摄像系统

摄像系统（精选十篇）

摄像系统 篇1

3DStroke既然是三维空间中的描边效果, 那一定离不开摄像机系统。3DStroke中提供了两种摄像机系统。

一种是自带的摄像机系统, 在展开Camera卷展栏后可以看到。通过对Position (位置) 和Rotation (旋转) 的操作, 可以改变线条的观察视角。这些参数可以用于动画。Zoom参数用来调整镜头的大小, 数值越小, 视角越广, 呈现广角效果。为了方便观察, 在View的下拉列表中可以选择如顶视、侧视各种视角。

另外一种是Comp Camera系统, 使用起来更加灵活方便。只要激活这一选项, 3DStroke就可以利用AE的摄像机系统来操作。这对于把3DStroke特效产生的线条与其他层的效果整合在一个空间, 使用相同视角来设定动画至关重要。使用特效自带的摄像机系统, 在动画过程中文字和线条视角不同, 无法同步。而使用Comp Camera后, 文字层和3DStroke产生的线条由于共用了摄像机, 所以被整合在一个空间内, 移动和旋转都是同步的。要使用Comp Camera, 首先需要在当前合成中新建一个摄像机, 然后勾选特效的Comp Camera选项, 在工具栏中选择摄像机工具即可。以后要设置调整动画, 都针对合成中的摄像机层即可。

另外还有一个重要的问题就是遮挡问题。由于我们制作的都是三维空间中的线条, 所以如果要和三维空间中的其他物体共存, 就会出现遮蔽问题。但是由于AE的三维空间系统是没有厚度概念的, 而且它的三维空间深度信息和特效的深度信息没有共享, 所以我们在特效中产生的线条无法和AE的三维空间物体前后遮挡。更不用说让它和合成中的一个普通层来产生遮蔽了。这种前后遮蔽的效果在制作影片中经常遇到, 例如, 一束光线绕着一个Logo上行, 如果没有遮蔽, 就无法达到让人满意的效果, 如图1所示。

3DStroke的ZClip参数是解决这个问题的好办法。它控制着描边线条的深度信息。我们可以设置深度来确定显示哪一部分的线条。例如ZClip Front控制向前延展, ZClip Back控制向后延展。通过修改这两个参数, 就可以产生遮蔽。值得注意的是, 实际操作的时候, 眼睛看到的前后方不一定就是实际线条的前后方, 因为如果旋转了线条, 它的方向就颠倒了。所以, 我们还是需要看着画面, 试着调整两个参数来得到满意的效果。

调整处于Logo上方线条的ZClip Back值, 拖动参数可以看到, 数值越低, 前方显示的线条也就越少, 提高该参数, 则线条向后延展。所以我们只需要把数值调整到接近Logo后方遮蔽的位置即可, 如图2。需要注意的是Start Fade参数, 这个参数控制线条两头的衰减。它和线条在Z轴上的位置有关。根据位置调整参数大小, 一般来说, 数值小则衰减高。前半部分的线条制作完毕以后, 接下来需要制作后半部分被遮挡的线条。这时候我们需要复制这个应用了3DStroke特效的层, 将它放在Logo的下方。处于Logo下方的应该是后方的线条。所以, 调整一些ZClip参数, 把后方的线条露出来。把ZClip Back参数调大, 将线条向后延展到完全显示。调大ZClip Front参数值, 可以看到, 线条向后收缩了, 处于前方的线条被屏蔽了, 如图3所示。至此为止, 前后的光线都有了, 而Logo处于中间, 所以产生了屏蔽的效果。

如果Logo中的摄像机是动态的, 我们则需要为ZClip设置关键帧动画, 以适应LOGO的位置移动, 来产生遮蔽。制作了线条描绘动画后, 最终的效果如图4所示。

摘要：3D Stroke是After Effects中使用频率最高的特效之一, 是对三维空间中的描边效果, 和摄像机系统联系紧密。熟悉掌握其中的摄像机系统, 掌握它们的应用方法, 能够解决三维空间中的遮挡问题, 制作出我们想要达到的效果。

关键词：3D Stroke,摄像机系统,Comp Camera

参考文献

[1]李涛.AdobeAfter EffectsCS4高手之路.人民邮电出版社, 2009.

网络摄像机・什么是操作系统 篇2

网络摄像机・什么是操作系统

操作系统（Operating System，简称OS）传统上是负责对计算机硬件直接控制及管理的系统软件。操作系统的功能一般包括处理器管理、存储管理、文件管理、设备管理和作业管理等。当多个程序同时运行时，操作系统负责规划以优化每个程序的处理时间。在网络摄像机是了常见的操作系统是Linux。

一个操作系统可以在概念上分割成两部分：内核(Kernel)以及壳(shell)。一个壳程序包裹了与硬件直接交流的.内核：硬件<->内核<->壳<->应用程序。但有些操作系统上内核与壳完全分开（例如Unix、Linux等），这样用户就可以在一个内核上使用不同的壳；而另一些的内核与壳关系紧密（例如Microsoft Windows），内核及壳只是操作层次上不同而已。

红外摄像机概述及系统设计 篇3

摘要：本文指出红外摄像机在实际应用中存在的一些问题及解决方法，提出红外摄像机系统的设计方法，并对红外摄像机的发展趋势进行展望。

关键词：红外摄像机；红外灯；滤光片

1前言

随着电子技术、网络通信技术、多媒体技术的迅速发展，安防监控已由传统的模拟监控走向高度集成的数字化、智能化、网络化监控。传统的安防监控系统已逐步向以图像处理为核心的、融合了网络、传感、通信技术的数字视频监控系统过渡。随着安防监控市场需求的不断增加。红外摄像机在安防监控系统中得到了广泛的应用，并扮演着越来越重要的角色。

在以前的安防监控过程中，摄像机系统在正常照度环境下能够获得较好的监视效果，但当摄像机附近的环境照度低于一定值时，要想使摄像机获得正常的监视效果，就需要利用可见光进行照明。但这种方式存在不能隐蔽、容易暴露监控目标等缺点。红外摄像技术是目前安防监控领域常用的一种夜视技术，它利用CCD摄像机可以感受红外光的特性。采用红外灯作为辅助光源进行照明。使摄像机系统在环境照度低于一定值时，仍可以提供清晰的监控图像画面，从而获得理想的监视效果。

本文对安防监控中的红外摄像机的发展现状进行分析，指出红外摄像机在实际应用中存在的问题及解决方法，提出红外摄像机系统的设计方法，并对红外摄像机的发展趋势进行展望，期望对安防行业从业人员在系统设计和产品选择方面有所帮助。

2红外摄像机在实际应用中存在的问题及解决方法

2.1低照度(需要红外灯进行辅助照明)环境下摄像效果不理想

目前常用的配合红外摄像机使用的LED红外灯波长在850nm左右，红外灯的照射角度可以在一定范围内进行选择，红外灯照射角度越小，照射距离就越远，红外灯照射角度越大，照射距离就越近。对于已经选定的摄像机和镜头，如果红外灯的照射角度不够，就会出现所谓的手电筒现象，即得到的监控画面中央明亮而周围较暗，得不到用户满意的监控效果。如果红外灯的照射角度过大，监控画面的周围会显得过于明亮，监控画面中央的图像反而看不清楚。因此，要根据具体的环境情况进行选择，在走廊等狭长区域。选择照射角度小的红外灯。可以保证一定的照射距离，同时配备焦距长些的镜头；在相对宽敞的区域，选择照射角度大些的红外灯，同时配备短焦距的镜头，能够得到较好的监控效果。

