黃 芳

（福建省廣播影視集團(tuán)，福建 福州 350001）

0 引 言

機(jī)器人攝像機(jī)是一種新型的拍攝設(shè)備，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)程序控制攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)并讀取其運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)更加靈活和準(zhǔn)確的拍攝。機(jī)器人攝像機(jī)可以采用不同的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)，以適應(yīng)不同的場(chǎng)景和需求。在虛擬演播室中，機(jī)器人攝像機(jī)可以實(shí)現(xiàn)切換鏡頭、定點(diǎn)拍攝、跟蹤移動(dòng)物體等功能，從而使得虛擬場(chǎng)景更加生動(dòng)和多樣化。同時(shí)，機(jī)器人攝像機(jī)還可以與其他技術(shù)如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)更加逼真和沉浸的虛擬演播室體驗(yàn)。

隨著新媒體的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)媒體節(jié)目逐漸向全媒體節(jié)目轉(zhuǎn)變，演播室作為節(jié)目制作必不可少的一環(huán)，也將從傳統(tǒng)單一的電視演播室向全媒體演播室轉(zhuǎn)變。因此，福建省廣播影視集團(tuán)著手建設(shè)全媒體演播室。全媒體演播室建成后，將主要用于融媒體中心《福建新聞聯(lián)播》《福建衛(wèi)視新聞》《新聞啟示錄》欄目，兼顧《早安福建》《午間新時(shí)空》《東南晚報(bào)》欄目，以及新聞?lì)l道和網(wǎng)絡(luò)電視臺(tái)個(gè)別欄目總計(jì)約9個(gè)欄目的使用。演播室每日平均使用時(shí)長(zhǎng)在9 h以上。因節(jié)目眾多，且各檔節(jié)目機(jī)位要求不同，為了提高效率，保證節(jié)目質(zhì)量，演播室在設(shè)計(jì)之初就決定使用機(jī)器人攝像機(jī)，以便在使用過(guò)程中可以快速調(diào)用機(jī)位，調(diào)用攝像機(jī)運(yùn)行軌跡。同時(shí)，因?yàn)檠莶ナ铱臻g原因，無(wú)法使用搖臂攝像機(jī)拍攝全景，故最終確認(rèn)選用軌道機(jī)器人及固定機(jī)器人攝像機(jī)。

1 設(shè)計(jì)要求

全媒體演播室作為融合媒體的核心，演播形式多樣化，需要呈現(xiàn)各種的播報(bào)形式，如現(xiàn)場(chǎng)連線、嘉賓訪談、互動(dòng)點(diǎn)評(píng)、虛實(shí)結(jié)合等。播報(bào)形式多樣，對(duì)攝像機(jī)提出了更高要求。綜合考慮各方需求之后，技術(shù)團(tuán)隊(duì)最終確定，機(jī)器人攝像機(jī)系統(tǒng)需具備以下功能。

（1）機(jī)器人攝像機(jī)需要遠(yuǎn)程控制功能，在使用時(shí)實(shí)現(xiàn)演播室無(wú)攝像員站機(jī)。

（2）虛擬演播室效果，要求機(jī)器人攝像機(jī)能和虛擬渲染引擎相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)虛擬演播室功能。

（3）演播室系統(tǒng)需配備集中控制系統(tǒng)，機(jī)器人攝像機(jī)要能受控于集中控制系統(tǒng)。

（4）與LED大屏的渲染引擎配合，實(shí)現(xiàn)演播廳內(nèi)擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)功能。

2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 機(jī)器人攝像機(jī)遠(yuǎn)程控制功能

機(jī)器人攝像機(jī)的遠(yuǎn)程控制功能，即通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)器人攝像機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制。將控制機(jī)器人攝像機(jī)的計(jì)算機(jī)（以下簡(jiǎn)稱控制計(jì)算機(jī)）與受控機(jī)器人攝像機(jī)接入同一網(wǎng)絡(luò)，用網(wǎng)絡(luò)連通控制計(jì)算機(jī)與機(jī)器人攝像機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制功能。

