。除了虚拟演播室的应用，在各大综艺以及大型晚会上，大家看到的高速平稳镜头也是利用摄影机器人的平稳、全方位、多角度的拍摄特性实现的。因此，摄影机器人在当今节目制作上应用十分广泛，作用也是不可替代的。然而国内虽然应用较多，但自主研发方面十分紧缺，大都是引进国外设备，因此本文致力于自主研发和完善这种摄影机器人，在已有机械结构的基础上，研究设计摄影机器人的运动控制系统，从而对于改善国内市场比重具有十分重要的意义。
1.2 国内外研究现状及发展趋势
1.2.1 国内相关研究
1.2.2 国外相关研究
1.3 本文主要研究内容
本文研究的摄影机器人为轨道式摄影机器人，在已完成机械结构的情况下，对其控制系统进行设计研究，主要思想为利用上位机界面控制下位数控系统，从而控制伺服电机，实现摄影机器人预定的动作要求。其中，上位机界面包括三种控制模式：自动模式控制、手动模式控制、遥控手柄控制。在摄影机器人控制系统的设计中，主要涉及到的技术有数控系统的使用，控制软件与数控系统以及上位系统的通讯，伺服电机的控制，遥控手柄控制的程序编制，硬件电路的连接以及电柜的安装。
2 摄影机器人运动控制系统结构与硬件设计
2.1 摄影机器人控制系统的设计要求
本文所研究的摄影机器人结构如图2.1所示，它主要应用于电视台演播室录制以及晚会现场拍摄等场合。由于应用场所的特殊性，对拍摄的画面质量有较高要求，这就需要摄像机在拍摄过程中运行稳定，定位精准，并且可实现多种位置与角度的全方位拍摄。同时为了满足实际操作的各种需求，要求可实现对摄像轨迹进行编程的自动控制，以及手动控制与遥控控制。
图2.1 摄影机器人
还应注意到的是，在电视节目制作中，需要对画面进行各种处理合成，因此本摄像机器人应能实现对摄像机的定位跟踪，并发送实时的摄像机位置以及动作数据至CG电脑，CG电脑即计算机动画制作，用于对摄像内容进行后期图像处理、虚拟动画合成等。
因此在本控制系统的设计上，既要为摄影机器人提供轨迹编程自动控制，手动控制，遥控三种控制模式，还应考虑摄像机的全方位拍摄以及运动的稳定精准性，同时还要实现摄影机器人的定位跟踪，将摄像机实时位置、动作数据发送至CG电脑，供后期进行图像处理。