2.2正常照度环境下色彩还原效果不理想

正常照度环境下，红外摄像机在彩色模式下工作，红外摄像机的CCD除了能感应可见光，还能感应红外光，然而红外光通过信号处理后影响图像还原的亮度和色度，会导致监控图像偏色。使监控画面质量下降。给红外摄像机加装一个红外滤光片，红外滤光片可以阻挡红外光进入红外摄像机的CCD。使红外摄像机在正常照度环境下只能感应到可见光，从而解决了图像偏色的问题。当环境照度低于一定值时，红外摄像机在黑白模式下工作，此时需要LED红外灯进行辅助照明，红外摄像机需要感应红外光，不需要加装红外滤光片了。考虑到焦点偏移等问题，实际应用中采用双滤光片切换的工作方式。双滤光片由红外截止滤光片和全光谱光学玻璃组成，正常照度环境下，红外截止滤光片工作，使图像色彩不失真，环境照度低于一定值时。红外截止滤光片自动移开，全光谱光学玻璃工作，使红外摄像机具有良好的夜视功能。

2.3摄像图像的白雾现象

产生的原因：(1)LED红外灯发射出的红外线通过红外摄像机遮阳罩或红外摄像机防护罩前端的视窗玻璃反射回镜头。(2)LED红外灯发射出的红外线照射到红外摄像机镜头里。(3)红外摄像机散热效果不好。导致红外摄像机CCD过热。产生白雾的现象。解决的方法：(1)让镜头的隔离圈直接穿过红外摄像机防护罩前端的视窗玻璃。(2)缩短红外摄像机遮阳罩尺寸。(3)使红外摄像机具有良好的散热功能。

2.4防水效果不理想

解决的方法：(1)采用先进的加工工艺制作红外摄像机防护罩。提高设备接口处的加工精度，使设备接口处能够很好的密合。(2)在红外摄像机防护罩接口处加防水胶圈。(3)在红外摄像机防护罩螺丝口处及进线孔打防水胶。

2.5设备使用寿命短

LED具有高可靠性和寿命长的优点，然而现在有的LED红外灯寿命却很短。正常工作中LED红外灯的电能其中一部分直接转变为有用的光能，同时有一部分转变为无用的热能，系统长时间工作。LED红外灯会产生大量热量。很多红外摄像机生产厂家采用加大红外灯工作电流的方法增加红外灯辐射功率，其目的是为了增加红外灯的照射距离，然而红外灯工作电流越大温度越高，当产生的热量太多而没有采取适当的散热措施时，就会造成设备内温度过高，导致LED红外灯过快老化。对于红外一体化摄像机，摄像机与LED红外灯都安装在摄像机防护罩内。如果散热不好，摄像机的CCD长时间在高温环境中工作，寿命也会大大缩短。解决的方法：(1)使LED红外灯在额定电压下工作，LED红外灯采用恒流驱动方式，同时把LED红外灯工作电流调整到正常使用范围内。(2)给LED红外灯板加装一层铝质的散热片，在不影响LED红外灯正常工作的情况下，使LED红外灯工作时产生的大量热量及时迅速地传导到设备外壳上。(3)设备外壳采用易散热的金属材料制作。(4)设备内置自动温控电路，采用风扇进行散热。

2.6雾和霜影响画面清晰度

由于周围温度的差异和天气的变化等因素，红外摄像机在工作时。容易在防护罩视窗玻璃上产生薄雾或浅层白霜，致使红外摄像机视物模糊，画面清晰度降低。

解决的方法：(1)在红外摄像机防护罩视窗玻璃前安装可控制的雨刷，利用雨刷清洁防护罩玻璃。(2)红外摄像机防护罩内配加热组件，通过加热的方式达到除雾除霜的目的。

2.7临界点的跳变

如果仅仅使用简单的元器件配合光敏电阻的方式控制双滤光片的切换。有时会发生临界点的反复跳变。解决方法是采用智能芯片配合光敏电阻进行控制。其逻辑控制能力能有效控制双滤光片的正常切换。

3红外摄像机系统设计方法

3.1对于红外一体化摄像机的情况

目前，生产厂家都推出在特定条件下使用的红外一体化摄像机，在系统设计时需要选择与应用环境特点相符合的产品。在选择红外一体化摄像机时，技术人员需要了解用户的使用要求和现场环境的实际情况，了解红外一体化摄像机各项技术参数的确切含义。选择产品时要根据生产厂家的规模，知名度，国际、国内市场占有率，技术支持能力，执行标准严肃性，是否具有完善的售后服务体系等因素来考虑，选择大品牌的产品。比较而言，大品牌的产品工艺先进，性能稳定，配置合理，质量合格。如果条件允许，可以在批量

选购前对产品进行试用，更好地了解产品的性能和质量，做到心中有数。

3.2对于摄像机外配红外灯的情况

设计时要明确可视距离的概念，可视距离是通过监视器所能够看到的有效的清晰图像的最大距离，它是由摄像机的灵敏度。镜头光通量，红外灯的性能，现场景物反射红外光效果，供电电源的质量及摄像机防护罩视窗玻璃的透光性能等的匹配情况综合来决定的。

摄像机要选择日夜两用型超低照度摄像机。一般的摄像机难以满足24小时监控都获得清晰图像的需求，日夜两用型超低照度摄像机对外界光线的敏感程度较一般的摄像机有明显的提高，即使在环境照度非常低的情况下，这种摄像机也可以拍摄到人眼看不到的物体，它的出现受到了安防监控市场的欢迎，它在各种照度环境下均可表现出很好的摄像效果。正常照度环境下，摄像机在彩色模式下工作，环境照度低于一定值时自动转换成黑白模式，其水平分辨率和最低景物照度均比正常照度环境下有很大幅度的提升。日夜两用型超低照度摄像机能很好地解决低照度情况下正常监控的问题，特别是配备LED红外灯，可以得到高清晰度的黑白图像，实现零照度下的监控。

摄像机镜头是红外安防监控系统的关键部件，它的质量优劣直接影响到整套系统的成像效果，因此，镜头选择是否合适非常重要。选择镜头时应注意以下几点：(1)镜头的成像尺寸应与摄像机CCD靶面尺寸一致。(2)镜头的分辨率。(3)镜头焦距与视野角度。(4)光通量。(5)是否为感红外镜头。

为了提高摄像机对红外光以及被摄景物的敏感度，应尽可能选用光通量大的镜头。

红外灯要选择一致性好、发光效率高、发热量小的LED红外灯。产品应是依据行业相关标准质量检测合格的产品。

红外灯选配电源应满足其所需的电功率，否则会发生照射距离达不到要求的情况。应该选择交流220V集中供电，在LED红外灯及摄像机等前端设备处设置直流开关电源进行电压转换的方式为前端设备供电。即使电网电压在一定范围内波动。开关电源输出的直流电压也是稳定的，保证了前端设备正常、稳定工作。如果采用大功率稳压电源对前端设备集中供电，当前端设备数量较多且与供电室的距离不同时，容易造成距供电室较远的设备供电电压不足，设备不能正常工作。距供电室较近的设备供电电压过高，损坏前端设备的现象。

防护罩的视窗玻璃对红外灯的辐射效果也有影响。不同的视窗玻璃。对于红外光辐射的反射率和透射率不同，设计选型时要充分考虑。

系统设计时还要考虑被摄景物的反光程度。由于红外光也具有反射、折射等特性。因此，被摄景物如果没有良好的反光环境，设计选型时要考虑留一定的距离余量。

4红外摄像机的发展趋势

红外摄像机发展的趋势主要表现为：数字化、智能化、网络化、集成化。

现在已经出现并正在不断发展完善的红外高速球是综合一体化摄像机、摄像机防护罩、云台、红外灯等各项功能的产品，它实现了在普通高速球上配置红外灯的想法，设备的外观设计充满了现代80在红外高速球的性能上，采用了变焦变光同步技术，红外灯可以根据镜头的变倍切换，近距离开小灯，远距离开大灯，两组红外灯交替工作，解决了系统发热量大的问题，保证了红外高速球的稳定性。它既具有红外摄像机清晰的夜视效果，又具有高速球的自动巡航、带预置位、多方位监控、高速捕捉画面、联动报警等功能。