機(jī)器人攝像系統(tǒng)由攝像機(jī)承載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及軌道構(gòu)成。攝像機(jī)承載系統(tǒng)包括軌道車、升降柱及遙控云臺(tái)[1]。遙控云臺(tái)是攝像機(jī)承載系統(tǒng)的核心，不僅要控制攝像機(jī)的升降、旋轉(zhuǎn)、俯仰、攝像機(jī)鏡頭的變焦及聚焦，還要通過(guò)鏡頭及平臺(tái)上的編碼器獲取攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

機(jī)器人攝像機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。所有設(shè)備通過(guò)以太網(wǎng)連接在交換機(jī)上。控制計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸控制信息。攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器CMC解碼這些控制信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像機(jī)鏡頭推拉搖移，機(jī)位升降移動(dòng)等具體動(dòng)作的執(zhí)行，同時(shí)，CMC也反饋回?cái)z像機(jī)及云臺(tái)的各種參數(shù)數(shù)據(jù)。

圖1 機(jī)器人攝像機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)

控制系統(tǒng)中，首先需要在配置程序中對(duì)攝像機(jī)鏡頭、機(jī)器行走限位等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以使機(jī)器人更適合實(shí)際場(chǎng)地的操作使用?？刂朴?jì)算機(jī)與遙控面板均可實(shí)現(xiàn)對(duì)三臺(tái)攝像機(jī)的遠(yuǎn)程控制，雙重備份模式提高了系統(tǒng)的安全性。在控制系統(tǒng)操作軟件中，可以存儲(chǔ)歷史鏡頭、運(yùn)動(dòng)軌跡等，每次使用可以直接調(diào)用，解決了人為拍攝難以高精度實(shí)現(xiàn)重復(fù)運(yùn)動(dòng)軌跡的問(wèn)題，可以提高節(jié)目拍攝效率，釋放人力資源[2]。此外，相較于傳統(tǒng)的拍攝，軌道機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)多種不同的拍攝手法，給觀眾帶來(lái)良好的觀看效果。軌道機(jī)器人還能進(jìn)行俯仰拍攝，能夠擴(kuò)大拍攝角度[3]。

2.2 機(jī)器人攝像機(jī)與虛擬演播室系統(tǒng)結(jié)合

虛擬演播室中，與機(jī)器人攝像機(jī)相關(guān)的技術(shù)包括攝像機(jī)跟蹤技術(shù)與定位技術(shù)。本項(xiàng)目中使用的是機(jī)電傳感跟蹤定位方式。機(jī)電跟蹤是目前應(yīng)用最為廣泛的一種技術(shù)。這種跟蹤技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不需要其他的設(shè)備處理跟蹤數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)延時(shí)、穩(wěn)定跟蹤，不受外界信號(hào)光源的影響[4]，機(jī)器人攝像機(jī)可以放置在演播廳的任意位置。設(shè)備使用上，配備了三臺(tái)虛擬渲染主機(jī)，每臺(tái)主機(jī)均配備一張廣播級(jí)專業(yè)視頻卡和一張Nividia P6000三維渲染卡，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)虛擬4路信號(hào)的開窗。

機(jī)器人攝像機(jī)的遙控云臺(tái)不僅控制攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)，也收集編碼器的數(shù)據(jù)，將編碼器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)RS-422數(shù)據(jù)線，以Free-D協(xié)議方式傳送給虛擬渲染服務(wù)器。虛擬渲染服務(wù)器隨著攝像機(jī)位置發(fā)生變化，提供實(shí)時(shí)渲染圖像，從而將攝像機(jī)拍攝畫面與虛擬服務(wù)器產(chǎn)生的三維背景結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)拍攝畫面與三維背景的同步變化，呈現(xiàn)更真實(shí)的效果。機(jī)器人攝像機(jī)與虛擬系統(tǒng)物理鏈路如圖2所示。

圖2 機(jī)器人攝像機(jī)與虛擬系統(tǒng)物理鏈路圖

2.3 機(jī)器人攝像機(jī)與集中控制系統(tǒng)

