賈云飛， 陳　楊， 邊　鵬

(1. 南京理工大學 機械工程學院， 南京 210094； 2. 北方華安工業(yè)集團有限公司， 齊齊哈爾 161000)

虛擬3D技術中攝像機云臺姿態(tài)高精度定位測試方法研究

賈云飛1， 陳楊1， 邊鵬2

(1. 南京理工大學 機械工程學院， 南京 210094； 2. 北方華安工業(yè)集團有限公司， 齊齊哈爾 161000)

摘要:本文著力于攝像機云臺高精度定位測試方法研究， 使其在虛擬3D圖像合成過程中， 可通過控制攝像機云臺動作完成虛擬3D圖像合成. 本系統(tǒng)在攝像機云臺上加持多路傳感器， 感受攝像機云臺姿態(tài)變化； 通過以高速控制芯片為核心的主控箱模塊進行傳感器數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理； 解析同步信號并同步向3D合成工作站發(fā)送云臺姿態(tài)信息， 最終完成3D圖像合成. 經(jīng)過實驗， 系統(tǒng)可以高速、 準確地采集到多路高精度傳感器數(shù)據(jù)并同步發(fā)送至3D合成工作站， 且具有良好的穩(wěn)定性， 能夠滿足攝影所需的長期開機的工作要求.

關鍵詞:虛擬3D； 攝像機云臺； 高精度定位； 三維運動學模型

0引言

虛擬3D圖像合成的特點是通過識別采集攝像機云臺的動作來完成虛擬3D圖像和視頻圖像的實時合成， 其關鍵技術是對攝像機云臺的高精度定位， 以保證合成的連貫性. 圖像識別技術是在虛擬演播室的藍背景板上刻畫具有一定特征的深藍色格子， 計算機對攝相機拍攝的特征圖像進行匹配識別， 可以獲取攝像機的推拉及方向等姿態(tài)變化， 從而完成虛擬3D圖像與視頻圖像的合成[1]， 圖像識別技術相比于本文所述的機械定位式的缺點有：

1) 其工作過程中需要藍背景板， 限制了其只能在虛擬演播室中使用；

2) 計算機需要對網(wǎng)格圖像進行匹配識別， 數(shù)據(jù)處理時間長， 加大了視頻延時量， 此時攝像機拍攝信號需要專門延時才能和虛擬演播室主機相同步；

3) 因為攝像機必須拍攝到藍格子， 所以在演播室拍攝過程中， 攝像機不能讓物體全部擋住藍格子；

4) 理由同3)所述， 不能實現(xiàn)無限藍箱功能；

5) 由于是對視頻圖像進行算法識別處理， 關鍵的精度問題得不到保障[2].

本文所述機械定位式方法， 在攝像機及云臺上進行改造， 在攝像機云臺各個特征位置加持傳感器， 為了實現(xiàn)對多路傳感器數(shù)據(jù)采集與處理的高實時性和高精度等要求， 本系統(tǒng)基于單片機技術、 串口通信技術、 差分信號-TTL電平技術以及從視頻信號中提取同步信號技術， 設計出了一套高精度定位、 高實時性、 低功耗的嵌入式攝像機云臺姿態(tài)采集系統(tǒng)， 可完成對攝像機云臺姿態(tài)信息的高速采集與數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)的同步發(fā)送. 經(jīng)試驗證明： 該系統(tǒng)能對攝像機云臺進行高精度、 高實時性姿態(tài)定位， 高效地配合完成虛擬3D圖像的合成工作.

1系統(tǒng)

本文所述機械定位式攝像機云臺姿態(tài)定位系統(tǒng)可劃分為3個層次， 即數(shù)據(jù)層、 特征層和決策層， 其中數(shù)據(jù)層由內(nèi)嵌加持在攝像機及云臺上的6個高精度傳感器所測數(shù)據(jù)組成， 特征層由主控箱從6個傳感器所測數(shù)據(jù)中采集并提取出所需要的特征數(shù)據(jù)組成， 決策層將特征層采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過融合、 轉換、 濃縮等數(shù)據(jù)處理過程打包成Free-d格式后等待攝像機同步信號， 待接到同步信號觸發(fā)命令后將數(shù)據(jù)發(fā)送至3D合成工作站已進行進一步的虛擬3D圖像合成.

2傳感器的安裝

攝像機云臺上加持有6個傳感器， 其精度均能達到0.001°， 其中兩個增量式光電傳感器通過3D打印的齒輪嚙合于攝像機鏡頭上， 用于測量ZOOM和FOCUS兩個參數(shù)， 兩個基于串口傳輸?shù)慕^對式光電編碼傳感器同軸安裝于云臺和云臺底座主軸上用于測量云臺和云臺底座橫搖Pan兩個參數(shù)， 兩個基于SSI傳輸協(xié)議的絕對式光電編碼傳感器安裝于云臺和搖臂上， 用于測量俯仰Tilt參數(shù).