红外摄像机加装网络模块，配备超宽动态一体机等将成为红外摄像机的发展趋势。

摄像机检测平台的系统开发 篇4

经过三十多年的发展, 中国安防行业已形成具有一定规模的高增长行业, 在“平安城市”建设与“智慧城市”建设的积极推动下, 各类安防产品与系统逐渐渗透到人们的日常生活中。其中, 摄像机是整个安防系统中最重要的组成部分, 随着数字技术与网络技术的发展, 传统的模拟摄像机已逐渐被高清数字摄像机所取代。然而, 摄像机种类繁多, 品质良莠不齐, 因此信息系统工程面临着视频监控产品和系统的标准化问题及其检测、测试的问题[1]。高清摄像机由于检测设备复杂, 目前还没有统一的检测标准, 因此, 随着高清摄像机的广泛应用, 开发一种智能化的摄像机检测平台变得十分必要, 使第三方检测机构可快速客观地对这类摄像机的图像质量进行评价, 有力地推动我国安防行业监控行业健康快速的发展。

1 测试要求

摄像机的检测流程繁琐, 检测项目较多, 包括清晰度检测、照度检测、色彩还原性检测、逆光补偿检测、球型失真检测、耗电量检测等, 本项目建立专业先进的前端摄像机产品性能测试平台, 可检测的内容涵盖所有前端摄像机产品 (包括模拟摄像机、高清摄像机、网络摄像机、特殊摄像机等) 的成像质量与性能参数[2,3]。操作过程实现自动化, 尽量规避人为操作所引入的操作误差, 使机器装夹与拆卸过程简单化, 解决多种产品不同的接口, 在一套综合测试系统上都能够使用。同时按照现有国标与行业标准购置标准图卡, 可按摄像头实际使用环境进行智能场景变换, 可对产品进行快速性能验证, 同时可建立一套客观的安防监控摄像机参数比较方案与视频安防监控产品评价体系。为实现检测过程自动化和减少操作等主观误差硬件平台采用高精度多轴运动平台, 配合不同的图形采集设备, 实现检测过程数据的全自动采集与存储。

2 主要程序流程

由于平台采用全闭环的伺服驱动系统, 确保了平台能高速、高精度地移动到每一个检测位置。并同时采集摄像机当前的图像数据显示在监测屏幕上, 整个检测系统的数据流如图1所示。

本系统在Windows平台下利用Visual Studio2010开发工具和C++语言开发完成, 并使用Microsoft SQL Server 2008作为数据存储与管理后台。开发的重点在于对MP-C154运动控制卡与Deck Link视频采集卡的控制。

MP-C154四轴运动控制卡能提供很好的直线和圆弧插补运动, 以及连续运动性能, 有助于完成更高要求的脉冲序列控制并完成复杂的运动模式。其通过dll的形式提供客制化的API函数, 方便程序的二次开发, 函数库伴随驱动程序被自动安装在系统中, 使用时, 必须在所开发程序中包含指定的头文件“c154.h”, MP-C154的程序调用过程如图2所示。

调用MP-C154的API函数对检测平台的X轴进行平移运动控制, 其代码如下:

Deck Link视频采集卡提供稳定的、跨平台的SDK, 包括底层的硬件控制和方便开发人员使用的高层接口, 接口以Microsoft COM组件的形式提供, 在Windows操作平台下, 其作为系统注册的本地COM接口[4]。功能性API通过对象接口来访问, 每一个系统对象可能被继承并通过大量的对象接口进行访问, 开发者可直接利用对象接口而无需关心对象底层的管理。每一个对象接口类均拥有一个称为接口ID的GUID, 在平台本地COM组件的支持下, 接口ID可用于获得一个指向系统输出接口对象的句柄, 实际上就是API函数的入口点。SDK提供了一套稳定的接口访问Deck Link的底层硬件。要在Windows平台中使用Deck Link API, 需要在所开发的程序中包含指定的接口定义文件“Deck Link API.idl”, Deck Link的程序调用过程如图3所示。

在采集图像的过程中, 通过API函数读取每一帧图像的字节, 然后把图像从YUV颜色空间转换为RGB颜色空间, 最后保存为BMP非压缩图像格式文件, 以便于导入到后期的图像分析软件, 采集过程代码如下:

3 软件结构与实现

摄像机检测平台软件系统的组成包括以下模块:人员信息管理模块、交互界面模块、数据库管理模块、运动控制模块、视频采集模块、图像显示模块, 如图4。

各模块的功能分别如下。

人员信息管理模块:检测人员或业务人员的个人信息录入, 以及待测产品相关信息录入, 包括产品名称、型号、类型、厂家、检验项目等。

交互界面模块:主要是为系统用户提供简单清晰的操作方式, 包括视频输入格式的选择、图像采集、图像保存、运动控制卡的操作、摄像机当前位置的显示、图像的实时显示等, 如图5所示。

数据库管理模块:使用ADO接口访问关系数据库MS SQL Server 2008, 包括数据库的连接和数据的基本操作 (查询、写入、读取、删除、更新等) , 操作数据包括系统时间、人员信息、产品信息、图像数据、编号ID等。

运动控制模块:通过调用MP-C154的API函数向运动控制卡发送控制指令, 并定时读取各轴编码器的数值, 转换成摄像机的当前绝对位置并刷新交互界面的位置信息, 方便检测人员通过当前位置信息判断下一步的操作。控制6轴运动平台的精确运动, 根据检测项目移动到相应位置, 同时微调以便达到精确聚焦。

视频采集模块:通过调用Deck Link的接口函数操作视频卡, 包括输入视频格式的设置、帧频设置、开始/停止采集, 利用Open GL图形库函数把采集的YUV图像数据实时渲染在交互界面的指定区域中, 当测试人员调整摄像机到最佳状态、焦距后, 需要保存当前图像时, 通过回调函数把当前帧的图像数据以BMP图片格式保存到数据库中[5]。

图像显示模块:当需要查看数据库中保存的图像数据时, 通过MFC自带的图形控件, 把从数据库中读取的BMP格式图像显示在指定区域。

4 结论与展望

建立了一套智能化安防监控视频检测系统, 操作过程全程实现自动化, 更好地避免了人为操作所引入的操作误差, 解决多种产品不同的接口, 在一套综合测试系统上都能够使用的问题, 实现测试过程自动化, 数据处理智能化。为平安城市与智慧城市的建设提供安防监控前端采购方面以可靠性的保证, 同时对于促进业内测试技术改进也可起到推动的作用, 为企业提供完善的检测解决方案, 进行产品生产过程的质量控制, 以及第三方检测机构用于高清摄像机产品进行质量认证、产品检测、技术测试服务等。为扩展系统的功能, 将研究加入智能检测场景, 使室内场景能够模拟不同的真实场景, 以满足不同的测试要求。通过对数据库中大量的检测数据进行数据挖掘, 建立一套客观的安防监控摄像机参数比较方案与视频安防监控产品评价体系。

参考文献

[1]孙玉丽.规范安防产品认证保障安防产品质量——浅谈安防产品认证监管体系[J].中国安防, 2014 (Z1) :90-94.

[2]GA/T 692-1.2009.安防监控高清摄像机测量方法[S].

[3]GA/T 1127.2013.安全防范视频监控摄像机通用技术要求[S].

[4]张小栓, 傅泽田, 常虹.COM组件及其开发流程[J].计算机工程与应用, 2001 (13) :166-169.

摄像系统 篇5

要怎样才能在windows7系统在我的电脑中看到摄像头?

