[发明专利]柔索牵引摄像机位置的监控方法

摘要

一种柔索牵引摄像机位置的监控方法，解决了现有技术只显示代表位移方向和大小的矢量图像导致显示不直观、控制不精确，不能显示摄像机姿态，仅提供视觉反馈或仅提供位置信息时不易操作的位置控制机的问题。本发明具体步骤包括，将摄像机的位置坐标值、移动速度、四根柔索的索长、水平运动动画、三维运动动画和姿态箭头分别在位置控制机屏幕上显示，画面处理机将摄像机拍摄的视频在画面处理机屏幕显示。观察监视位置控制机屏幕和画面处理机屏幕，通过拨动位置控制手柄和姿态控制手柄控制摄像机移动和转动。本发明具有直观地观测摄像机在工作空间中的位置和运动状态，精确地控制摄像机在工作空间中移动，直观地调节摄像机姿态的优点。

主权项

一种柔索牵引摄像机位置的监控方法，具体步骤如下：(1)安装摄像机并输入工作参数：1a)将摄像机安装到四根柔索支撑立柱中任意一根立柱上的标定点位置处，将摄像机镜头中心对准摄像机安装立柱外的其余三根立柱中任意一根立柱上的标定点；1b)将摄像机拟工作空间的长、宽、高参数输入到位置控制机中；1c)将摄像机安装的标定点坐标值和摄像机镜头对准的标定点坐标值，分别输入到位置控制机中；1d)将设定的索力安全值输入到位置控制机中；(2)显示摄像机的初始状态：2a)将位置控制机的屏幕划分为三个区域：数据显示区、水平运动动画显示区、三维运动动画显示区；数据显示区位于位置控制机屏幕右侧，水平运动动画显示区位于位置控制机屏幕左侧上方，三维运动动画显示区位于位置控制机屏幕左侧下方；2b)按照右手螺旋法则，建立空间直角坐标系O‑XYZ，将摄像机的拟工作空间位于空间直角坐标系O‑XYZ的第一卦限，X轴为拟工作空间的宽度方向，Y轴为拟工作空间的长度方向，Z轴为拟工作空间的高度方向；通过摄像机位置坐标值与四根柔索支撑立柱四个顶点的四个坐标值，采用空间线段长度公式分别计算四根柔索的索长，将摄像机安装的标定点坐标值和四根柔索的索长在数据显示区显示；将摄像机位置坐标值与四根柔索支撑立柱四个顶点的四个坐标值同时进行水平投影变换，采用计算机图形学中坐标转换方法转换成位置控制机屏幕可显示的二维坐标值，在位置控制机屏幕上显示二维坐标值对应的点，将表示摄像机的点分别与表示四根柔索支撑立柱四个顶点的点用线段相连，在水平运动动画显示区显示摄像机的水平运动动画的初始状态；2c)按照右手螺旋法则，建立空间直角坐标系O′‑X′Y′Z′，原点O′为摄像机镜头中心，X′轴正方向为沿摄像机镜头轴线向外的方向；Y′轴正方向为垂直于摄像机镜头轴线向右的方向，Z′轴正方向为垂直于摄像机镜头轴线向上的方向，原点O′与空间直角坐标系O‑XYZ中代表摄像机的点位置重合；在空间直角坐标系O′‑X′Y′Z′中，以原点O′为起点，沿X′轴正方向建立一个固定长度的箭头，代表摄像机姿态， 采用计算机图形学中坐标系转换方法将转动后的姿态箭头转换到空间直角坐标系O‑XYZ中；在空间直角坐标系O‑XYZ中，将摄像机位置坐标值、代表四根柔索支撑立柱的四条线段与姿态箭头同时进行三维投影变换，采用计算机图形学中坐标转换方法转换成位置控制机屏幕可显示的二维坐标值，在位置控制机屏幕上显示二维坐标值对应的点、线段和姿态箭头，将表示摄像机的点分别与表示四根柔索支撑立柱四个顶点的点用线段相连，在三维运动动画显示区显示摄像机的三维运动动画和摄像机的姿态箭头的初始状态；(3)显示摄像机拍摄的视频：将摄像机拍摄的视频通过视频信号传输线传输到画面处理机，画面处理机将视频在画面处理机的屏幕上显示；(4)控制摄像机的位置和姿态：4a)观察数据显示区中的摄像机位置坐标值，当拍摄目标在工作空间内大范围移动时，通过拨动位置控制手柄使显示的位置坐标值调整为操作人员期望的拍摄位置；4b)观察画面处理机屏幕中的拍摄目标，当拍摄目标在画面处理机屏幕内小范围移动时，通过拨动姿态控制手柄控制摄像机俯仰转动和方位转动，使画面处理机屏幕中的拍摄目标位于