3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

3.1系統(tǒng)結構及工作原理

3.1.1系統(tǒng)結構

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由3部分構成： ① 以6路傳感器和攝像機視頻同步信號發(fā)生器為核心的原始信號部分； ② 以單片機和傳感器信息采集模塊為核心的數(shù)據(jù)采集與處理部分； ③ 以485芯片和3D圖像合成工作站為核心的遠距離數(shù)據(jù)傳輸與圖像合成部分. 其中原始信號部分由內(nèi)嵌有6路傳感器的攝像機云臺和攝像機同步信號發(fā)生器組成； 數(shù)據(jù)采集與處理部分由以單片機、 差分信號轉TTL芯片以及串口芯片為核心的傳感器采集模塊組成； 數(shù)據(jù)傳輸與圖像合成部分由以485芯片為核心的TTL轉差分信號模塊和3D圖像合成工作站組成. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體結構如圖 1 所示， 其中電源是由攝像機提供經(jīng)過DC-DC轉換后系統(tǒng)所需的各級電源； 交互模塊包括開關、 零點觸發(fā)、 選擇同步信號以及指示燈.

3.1.2工作原理

安裝于攝像機云臺上的6路傳感器將攝像機的焦點、 焦距以及云臺的姿態(tài)信息轉換成數(shù)字量信息， 隨后以單片機為核心的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理模塊對傳感器信息進行實時采集與數(shù)據(jù)處理， 待接到同步信號的指令后， 將攝像機云臺姿態(tài)信息同步發(fā)送至3D合成工作站， 實現(xiàn)虛擬3D圖像實時合成.

圖 1　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體結構框圖Fig.1　Overall structure diagram of data acquisition system

3.2系統(tǒng)主要模塊

3.2.1以單片機為核心的模塊設計

單片機硬件電路包含： 單片機芯片選型、 與傳感器采集模塊通信、 復位電路、 電壓轉換電路以及LED驅動電路等. 系統(tǒng)選用的單片機芯片為STC15系列， 型號是STC15F2K60S2， 選用其的理由是：

1) 該芯片具有高運算速度， 其單時鐘/機器周期是普通8051單片機的8到12倍而不用改變工作頻率， 一個機器指令不到0.1 μs， 經(jīng)試驗其能在一幀數(shù)據(jù)內(nèi)采集并處理云臺姿態(tài)數(shù)據(jù)5次；

2) 該芯片具有兩組高速異步串行通信端口(可同時使用)， 可在5組管腳之間進行切換， 分時復用可當5組串口使用， 解決了與多路傳感器采集和與3D工作站之間通訊占用多個串口問題；

3) 該芯片集成高精度內(nèi)部R/C時鐘與內(nèi)部復位電路等模塊， 縮小控制箱體積.

3.2.2傳感器采集模塊的設計及數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)選用的用于測量云臺和云臺底座橫搖Pan的兩個絕對式光電編碼傳感器， 其型號為： WN5J25-16 ， 該傳感器具有固定零點， 輸出數(shù)據(jù)為18 b的格雷碼、 無累計誤差、 具有較強的抗干擾能力， 格雷碼只是一種傳輸格式[3]， 需要轉換成二進制才能參與后續(xù)的數(shù)據(jù)處理， 其轉換方式為：

格雷碼：An-1An-2…A2A1A0

對應的二進制數(shù)：Bn-1Bn-2…B2B1B0

其中最高位保留：Bn-1=An-1

其他各位：Bi=Ai⊕Bi+1i=0,1,2,……,n-2[4]

該傳感器分辨率為

該傳感器輸出信號如圖 2 所示， 單片機通過串口通信模塊對其僅進行原始數(shù)據(jù)采集， 串口通信模塊如圖 3 所示， 該模塊在串口芯片與單片機之間增加了瞬變電壓抑制二極管， 起到了靜電保護與防浪涌的作用， 增加系統(tǒng)穩(wěn)定性.

用于測量ZOOM和FOCUS的兩個增量式光電傳感器， 其型號為： RE22D01-01， 該傳感器具有兩路差分信號， 可進行遠距離傳輸， 輸出數(shù)據(jù)為兩路相差半個周期的脈沖[5].

該傳感器輸出信號如圖 4 所示， 由于該傳感器輸出信號兩路差分信號， 而單片機為對地的TTL電平， 故需采用差分信號與TTL互轉模塊作為中介， 如圖 5 所示， 其中T1_A與T1_B為輸入的一路差分信號， 經(jīng)過轉換后輸出TTL高低電平.