我就这样回答他，其实微软早在从Vista开始，“Windows Image Acquisition (WIA)”服务已经不再提供在资源管理器显示摄像头图标的功能了，

而要想在我的电脑中看到摄像头，只能走曲线救国的路线了：一般来说摄像头驱动程序都会包含Camera，如果没有包含你可以在网上下载安装Camera。然后将摄像头快捷方式放到“系统盘:Users用户名

摄像系统 篇6

和EF CINEMA镜头

佳能EOS C300以及佳能EOS C300 PL两种机型均采用约829万有效像素Super35 CMOS传感器，具备3840×2160分辨率，但此规格虽然达到了目前最高的4K标准，但是实际输出值为1080P。它还搭载了DIGIC DVIII影像处理引擎，支持广播级MPEG-2 4∶2∶2 50Mbps的XF编码(Canon XF Codec）。相比传统的专业摄录一体机，实现更大的光线收集能力，提高灵敏度和降低噪音，实现高分辨率。两者区别在于分别使用EF镜头卡口和PL镜头卡口。佳能EOS C300高清摄像机系列进一步拓展了佳能的产品线，同时也使忠实于佳能的用户不必在死守难以操作的佳能EOS 5D Mark II拍摄视频。

EOS C300机身小巧，采用了模块化设计，包括监视器、麦克风、手柄等均可自由组合。主机身内部提供了双CF卡插槽，拍摄功能方面完整的手动对焦和手动曝光功能，兼容全新的BP-955和BP-975电池。EF卡口的EOS C300可充分利用包括鱼眼、移轴等特殊效果镜头在内的超过60款EF镜头，完成丰富多彩的影像表现。

佳能公司社长御手洗富士夫出席了本次发表会，他表示EOS C300拥有非常准确的色彩还原能力，尤其是在人物的肤色控制上。同时，他们会将其价格控制在20000美元以内。为配合该产品，在现有种类丰富的EF镜头群中，这次发布会佳能还推出了四只针对影视制作而进行优化的“EF CINEMA LENS”，包括两种规格14.5-60mm镜头以及两种规格的30-300mm镜头，此外镜头仍在继续开发，包括重要的三个焦段24mm、50mm以及85mm。加上可更换镜头的数码摄像机和数码单反相机，这三部分共同构成实现高画质影像表现的系统。

进军电影制作市场

现在的影视制作领域大致可分为广播节目制作和电影制作两大部分。电影制作领域是以好莱坞为首的制作公司或独立电影制作为主要模式，采用模拟胶片方式和数码方式。但是电影制作行业的数码化进程发展也十分迅速，搭载相当于Super 35mm规格的大型影像感应器、可更换镜头的数码摄像机渐渐在电影领域成为主流。特别是现代电影制作中，因为3D、CG等后期合成的制作方式正在快速普及，加上支持4K分辨率等新一代高画质影像格式的增长，电影行业在需要更高画质数码摄像机的同时，对高画质、高可靠性镜头的需求也在增长。

迄今为止，虽然佳能为广播节目制作和电影制作提供数码摄像机及镜头，但是想以此次“CINEMA EOS SYSTEM”的发布为契机，正式进军电影领域，扩展影视制作用摄像机和镜头领域的事业。

导演菲利克斯•阿尔卡拉（Felix Alcala）最先使用佳能Cinema EOS系统了拍摄短片《SWORD》（《剑》），作为该片的导演和编剧，他这样表示，“我一直想拥有一台令我满意的高画质小型摄像机，能够随心所欲进行创作，这部影片就是佳能Cinema EOS系统给我们带来的惊喜”。

摄像系统 篇7

网络摄像机的视频数据流具有数据量大、实时性等特点,在高带宽、低传输时延、同步和高可靠性等几方面对网络传输提出更高的要求。然而,IP网络传输服务并不能保证视频信号传输的服务质量(Qo S),特别是对经过高效压缩编码的H.264码流,更容易出现Qo S问题。为了保证Qo S,一般采用实时传输协议RTP协议[1]来传输H.264码流。本文提出一种新的具有抗分组丢失能力的网络摄像机设计方案,该方案以DM643为核心处理器,采用具有抗分组丢失能力的RTP载荷结构(ERRTP)[2],利用ERRTP载荷结构,对H.264码流使用TN码[3]不等保护,能够保证时延在实时视频通信允许范围内,大大提高H.264视频通信的Qo S;同时,在服务端内置一个嵌入式Web服务器,利用嵌入式HTTP网页提供了友好的用户界面,具备支持复杂嵌入式系统的能力;客户端即可通过IE浏览器实现视频监控。

2 硬件系统设计

目前,类似方案的设计多为双核(DSP+ARM)设计法和专用DSP芯片设计法,考虑到开发难度、开发周期和开发成本等问题,采用单个DSP芯片的设计方法[4]。其结构如图1所示。

其核心处理器DM643,工作主频高达600 MHz,处理性能高达4 800 MI/s(兆指令/秒),可实时实现数字视频/音频编解码运算。

视频采集采用模拟NTSC/PAL制CCD摄像头,所获得的模拟视频信号直接送入视频解码芯片进行A/D转换。视频解码芯片采用TI公司的TVP5150APBS,将摄像头采集的NTSC/PAL视频信号转换成数字色差信号(YUV 4∶2∶2),输出格式为ITU-RBT.656。

视频处理对数据存储的容量要求较大,为配合DM643的64 bit EMIF,选用2片4M×32 bit的SDRAM作为内存,总容量达到32 Mbyte,以存放系统运行时的代码以及临时图像数据;采用4 Mbyte的Flash,以保存系统自启动代码以及系统程序代码。由于DM643内部集成了网络控制器,网络部分只需采用以太网收发器(PHY)与DM643直接连接即可。系统供电采用IEEE802.3a/f以太网供电(POE)方式。

3 ERRTP载荷结构及TN码不等保护

3.1 ERRTP载荷结构

ERRTP载荷结构是具有抗分组丢失能力的RTP载荷结构。由于用户可以自定义RTP的载荷格式以实现不同格式的媒体流数据的传输,因此,在RTP结构上增加NALU[5]头字段和TN码保护字段构造ERRTP载荷结构,提高网络传输的抗丢包能力。ERRTP载荷结构如图2所示,其增加部分说明如下。

1)NALU头字段。1个ERRTP载荷中只能存放相同类型的NALU,只保留1个NALU头存放在ERRTP载荷的起始位置,其他NALU的头字段则删除。这样有利于减少额外开销,且不用对分组内的数据解码就可以判别该分组中视频数据的重要性。

2)TN码的类型。纠错算法的类型,接收端据此决定如何解码收到的RTP载荷,若该字段为1,表示采用TN码,若为0则表示载荷不使用TN码保护。

3)TN参数域。指出TN码的生成规则和保护能力,结合TN码类型对H.264的NALU数据进行保护。

4)包长度。每个数据包的长度,单位为byte。

5)载荷包含的包数目。S个同一类型的NALU经过纠错校验后在一个ERRTP载荷中存放的包个数。

利用加入TN码保护字段后的ERRTP载荷结构,接收端可以根据这些字段给出的TN码类型和参数对接收到的数据分组进行解码,并恢复丢失的数据包,提高分组丢失环境下恢复视频的质量。

3.2 TN码不等保护算法

首先将H.264中同一类型但不等长的S个NALU分为一组;再将S个NALU载荷等分为M个数据包,其中每个数据包的长度为K个字节;使用TN码编码生成M个数据包的N个校验包;最后将M+N个包(分组P)通过ERRTP载荷中进行传输,相同类型NALU的头信息存放在ERRTP载荷头位置。接收端在收到第P+1分组后开始检测前面P个分组中是否有数据包丢失,如果有就进行TN码解码,恢复丢失的数据节点。

H.264使用TN码保护时,数据包长度要小于网络的最大传输单元(MTU),使得数据包不会被网络传输协议再次分割,保证TN码的有效保护作用。对H.264码流进行分组不等保护时,可根据NALU头字段中参考标识将H.264的数据分为两类,一类为相对重要的图像数据(参考标识等于1),另一类为次要的图像数据(参考标识等于0)。对重要的图像数据使用冗余度较大抗丢包能力强的TN1码进行保护,而次要的图数据可使用冗余度较小、抗丢包能力较弱的TN2码进行保护。通过这种不等保护算法,保证了各类重要信息在高丢包环境下的正确恢复。

3.3 TN码保护对实时性的影响

采用TN码保护算法引入的时延大小与图像数据分组的大小有关。将S个同一类型NALU分为一组,其中1个NALU包含1个Slice的码流数据。若一帧图像只划分为1个Slice,则一帧图像在编解码端都会有S/2帧的纠错处理时延。由文献[2]可知,使用ERRTP协议较之RTP的时延增加了S×Tth(Tth为解码1个目标帧的时间),为了减小实时视频通信系统的时延,S取值不应太大。由于S个NALU载荷的总字节数等于数据包的个数M与包长度K的乘积,在使用TN码保护数据包时,包长度K一般取定值[3],故S的值正比于M,即要保证视频通信的实时性,M的取值不应太大。采用高效TN码保护算法[6]来解决M值受限的情况,该算法非常灵活,可针对任意数目的数据包进行纠错保护,生成任意数目的校验包。