集中控制系統(tǒng)需要控制機(jī)器人攝像機(jī)，但因?yàn)閺S家并未放開控制協(xié)議，所以無(wú)法直接控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。對(duì)此，可采用傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）方式連接機(jī)器人控制主機(jī)，用間接的方式控制機(jī)器人控制軟件，從而達(dá)到控制機(jī)器人的目的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要放開機(jī)器人控制軟件的權(quán)限，使控制軟件處于被控狀態(tài)，再通過(guò)機(jī)器人控制軟件開放協(xié)議中的三個(gè)有效參數(shù)（CAMM NUMBER，SHOT NUMBER，SHOW NUMBER），實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的攝像機(jī)號(hào)、鏡頭號(hào)、場(chǎng)景號(hào)的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制。機(jī)器人集中控制物理鏈路如圖3所示。

圖3 機(jī)器人集中控制物理鏈路示意圖

2.4 與LED大屏相結(jié)合實(shí)現(xiàn)XR功能

擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（Extended Reality，XR）是指通過(guò)計(jì)算機(jī)將真實(shí)與虛擬相結(jié)合，打造一個(gè)可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的虛擬環(huán)境[5]。本項(xiàng)目利用發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED）顯示屏和攝像機(jī)虛擬跟蹤技術(shù)，將虛擬內(nèi)容顯示在LED顯示屏上。同時(shí)，虛擬內(nèi)容隨著攝像機(jī)視角和位置的改變做出相應(yīng)的變換，給觀眾以逼真的透視效果，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界的擴(kuò)展。

系統(tǒng)構(gòu)成為一臺(tái)軌道機(jī)器人攝像機(jī)，一臺(tái)大屏包裝渲染服務(wù)器，一臺(tái)虛擬渲染服務(wù)器。兩臺(tái)服務(wù)器均搭載了NIVIDIA P6000三維渲染卡。將軌道機(jī)器人攝像機(jī)云臺(tái)發(fā)送的編碼器實(shí)時(shí)參數(shù)分為兩路，一路送給大屏渲染服務(wù)器，一路送給虛擬渲染服務(wù)器。這樣，大屏背景與虛擬服務(wù)器渲染出的虛擬前景畫面均會(huì)隨著攝像機(jī)位置移動(dòng)發(fā)生變化，打造出一個(gè)真實(shí)中有虛擬變化、現(xiàn)實(shí)與虛擬無(wú)縫對(duì)接的XR場(chǎng)景。機(jī)器人攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)的物理鏈路如圖4所示。

圖4 擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)物理鏈路圖

3 系統(tǒng)難點(diǎn)問(wèn)題解決

3.1 軌道機(jī)器人軌道水平的調(diào)整

本項(xiàng)目中，軌道全長(zhǎng)23 m。軌道搭建好之后，需要對(duì)軌道進(jìn)行調(diào)平。因?yàn)檐壍罏閺澻?，機(jī)器人攝像機(jī)在快速運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的離心力。這時(shí)候，軌道稍有不平，就會(huì)導(dǎo)致攝像機(jī)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象。只有調(diào)整好水平，才能使機(jī)器人攝像機(jī)在軌道行走時(shí)的晃動(dòng)盡量小。

調(diào)整水平時(shí)，借助激光水平儀在軌道平面打基準(zhǔn)線，用于檢查和調(diào)整水平。通過(guò)反復(fù)調(diào)整軌道螺絲來(lái)調(diào)整高度，使軌道達(dá)到水平。

3.2 機(jī)器人攝像機(jī)虛擬跟蹤的實(shí)現(xiàn)

之前的虛擬系統(tǒng)中，攝像機(jī)均為固定位置攝像機(jī)，涉及的跟蹤參數(shù)僅有云臺(tái)俯仰和平搖，以及攝像機(jī)鏡頭的變焦及聚焦信息。而軌道機(jī)器人攝像機(jī)新增了對(duì)攝像機(jī)在軌道上位置的實(shí)時(shí)跟蹤。軌道機(jī)器人的軌道編碼輪位于軌道末端，跟隨皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)，采集到的實(shí)時(shí)位置為軌道車底盤位置，并非攝像機(jī)實(shí)際位置。為了與虛擬系統(tǒng)相結(jié)合，需要根據(jù)幾何原理，將軌道車位置通過(guò)相應(yīng)的計(jì)算公式轉(zhuǎn)換為虛擬系統(tǒng)所需的攝像機(jī)三維空間位置信息。