用于測量云臺和搖臂俯仰的兩路基于SSI傳輸協(xié)議的絕對式光電編碼傳感器其型號為： WSS-18B， 該傳感器在SSI通信協(xié)議上采用差分信號新型數(shù)據(jù)傳輸， 其交互信號如圖 6 所示， 其采集模塊如圖 7 所示， 圖 7 中Clock_out是單片機為傳感器提供的時序對應為圖 6 中上面的波形， Data_IN是傳感器接到時序后返回的數(shù)據(jù)信息對應圖 6 中下面的波形， 該傳感器數(shù)據(jù)格式為自然二進制碼[6].

圖 2　絕對式傳感器信號波形圖Fig.2　Absolute sensor signal waveform

圖 3　絕對式傳感器信號采集原理圖Fig.3　Absolute sensor signal acquisition principle diagram

圖 4　增量式傳感器信號波形圖 Fig.4　Incremental sensor output signal

圖 5　增量式傳感器信號采集原理圖Fig.5　Incremental sensor signal acquisition principle diagram

圖 6　SSI傳感器信號波形圖Fig.6　SSI sensor signal waveform principle diagram

圖 7　SSI傳感器信號采集原理圖Fig.7　SSI sensor signal acquisition principle diagram

3.2.3同步信號解析模塊的設計

同步信號解析模塊是以LM1981芯片為核心的模塊(見圖 8)， 從復雜的視頻信號中分離出同步信號(見圖 9)， 其周期20 ms(一幀)， 當該模塊解析出同步信號以后觸發(fā)單片機發(fā)送標志位， 單片機檢測到發(fā)送標志位以后通過串口同步發(fā)送數(shù)據(jù)至3D合成工作站.

圖 8　同步信號解析原理圖 Fig.8　Synchronous signal analysis principle diagram

圖 9　同步信號波形圖Fig.9　Synchronous signal waveform

4開機絕對零點設定與校準

通常攝影師在拍攝之前會將攝像機調(diào)整姿態(tài)以對準目標物體， 需要對該姿態(tài)設為絕對零點， 相對于該零點姿態(tài)范圍變動在±180°之間， 采用的3種傳感器中的絕對式光電編碼傳感器具有絕對的位置信息， 所以需要對其進行數(shù)據(jù)處理， 程序如下:

if(Init2_angle<=180)

{

if(Read_angle>=(Init2_angle+180))

{

Read_angle=Read_angle-(360+Init2_angle);

}

else

{

Read_angle=Read_angle-Init2_angle;

}

}

else

{

if(Read_angle<=(Init2_angle-180))

{

Read_angle=360-Init2_angle+Read_angle;

}

else

{

Read_angle=Read_angle-Init2_angle;

}

}

5系統(tǒng)測試與結論

圖 10 為安裝了傳感器的攝像機云臺系統(tǒng)測試現(xiàn)場， 系統(tǒng)上電后， 3D合成工作站收到的數(shù)據(jù)格式如圖 11 所示， 該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率為20 ms， 實驗驗證， 其精度能達到0.001°， 可適用于焦距50 m的室外場景拍攝,其合成效果如圖 12 所示.

圖 10　測試現(xiàn)場Fig.10　Test site

圖 11　數(shù)據(jù)收發(fā)格式Fig.11　Data sending and receiving format

圖 12　室外合成效果Fig.12　Outdoor synthetic effect

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Study on Test Method of High Precision Positioning of Video Camera Rocker System

JIA Yunfei1, CHEN Yang1, BIAN Peng2

(1. School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094， China；2. Northern Huaan Industrial Group Co., Ltd., Qiqihaer 161000， China)

Abstract:This study focused on the high precision positioning of video camera rocker system,the process of virtual image synthesis could be done by controlling the video camera rocker motion.This system installed plurality of sensors to the video camera rocker system to feel the video camera attitude changes.The sensor data acquisition and data processing are carried out by using the master control module which is the core of the high speed control chip.Then the synchronization signal was analysed and the video camera rocker position information was sent to 3D synthesis workstation synchronously, and finally the 3D image synthesis was finished.The test results show that the system can collect the sensor data with high speed and accuracy,and synchronous effect is good. It also has high reliability and strong stability, meet the needs of the long-term work.

Key words:virtual 3D; camera rocker; high precision positioning; 3-D kinematic model

文章編號:1671-7449(2016)03-0208-07

收稿日期:2015-07-09

作者簡介：賈云飛(1977-)， 男， 副研究員， 博士生， 主要從事精密機械、 測試測量等方面的研究.

中圖分類號:TP13

文獻標識碼:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.03.005