4 软件系统结构

网络摄像机是视频监控系统的服务端,完成视频信号的采集、编码和发送,同时在服务器中内置一个Web服务器,以方便客户端对前端通过IE浏览器访问,并进行参数控制。软件总体结构如图3所示。

整个软件系统运行在DSP/BIOS[7]之上,并采用RF5参考框架开发。系统利用RF5参考框架,对底层的驱动作相应的修改,实现H.264编码算法并在DSP上进行优化。经H.264编码后的数据,根据其重要性的不同,采用TN码不等保护算法对不同NALU分组进行相应等级的保护,对已经完成TN码保护的NALU数据采取ERRTP封装,并经过通道注册后放在相应的任务中。动态地创建了一个网络发送任务和一个网络接收任务。在主线程中,主要完成整个程序的初始工作,然后DSP把程序的控制权交给DSP/BIOS的线程调度器,按线程的优先级执行调度,对于同等权限的任务,利用SCOM消息队列进行同步。

为了实现客户端实时访问并执行控制任务,在服务端嵌入一个Web服务器。当客户端使用浏览器进行访问时,服务器端响应HTTP请求,产生初始HTTP网页发送给浏览器,然后实时刷新从Web服务器传输来的数据,并发送控制信号给Web服务器以完成任务控制。

客户端PC机采用基于Windows的视频解码,采用标准的Active X控件,实现H.264 Dec.ocx控件。该控件实现对数据流的ERRTP解封装和TN码保护解除,以及H.264数据的解码,重构视频图像。当客户通过浏览器访问时,安装该控件,便可接收到Web服务器通过网络发送任务发送到客户端的视频图像。

5 性能分析

由于网络摄像机主要用于监控场合,其背景相对静止,故将网络摄像机安装在背景相对静止的场合中进行测试。首先比较RTP和ERRTP载荷传输H.264码流的传输效率。S个NALU在分组传输后,不同协议下每个分组的字节数为

式中:LNALU表示NALU载荷的平均大小。由此可知,使用ERRTP较之RTP协议每个分组大小的变化是(4-S/P)字节,即在传输效率上与RTP协议基本相同。

接着比较两种载荷结构的抗分组丢失能力,用PSNR作为衡量恢复图像客观质量的尺度。在不同丢包率的网络环境下,比较单一的TN码和不等TN码保护方法的性能:

1)使用单一的TN码,TN码为TN(27,20)(其中数据节点20个,校验节点7个),其冗余度为25.9%;

2)使用不等TN码,TN1码为TN(30,20)码,TN2码为TN(24,20)码,其冗余度分别为33.3%和16.7%。表1中给出了不同TN码抗丢包性能比较的实验结果。

由图4可以看出,当使用不等TN码保护算法时,与单一的TN码方法相比,恢复图像的PSNR可提高1 d B以上,在信道丢包率达10%的情况下,可将视频恢复质量提高7 d B以上,能够保证解码端恢复图像的主客观质量,满足高丢包环境下视频通信的Qo S。

6 小结

笔者提出的具有抗分组丢失能力的网络摄像机设计,在客户端通过IE浏览器访问,可看到恢复质量高的视频监控图像。它没有过多增加信道负担和运算复杂度,利用ERRTP载荷结构,使用TN码不等保护,能够保证纠错能力并满足实时视频通信实时性的要求。

参考文献

[1]WENGER S,HANNUKSELA M M,STOCKHAMMER T,et al.RTP payload format for H.264video[EB/OL].[2008-11-20].http://www.rfc-editor.org/rfc/rfc3984.txt.

[2]宋彬,秦浩,郭春芳.保证H.264视频通信质量的实时传输协议载荷[J].西安交通大学学报,2007(10):1455-1459.

[3]LUBY M,MITZENMACHER M,SHOKROLLAHI A,et al.Prac-tical loss-resilient codes[C]∥Proc.the29th ACM Symposium on Theory of Computing.New York:ACM Press,1997:150-159.

[4]刘先虎,唐慧明.一种高分辨率网络摄像机的设计及实现[J].电视技术,2006(2):93-96.

[5]周宁兆,宋彬,常义林.基于H.264/AVC的视频通信抗分组丢失方法研究[J].计算机学报,2006,29(1):1-7.

[6]MULLANIX T,MAGDIC D,WAN V.Reference frameworks for eXpressDSP software:RF5,an extensive,high-density system[EB/OL][2008-11-20].http://focus.ti.com.cn/cn/lit/an/spra795a/spra795a.pdf.

双目立体视觉系统的摄像机标定技术 篇8

为描述摄像机成像过程, 定义了4个坐标系, 如图1所示: (1) 世界坐标系owxwywzw, 这是假想的, 根据具体情况选择; (2) 摄像机坐标系ocxcyczc, 原点oc定义在摄像机光心; (3) 成像平面坐标系oxy, 是以摄像机光轴与成像平面的交点o为原点建立的; (4) 图像坐标系uv, 坐标轴u、v表示图像的列和行。

空间任一点P (xw, yw, zw) 在图像平面上的投影点为p (u, v) , 则两者间的关系为[1]:

其中, M为3×4的投影矩阵, 可分解为下式:

其中, fx, fy分别表示x和y方向的焦距;s表示CCD歪斜系数; (u0, v0) 为图像中心坐标;摄像机坐标系与世界坐标系的关系则取决于旋转矩阵R和平移矩阵T。

通过标定获取左右摄像机的内外参数, 设Rl、Tl和Rr、Tr分别表示左右摄像机的旋转矩阵和平移矩阵, 则由 (3) 式求得双目立体视觉系统的结构参数[2]:

2 zhang平面标定方法[3]

2.1 单应性矩阵的计算

为简化计算, 取模板所在平面为世界坐标系zw=0的平面, 用ri表示R的第i列向量。对于模板平面上的点有:

其中, H被称为单应性矩阵。

整理得:

四对对应点可以提供8个方程, 即可解线性方程组 (6) 求出h。

令H=[h1h2h3], 则:

因r1和r2是单位正交向量, 即r1T r1=r2T r2=1, 且r1T r2=0, 则:

式 (6) 、 (7) 为摄像机内部参数的求解提供了两个约束条件。

2.2 摄像机参数求解

设向量b=[B11 B12 B22 B13 B23 B33]T, 则:

根据约束条件 (8) 、 (9) , 可得关于向量b的齐次方程:

若有n副模板图像, 根据 (12) 式, 可得线性方程组:

其中, V是一个2n×6的矩阵。 (13) 式的最小二乘解为V T V最小特征值对应的特征向量。求出b后即可求出摄像机内部参数。摄像机外参数可按如下公式求得:r1=λA-1h1, r2=λA-1h2, r3=r1×r2

2.3 畸变系数的计算

上述标定没有考虑摄像机镜头的畸变, 实际使用的摄像机镜头在远离图像中心较远处会产生较大的几何畸变。这里主要考虑径向畸变, 忽略其它的畸变因素。畸变后的成像平面坐标为:

因结合 (14) 得:

整理后得:

其中, 表示真实的图像坐标, 而 (u, v) 表示无畸变的图像坐标。用矩阵表示为:

其中, k=[k1k2]T, (17) 式的最小二乘解为:

求得k1和k2后, 可采用最大似然估计方法建立目标函数:

最后利用Levenberg-Marquarat算法求得最优解。

3 双目立体视觉系统标定结果

实验使用图像采集卡采集图片大小为352×288, CCD靶面尺寸为4.9mm×3.7 m m, 镜头焦距为2 5 m m。采用z h a n g平面标定方法对双目立体视觉系统进行标定, 结果如下。

左摄像机内参数:

右摄像机内参数:

根据式 (3) 可得:

由以上标定结果可计算出左摄像机焦距为25.49mm, 右摄像机焦距为25.43mm, 与厂家给出焦距25mm相差0.49mm和0.43mm;而左摄像机图像中心坐标 (176.2, 144.9) 和右摄像机图像中心坐标 (177.7, 145.1) 与真实中心坐标 (176, 144) 相差 (0.2, 0.9) 和 (1.7, 1.1) ;x方向位移-52.7031mm, 与基线长度-50mm相差-2.7031mm。由以上结果可见, 标定精度较高。

参考文献

[1]马颂德, 张正友.计算机视觉——计算理论和算法基础[M].北京:科学出版社, 1998.