與虛擬系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤定位，采用的是兩點(diǎn)定位方式。定位時(shí)，需選取空間中的兩個(gè)點(diǎn)為虛擬系統(tǒng)的定位點(diǎn)，兩個(gè)點(diǎn)中其中一個(gè)為虛擬演播室的三維坐標(biāo)原點(diǎn)，另一個(gè)則為任意選取點(diǎn)。

定位時(shí)，通過(guò)一組軌道車在軌道上不同位置拍攝定位原點(diǎn)時(shí)編碼器回傳的位置及角度數(shù)據(jù)，利用計(jì)算公式，系統(tǒng)會(huì)近似計(jì)算出軌道的形狀。采樣點(diǎn)越多，精確度越好。然后，把所得數(shù)據(jù)傳給虛擬引擎做基準(zhǔn)，虛擬系統(tǒng)渲染的場(chǎng)景就可以與真實(shí)空間匹配。

軌道長(zhǎng)度較長(zhǎng)，且是弧形軌道，因此越靠近兩端，虛擬跟蹤校準(zhǔn)就越難。為了保證精度，需要在兩端位置選取更多的采樣點(diǎn)，以保證兩端計(jì)算結(jié)果的精確度。

4 設(shè)備使用中遇到的問(wèn)題及解決方法

機(jī)器人攝像機(jī)系統(tǒng)在福建省廣播影視集團(tuán)使用一段時(shí)間后，系統(tǒng)本身比較穩(wěn)定，但是也遇到一些問(wèn)題，可以分為硬件問(wèn)題和軟件問(wèn)題。

4.1 硬件問(wèn)題

4.1.1 機(jī)器人攝像機(jī)急停

機(jī)器人攝像機(jī)使用初期，操作人員不熟悉操作，機(jī)器人誤碰了演播區(qū)其他設(shè)備，此時(shí)機(jī)器人攝像機(jī)保護(hù)系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)急停。對(duì)此，解決方法是按下機(jī)器人安全保護(hù)系統(tǒng)上綠色按鈕，解除機(jī)器人緊急停止?fàn)顟B(tài)。

4.1.2 控制盒死機(jī)

觸控屏控制軟件突然不能控制軌道機(jī)器人攝像機(jī)，此時(shí)軟件運(yùn)行正常，能夠正?？刂破渌麅膳_(tái)固定機(jī)器人攝像機(jī)。這種情況是軌道機(jī)器人控制盒WALL BOX死機(jī)，解決方法為重啟控制盒。

4.2 軟件問(wèn)題

軟件問(wèn)題大多是機(jī)器人攝像機(jī)信號(hào)與虛擬信號(hào)出現(xiàn)錯(cuò)位，場(chǎng)景無(wú)法隨著攝像機(jī)拍攝到的信號(hào)做出相應(yīng)的變化。對(duì)于此問(wèn)題，排除攝像機(jī)跟蹤故障后，解決方式是在虛擬軟件中對(duì)機(jī)器人攝像機(jī)進(jìn)行重新定位設(shè)置，恢復(fù)其與場(chǎng)景的匹配。

5 應(yīng)用效果

機(jī)器人攝像機(jī)投入使用后，大大增強(qiáng)了鏡頭的靈活性和多樣性，與虛擬場(chǎng)景相結(jié)合，增強(qiáng)了節(jié)目的藝術(shù)效果。同時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，經(jīng)受住了每天長(zhǎng)達(dá)9 h的運(yùn)行考驗(yàn)。每天有9檔欄目使用機(jī)器人攝像機(jī)進(jìn)行直播或節(jié)目錄制，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié) 語(yǔ)

隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，機(jī)器人攝像機(jī)在虛擬演播室中的應(yīng)用將越來(lái)越智能化和自主化。隨著應(yīng)用場(chǎng)景的不斷拓展和多樣化，機(jī)器人攝像機(jī)在虛擬演播室中的應(yīng)用也將越來(lái)越多樣化和定制化。應(yīng)用的廣泛和場(chǎng)景的多樣，將給機(jī)器人攝像機(jī)在虛擬演播室中的應(yīng)用帶來(lái)安全性和可靠性方面的挑戰(zhàn)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，相信機(jī)器人攝像機(jī)在虛擬演播室中的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越成熟和完善，為人類創(chuàng)造更加美好的未來(lái)。