画面处理机屏幕的中心区域，通过拨动焦距控制手柄，使画面处理机屏幕上的图像清晰；(5)判断索力是否安全：5a)立柱顶端的索力传感器，向位置控制机发送由索力传感器获得的四根柔索的索力值；5b)位置控制机判断四根柔索的索力值中的最大值是否大于步骤1d)中设定的索力安全值，若大于索力安全值，则执行步骤(6)，否则，执行步骤(7)；(6)控制摄像机向下移动：位置控制机发出声音报警，提示四根柔索的索力值中的最大值已经超出索力安全值，通过拨动位置控制手柄使摄像机向下移动，直到位置控制机不再发出声音报警；(7)显示运动参数、运动动画和姿态箭头：7a)按照下式计算摄像机的位置坐标值： x = x 0 + t · Σ i = 1 n V x y = y 0 + t · Σ i = 1 n V y z = z 0 + t · Σ i = 1 n V z 其中，x、y、z分别表示当前时刻空间直角坐标系O‑XYZ中摄像机向X、Y、Z坐标轴的投影到坐标原点的距离；x0、y0、z0分别表示初始时刻空间直角坐标系O‑XYZ中摄像机向X、Y、Z坐标轴的投影到坐标原点的距离；t表示位置控制机连续2次计算的间隔时间；n表示位置控制机从初始时刻到当前时刻所完成的计算次数；Vx、Vy、Vz分别表示当前时刻位置控制手柄发上送的X、Y、Z坐标轴方向的速度矢量；7b)采用矢量运算公式，计算摄像机的移动速度；7c)采用空间线段长度公式，分别计算四根柔索的索长；7d)位置控制机将处理后的摄像机位置坐标值、摄像机的移动速度和四根柔索的索长在数据显示区显示；7e)在空间直角坐标系O‑XYZ中，将摄像机位置坐标值与四根柔索支撑立柱四个顶点的四个坐标值同时进行水平投影变换，采用计算机图形学中坐标转换方法转换成位置控制机屏幕可显示的二维坐标值，在位置控制机屏幕上显示二维坐标值对应的点，将表示摄像机的点分别与表示四根柔索支撑立柱四个顶点的点用线段相连，位置控制机屏幕通过每隔20毫秒刷新一次，在水平运动动画显示区显示水平运动动画；7f)在空间直角坐标系O′‑X′Y′Z′中，将空间直角坐标系O′‑X′Y′Z′按照姿态控制手柄发送的俯仰转动角度值和方位转动角度值分别绕Y′轴和Z′轴转动，采用计算机图形学中坐标系转换方法将空间直角坐标系O′‑X′Y′Z′中的姿态箭头转换到空间直角坐标系O‑XYZ中，在空间直角坐标系O‑XYZ中，将摄像机位置坐标值、代表四根柔索支撑立柱的四条线段与姿态箭头同时进行三维投影变换，采用计算机图形学中坐标转换方法转换成位置控制机屏幕可显示的二维坐标值，在位置控制机屏幕上显示二维坐标值对应的点、线段和姿态箭头，将表示摄像机的点分别与表示四根柔索支撑立柱四个顶点的点用线段相连，位置控制机屏幕通过每隔20毫秒刷新一次，在三维运动动画显示区显示三维运动动画和摄像机的姿态箭头；(8)调整摄像机的位置和姿态：8a)观察数据显示区中的摄像机位置坐标值，当拍摄目标在工作空间内大范围移动时，通过拨动位置控制手柄使显示的位置坐标值调整为操作人员期望的拍摄位置；8b)观察数据显示区中的摄像机移动速度，当显示的摄像机移动速度较快时，通过减小位置控制手柄的倾斜角度，使显示的摄像机移动速度降低；8c)观察水平运动动画显示区中的摄像机水平运动动画，当代表摄像机的圆点移动到水平运动动画的边缘时，通过拨动位置控制手柄使代表摄像机的圆点沿着水平运动动画的矩形边缘移动，使摄像机在工作空间边缘跟随拍摄目标移动，或者通过拨动位置控制手柄使代表摄像机的圆点返回到水平运动动画的矩形内限定区域，使摄像机在工作空间内限定区域跟随拍摄目标移动；8d)观察三维运动动画显示区中的三维运动动画，当代表摄像机的圆点接近三维运动动画中长方体的边界时，通过拨动位置控制手柄使代表摄像机的圆点离开三维运动动画中长方体的边界；8e)观察三维运动动画显示区中的姿态箭头，当拍摄目标改变时，通过拨动姿态控制手柄控制摄像机俯仰转动和方位转动，使箭头指向下一个拍摄目标。