[2]张广军.机器视觉[M].北京:科学出版社, 2005.

摄像系统 篇9

本文设计和实现的基于光缆的摄像系统,实现了4路视频信号和2路RS232数据的传输,很好地满足了“海洋六号”船在海洋资源勘探和开发过程中对可视化及现场数据的需求。

1 系统工作原理

基于光缆的深海摄像系统的整体结构框图如图1所示。系统分为水上的甲板通信机和水下耐压仓两个部分,两者通过铠装光缆相连,并由甲板电源供电。铠装光缆内有3根动力缆用于传输电源动力,1根光缆(含有4根光纤)用于传输视频数据、传感器上行数据及下行命令信号。视频及数据传输系统由甲板光纤通信模块和水下光纤通信模块组成,分别是视频图像的接收端和发送端。由于海洋环境的特殊性,本系统还带有水下照明灯和高度计等设备。

甲板工控机的上位机控制界面发出的设备控制命令,通过串口传给甲板光纤通信模块,然后经过光缆传至水下光纤通信模块,最后到达设备控制板。命令经解析后,控制相应的继电器实现水下设备的打开与关闭。当摄像机和高度计被打开后,摄像机的视频数据会直接传到水下光纤通信模块,而高度计和供电电压值等数据在设备控制板内被封装成数据帧后,再传给水下光纤通信模块。视频和被封装的数据以时分复用的方式,通过光缆传到工控机,并显示在上位机控制界面上。当开启视频监控功能时,工控机就开始存储视频;停止监控后,就可以回放所存储的视频。

2 系统硬件

系统的硬件设计主要包括两个部分:甲板光纤通信模块、水下光纤通信模块和水下控制设备系统。水下摄像机、照明灯和高度计等设备都是性能较好的产品。

2.1 甲板光纤通信模块和水下光纤通信模块

由甲板光纤通信模块和水下光纤通信模块组成的视频及数据传输系统不同于陆地上经常使用的光端机。陆地上使用的光端机一般只传输视频信号和控制命令,而本系统中,水下光纤通信模块除了传输视频信号,还要传输2路传感器信号,以获取勘探现场的数据。

甲板光纤通信模块和水下光纤通信模块的结构框图如图2所示。所选用的可编程器件是Xilinx公司型号为XC95288XL的CPLD芯片。CPLD包含有:288个宏单元,6 400个逻辑门,PQFP封装,168个可用引脚,6 ns的pinto-pin逻辑延迟,最高工作频率可达208 MHz,是一款3.3 V电压供电、高性能、低功耗、用于通信和运算的CPLD[1]。

水下光纤通信模块有4路视频采集电路,使用的视频采集ADC为AD9280,它是一款8 bit、CMOS模数转换器,工作频率最高可达32 MHz,工作电压范围在2.7 V~5.5 V之间,完全可以满足本系统的要求。此外,AD9280性价比高。甲板光纤通信模块使用的视频恢复DAC为DAC908E,它是一款低功耗电流输出型8 bit并行高速数模转换器,最大转换速率高达165 MS/s,单端供电电压为3 V或5 V。非常适用于复合视频等方面。

并串和串并转换芯片的数据远距离传输作用非常重要。并串转换芯片将从CPLD得到的数据转换成高速串行的数据流,以满足传输过程对数据速率的要求。而串并转换芯片则是用来将串行的数据流还原成原来的并行数据,然后交给CPLD处理。本系统中使用的串并和并串转换芯片分别为SN65LV1023A和SN65LV1224B,它们是10 bit的串行解串器,工作频率为10 MHz~66 MHz。SN65LV1224B芯片可以还原出嵌在高速串行数据流中的时钟,该时钟用于两模块之间的数据同步。此外,SN65LV1224B还有一个同步提示管脚,当模块两边的时钟同步后,它会输出低电平[2]。

光电转换模块把电信号转换成光信号转换后,视频和数据才能通过光缆进行传输。根据带宽及传输距离的要求,选用了奥雷光电公司的光电转换模块ATR-B2023-ST和ATR-B2024-ST,是非平衡光电转换器件,工作电压为5 V,视频信号带宽为1.25 Gb/s,控制命令速率为84 Mb/s,传输距离可达20 km。

晶振的频率为54 MHz,经过CPLD 4分频后,作为ADC和DAC的工作频率。

2.2 水下设备控制系统

水下设备控制系统主要完成控制设备的打开与关闭、采集供电电压值等。本系统选用的MCU芯片是C8051F020,它具有丰富的片内资源,如64个数字I/O引脚,内嵌12 bit、100 KS/s的8通道ADC,2个12 bit的DAC,片内看门狗定时器等。因此,C8051F020能够满足控制系统的需要,并且为以后的扩展留有很大的空间。

在本系统中,C8051F020通过I/O控制继电器,进而控制设备的打开与关闭;利用内嵌的ADC采集供电电压。

3 系统软件设计

整个系统的软件设计包括视频及数据传输系统、水下设备控制系统和上位机控制界面的程序设计三个部分。

3.1 视频及数据传输系统程序设计[3,4]

该系统主要完成视频和数据的采集、处理及传输等。基于Verilog HDL,采用自上而下的设计方法对可编程器件CPLD进行编程。程序包括1个顶层文件和3个模块,这3个模块分别为:8b/10b编解码模块、曼彻斯特编解码模块和串口接收和发送数据模块。

(1)8b/10b编解码模块。

由于选用的光电转换模块是非平衡的,所以发送给转换模块的数据流必须在CPLD中经过8b/10b平衡编码后,才能保证高速、长距离传输的稳定性。该模块将输入的8 bit数据按照一定的规则编码成10 bit,然后传给光电转换模块。8b/10b编解码模块用来处理视频和传感器数据。

(2)曼彻斯特编解码模块。

控制命令的传输通道速率可达84 Mb/s。同样,为了保证控制命令高速、长距离传输的稳定性,需要对其进行平衡编码。曼彻斯特编码模块将“0”编为“01”,“1”编为“10”,消除直流分量,从而使控制命令具有良好的抗干扰性能。

(3)串口接收和发送数据模块。

水下光纤通信模块中的串口数据接收模块接收从C8051F020传来的数据,然后采用分时复用的方法,与视频数据一起发送到甲板上的光纤通信模块;甲板上的光纤通信模块得到数据后,分别送入相应视频和数据端口。

顶层文件主要完成数据分时复用的控制。当甲板光纤通信模块和水下光纤通信模块同步后,水下光纤通信模块一直发送视频数据;当串口接收数据模块收到传感器数据时,在适当的时候发送传感器数据。程序设计的过程中特别要注意以下两个方面:(1)控制部分应该用有限状态机来编写;(2)串并转换芯片SN65LV1224B的工作时钟由本模块的晶振提供,甲板光纤通信模块则使用由SN65LV1224B恢复出来的时钟作为工作时钟,以保证两模块的同步。

3.2 水下设备控制系统程序设计

水下设备控制系统接收水下光纤通信模块传来的控制命令,通过解析控制命令来控制相应设备的打开与关闭。此外,还要采集供电电压值、读取传感器数据,并将得到的数据打包成数据帧,传给水下光纤通信模块。

3.3 上位机控制界面程序设计[5]

上位机控制界面采用C#开发,开发环境是Visual Studio 2008,整体上可分为5个区域:(1)菜单栏:包括系统配置和其他辅助控制;(2)监视参数区:显示系统运行过程中必要的监视参数;(3)双路视频显示区;(4)水下设备控制区:在系统运行时,对视频及其他设备进行控制;(5)状态栏:显示最新接收的数据帧、系统时间及使用校准文件的状态。

本文设计并实现了一套基于光缆的深海摄像系统,系统已在实验室及南海的海试中获得了成功,在整个海试及后续深海作业的过程中,运行稳定。相对于国外的同类产品,本系统成本较低,性价比高,具有光缆的科考船都可配备本系统。

参考文献

[1]Xilinx Inc.XC95288XL high performance CPLD[EB/OL].(2007-04-03)[2011-09-15].http://www.xilinx.com/sup-port/documentation/xc9500xl.htm.

[2]TI Inc.10 MHz To 66 MHz,10:1 LVDS serializer/deserializ-er.[EB/OL].(2009-12-07)[2011-09-15].http://www.ti.com/product/sn65lv1023a.

[3]陈曦,邱志成,张鹏,等.基于Verilog HDL的通信系统设计[M].北京:中国水利水电出版社,2009.

[4]刘福奇,刘波.Verilog HDL应用程序设计实例精讲[M].北京:电子工业出版社,2009.

摄像系统 篇10

本文介绍的索道摄像系统就是一种典型的特种拍摄设备。通过牵引搭载摄像机的云台在近地低空沿一定的轨迹飞行,跨度从几十米到上千米不等,同时通过操控云台控制摄像机的拍摄角度,从而获得具有独特视角和强烈视觉冲击,既能够给出现场的全景画面,又能够比航拍更多地展现细节,既适用于体育场、广场、电影电视片场等空旷地带应用,又能够在体育馆、大型演播室等室内场合使用。[1]其填补了超低空的镜头空白,得到很多节目制作人员的欢迎,在电影电视拍摄、体育赛事转播等场合被广泛应用。

传统的索道摄像系统一般采用专业摄像机,有的甚至是便携式DV,采用微波系统通过无线方式传输视频信号和控制信号。然而无线传输,由于带宽的限制压缩传输后画质损失较大,且不能对摄像机参数进行实时调整,同时信号延时较长,且易受干扰。由于频率管制问题,多次出现重大活动现场信号受干扰而导致无法正常使用的情况。

为此,中央电视台领导责成播送中心转播部,对索道摄像系统采用有线信号传输方式的技术可行性进行调查,并提交技术报告。为完成此项任务,转播部成立了研发小组,对索道摄像机进行研究和开发工作。

一项目介绍

1.概述

项目立项初期,希望从对各系统要求相对较低的一维系统起步,把精力集中在解决信号有线传输问题上。但经过项目组的反复论证和评估,确认可以在不大量增加预算的基础上,以一种全新的技术方案实现二维运动,最终决定进行二维有线索道摄像系统的研发工作。

经过近两年的时间,项目组从零做起,经过方案论证、理论计算、模型演示、简易系统搭建测试、分系统测试、系统集成及联调、使用测试等几个阶段,完成了一套具有国内自主知识产权的二维有线索道系统的研制。

2.系统特点

400m×60m二维空间高速运动;

广播级摄像机和镜头进行图像采集;

实现摄像机和镜头的全参数实时控制;

高清视频信号与多路控制信号全有线传输;

三轴陀螺稳定确保高速运动中拍摄画面稳定清晰;

运动轨迹规划;

人机界面友好,系统操控具备高度人性化和便利性。

二方案及系统介绍

1.基本原理

二维有线传输索道摄像系统基本原理如图1所示。具体工作过程为:在锚固点间架设的单根承重索上有一辆小车,小车长度可调,地面的牵引滚筒牵引光缆,拖拽小车在承重索上水平运动;小车上安装有动定滑轮组件,通过地面上的升降滚筒,控制动滑轮组件与定滑轮组件之间的相对位置,实现载荷系统的升降运动。

载荷系统由开放式三轴陀螺稳定平台、定轴系统及万向节组成,定轴系统可以抵抗小车加减速和横风的干扰,使稳定平台始终与水平面保持垂直;稳定平台利用高精度惯性敏感器件,通过先进的控制回路,最终实现摄像机的稳定拍摄。

定轴系统和稳定平台的控制信号及摄像机的控制、高清视频信号通过悬挂稳定平台和牵引小车水平运动的光缆传输,在牵引滚筒处通过光滑环将信号引出,实现整个系统信号的有线传输。

2.系统组成

我们将系统分为二维有线传输索道系统和载荷系统两大部分,各部分又有细分,如图2所示。为了高效地开展研制工作,根据以上分系统的不同技术特点合理安排人员和时间。各部分专人负责,根据系统的复杂程度和工作顺序,制定相应的研制计划,各分系统研制同步推进,最后系统集成和联合调试。

下面就各个分系统做进一步介绍。

(1)小车

小车用于悬挂载荷系统,并实现其在承载索上往复移动,结构相对简单,由两个完全相同的小车及之间连接的绳索组成。根据不同的使用需求,设计了多款样式,如图3所示。

牵引索对左右两个小车产生反向的作用力,两个小车距离有增大的趋势,故在其之间用绳索连接,依靠绳索的拉力使其保持固定的距离即可。小车绳索根据每次拍摄画面所需的水平和升降加速度、升降高度以及牵引索的拉力等因素的不同改变长度。

(2)承载系统

系统的承载系统主要由一根轻质、高抗拉强度的承载索、两端的锚定和转向装置、张紧装置以及拉力传感器等组成。

承载索除了承受大跨度下自身挠度产生的拉力,还要承受小车、载荷系统等重量以及风载荷产生的拉力,同时为了保证小车在承载索上高速平稳运动,所以对承载索的抗拉强度、表面粗糙度、耐磨性等有较高要求。目前市面上现有的登山绳已无法满足承载索严苛的技术要求,最终采用定制的专用绳索。

转向装置主要使用滑轮,为了适应不同架设环境需求,设计加工了专用滑轮,其具有重量轻,牢固可靠、方便快速拆装、安装灵活等优点,如图4所示。

牵引光缆既承受载荷系统的重量,又负责光信号的传输。传统的固定方式绳索折弯半径很小,局部应力集中,既不能充分发挥绳索的抗拉强度,又会使光缆内光纤轻易折断,已无法满足有线传输的需要。为此专门设计了一个机械装置——终点连接器,很好地解决了这些问题,同样的装置还用在了承载索锚定、升降索与动滑轮组的连接上,根据使用需求的不同设计了轻载和重载两种。经过多次试验和实际使用的检验,证明使用方便,安全可靠。

锚定的装置和方法,可以根据不同的现场情况因地制宜。经过几次实际运行,也逐渐摸索出了多种常用的方式。在体育场馆或室外有较高锚定点时,可以借助其结构进行架设;在空旷的室外或水面时,必须使用吊车或临时脚手架,如图4所示。

(3)牵引及升降系统

水平牵引和升降牵引系统的主体结构是两个滚筒,配合驱动机构、控制电路、检测装置等,通过中控系统对牵引滚筒和升降滚筒的协同控制,完成载荷系统的水平和升降运动。

由于系统设计方案的原因,滚筒只能采用单层密绕的排缆方式,根据滚筒所需的容线能力、线缆直径等,确定滚筒的直径和长度等尺寸参数,同时考虑搬运、运输、进出电梯、配重等实际使用环境。如图5所示。

根据实际拉力、速度、加速度的要求,驱动机构选用了一款5k W的交流伺服电机,通过同步带传动的方式驱动,驱动定位精度可达厘米级。电机具备无极变速、位置保持能力,具备手动离合功能;可实现远程和本地控制,使用三相380V交流电供电。

为了保证缆绳整齐顺序排布和线缆出入角度的自动调节,使用了排缆器、线缆导向机构等装置,如图6所示。检测装置主要用来检测线缆张力、滚筒转速、圈数,用以反馈载荷系统的运动和位置信息;控制电路采用RS422串口与中控系统通讯,对驱动机构进行速度、速度补偿、正反转、位移补偿等的控制。同时使用多级限位装置,充分保证设备和人员的安全。

此外,牵引滚筒中还设计了与主滚筒同轴的子滚筒,可以根据不同架设跨度容纳多余的牵引光缆,同时在使用结束时收纳放出的牵引光缆,具备独立转动和与主滚筒联动的功能。

(4)中控系统

为了适应不同节目、不同环境下对索道摄像系统的要求,中控系统采用集中控制的方式,即通过一台工控机,结合相应的软硬件,实现信号的采集、计算、输出,从而对系统的运动进行控制。中控系统主要包括运动控制处理系统、牵引升降滚筒控制单元和陀螺仪及镜头控制单元。

运动控制处理系统所有硬件设备集成在1个9U标准航空箱内,根据需求编写相关运动控制算法,并进行人机功能界面、图形化状态及控制界面设计。中控系统的系统架构如图7所示。

(5)信号采集与传输系统

信号采集与传输系统主要包括摄像机及镜头、光缆、光端机、滚筒光纤滑环,如图9所示等。

光缆是本系统的核心组成部分,不仅承担了传输信号的作用,还承受整个载荷系统的重量。需要保证在加减速过程中足够的抗拉强度而不至于断裂;足够的柔软和低摩擦系数,能够在滑轮中高速平滑穿行;在保证足够的抗拉强度基础上,线密度尽量小以克服长跨度下挠度对拉力的影响;同时为了控制滚筒体积,光缆直径尽量小。综合几方面因素,市面上无法找到合适的成品光缆,因而只能自主研发,具体后面将详细介绍。

为保证信号质量,系统使用的是广播级摄像机配广播级镜头,摄像机身有HD-SDI输出,通过光端机直接将1.485Gbps的高清视频信号通过光纤回传。同时全参数控制。摄像师可以远距离控制镜头的变聚焦操作,而且摄像机作为讯道进到转播系统内,也能够保证信号质量,并能够进行实时调整。这样从根本上解决了以往索道摄像系统与其他讯道机位色彩不一致,控制不方便的难题。

为了满足上述条件,选择的光端机需要使用单模光纤,可同时传输1路HD-SDI信号和不少于3路RS422信号,且体积不宜过大,功耗尽可能低。

最终选定的是Sony HDC-P1摄像机,配佳能全伺服广角镜头或标准镜头。光端机定制的是一款国产小型光端机,利用波分复用技术,能同时传输1路HD-SDI和4路RS422信号,12V 1A供电。一端直接固定在定轴系统的下方,另一端集成在中控系统的航空箱内。HD-SDI信号直接进入光端机,传输到控制端中控系统。同时机身和镜头的控制信号通过编码,合成1路RS422信号进入光端机,到中控系统解码,分别由RCP和控制单元控制。

(6)载荷系统

载荷系统由三轴开放式陀螺稳定平台、定轴系统和万向节组成,如图10所示。

定轴系统可以抵抗小车加减速和横风的干扰,使陀螺稳定平台始终与水平面保持垂直。陀螺稳定平台是利用陀螺特性将平台台体姿态稳定在参考坐标系的精密机电装置。[3]其利用高精度惯性敏感器件,通过先进的控制回路,最终实现摄像机的稳定拍摄。使用万向节作为悬挂的主体框架,万向节通过阻尼减震等处理,最大程度减少启动停止时外力对摄像机画面稳定性的影响。

定轴系统和陀螺稳定平台的控制信号及摄像机的控制、高清视频信号通过悬挂载荷系统和牵引小车水平运动的光缆传输,在牵引滚筒处通过光纤滑环将信号引出,实现整个系统信号的有线传输。

二维索道摄像系统的主要技术指标如表1所示。陀螺稳定平台主要技术指标如表2所示。

三技术难点

在近两年的研制过程中,项目组遇到了大大小小无数难题。有的是设计初期未考虑周全,有的是制造复杂程度超出预期,还有的是在测试中发现需要改进的。在成员同心协力下,充分发挥团队的智慧,各个击破,克服了诸多技术难题,最终完成了系统的研制工作。下面介绍一下系统中比较典型的技术难点。

1.索道架设方案

项目组针对索道系统先后提出了十余种架设方案,为了优中选优,围绕这些方案先后进行了大小数十次的深入讨论,详细分析了每种方案的优缺点;为了更真实地推演验证各种方案,专门搭建了实物环境,使用微缩比例模型进行实际运行测试,前后历时两个月,才确定最终方案。

2.光缆的研制

作为有线传输索道系统,合适的光缆是必要条件。最初项目组尝试从市面上寻找高抗拉强度的成品特种光缆,但能够找到的最好的野战光缆其抗拉强度也仅为1500N,只能依靠自己研制。

经过种种实验和改进,最终试制的高抗拉强度光缆,经测试其破断张力为11000N,直径小于4.6mm、线密度约为15g/m,其抗拉强度是同直径军用野战光缆的6倍,线密度仅为4/3,破断点延展率<4%。

同时自行设计集成了光缆测试仪,经过长达十万次的往复疲劳测试,光缆的技术性能完全满足二维有线传输索道摄像系统的需求。

特别还要提一点,光纤接头的熔接需要专用设备,是一个较为复杂的工作。而二维有线传输索道系统每次架设和调试都需要重新制作光纤接头。为了提高工作效率,降低野外施工的难度,采用光纤冷接技术,通过冷接端子(如图13)及相应的工具,可迅速完成光纤接头的制作。在多次实际使用中证明冷接端子操作简单,性能可靠。

3.牵引滚筒设计

牵引滚筒的设计受到了外形尺寸、重量、电机功率、兼容不同跨度架设需求等多方面的限制,设计较为复杂。牵引滚筒包括主滚筒和子滚筒两部分。主滚筒用来差动驱动牵引光缆;子滚筒用于容纳不同跨度多余牵引光缆,与主滚筒同轴,通过一定的锁紧机构与主滚筒相连,以实现独立转动和与主滚筒联动。

在架设牵引光缆时,子滚筒能独立转动以收放调节牵引光缆的长度;在牵引光缆架设完毕后,子滚筒与主滚筒紧固在一起随主滚筒转动。子滚筒只起储缆作用,可以多层往复顺序排缆,需要具备1000m的储缆能力。主滚筒采用光杆和滚珠丝杆结构自动排缆,保证牵引光缆能顺序排布。

为了减少电机功率,通过有限元仿真对滚筒及安装支架等结构进行校核,在保证刚度的情况下,减少滚筒的转动惯量,如图14所示。

四投入使用案例

设备投产后,二维有线索道系统参加了“九三”纪念活动的直播,取得了良好的效果。在此之前,系统还参加了马年春晚、南京青奥会开闭幕式及田径赛事、中华龙舟大赛、南宁体操世锦赛等重大活动(如图15所示),其优异的性能、良好的操控体验、周密的安全设计和富有冲击力的画面取得了节目部门的一致认可。

五结束语

作为近几年台内为数不多的自主研发的广播器材,二维有线传输索道系统受到了各级领导的关注和支持,系统先后获得了2015年度“王选新闻科学技术奖”一等奖及“中国电影电视技术学会科学技术奖”二等奖,同时还申请了十余项专利。

目前,二维有线传输索道摄像系统在台里有一个更为响亮的名字——“天鹰座”,希望本系统能够真正像雄鹰一样,翱翔在更广阔的天地,为电视转播增添更多的色彩。

摘要：为了克服常规索道摄像机信号通过无线传输容易受到干扰的问题,中央电视台启动了有线索道系统的研发工作。经过近两年的论证、设计、制造、集成及软件开发等过程,最终完成了二维有线传输索道摄像机系统。本文对项目的立项背景做了阐述,对系统的原理及各主要部分进行了详细介绍,对研发过程中遇到的难点进行了说明,并对系统近几年投入使用的情况及取得的成果做了展示。

关键词：自主研发,二维索道,有线传输,光缆研制,开放式,陀螺仪稳定云台

参考文献

[1]陈强,韩立国,等.陀螺稳定平台在影视拍摄中的应用[J].广播与电视技术,2011,(9):73-77.

[2]颜枫,陈强.国外索道摄像系统发展概述[J].现代电视技术,2015,(7):82-88.