藝卡智能移動(dòng)拍攝系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

　　【摘要】 沈陽(yáng)廣電傳媒集團(tuán)研發(fā)的藝卡智能移動(dòng)拍攝系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)藝卡)于2018年8月研發(fā)成功，10月在公共頻道200演播室試運(yùn)行，2018年9月廣電總局規(guī)劃院廣電計(jì)量檢測(cè)中心對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)證。本文對(duì)藝卡涉及的相關(guān)技術(shù)、系統(tǒng)架構(gòu)及系統(tǒng)軟件進(jìn)行了詳述。藝卡的成功研發(fā)與應(yīng)用，為廣播電視制作智能化提升推進(jìn)提供有益的借鑒。

　　【關(guān)鍵詞】 演播室智能拍攝 精準(zhǔn)拍攝 拍攝主體跟蹤 無(wú)軌移動(dòng) 微距運(yùn)動(dòng)拍攝和動(dòng)態(tài)跟蹤拍攝

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　　一.引言

　　目前，廣播電視節(jié)目制作已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)全新的階段，廣電專(zhuān)用機(jī)器人在綜藝晚會(huì)、新聞演播間、體育賽事、VR制作等很多方面大顯身手。常見(jiàn)的專(zhuān)用機(jī)器人主要是軌道機(jī)器人。軌道機(jī)器人受軌道和線(xiàn)纜的限制，拍攝空間有限。且這些智能拍攝設(shè)備基本都是國(guó)外進(jìn)口，尚無(wú)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品，一般價(jià)格較高，讓很多廣播電視臺(tái)和制作單位難以承受，導(dǎo)致技術(shù)推廣受限，應(yīng)用有限。

　　藝卡以國(guó)產(chǎn)機(jī)器人為攝像機(jī)承載載體，自主研發(fā)軟件控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能拍攝，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)拍攝、拍攝主體跟蹤、無(wú)軌移動(dòng)、微距運(yùn)動(dòng)拍攝和動(dòng)態(tài)跟蹤拍攝等功能。為實(shí)現(xiàn)廣播電視拍攝智能化，提高電視節(jié)目制播效率，對(duì)廣播電視行業(yè)科技進(jìn)步起到極大的推動(dòng)作用。

　　二.藝卡智能移動(dòng)拍攝系統(tǒng)涉及的相關(guān)技術(shù)

　　藝卡通過(guò)復(fù)合機(jī)器人和攝像機(jī)12個(gè)參數(shù)的協(xié)同控制實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)拍攝。本系統(tǒng)創(chuàng)造性的將復(fù)合機(jī)器人和攝像機(jī)組成一個(gè)完整的移動(dòng)拍攝系統(tǒng)，其中復(fù)合機(jī)器人由傳統(tǒng)的AGV機(jī)器人和機(jī)器臂機(jī)器人兩種工業(yè)機(jī)器人復(fù)合而成。在實(shí)現(xiàn)移動(dòng)拍攝時(shí)，要保持?jǐn)z像機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)拍攝目標(biāo)主體的清晰度和合適的曝光度，需要AGV機(jī)器人、機(jī)器臂機(jī)器人、攝像機(jī)協(xié)同工作，機(jī)器人和機(jī)器臂的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與攝像機(jī)的光圈大小、焦距等參數(shù)有著緊密的關(guān)系，存在著極大的參數(shù)相關(guān)性，且這種參數(shù)相關(guān)性并非單一的相關(guān)，而是多參數(shù)相互交叉的復(fù)合相關(guān)。需要將多維度的參數(shù)進(jìn)行融合，建立統(tǒng)一、復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)協(xié)同并發(fā)算法才能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)拍攝。在本系統(tǒng)中AGV具有直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、速度(加速度)、轉(zhuǎn)動(dòng)3個(gè)維度的參數(shù);機(jī)器臂具有6個(gè)軸向的角度(角速度)6個(gè)維度的參數(shù);攝像機(jī)主要具有焦距、光圈、推拉3個(gè)維度的參數(shù)，上述12個(gè)維度的參數(shù)經(jīng)過(guò)協(xié)同控制軟件模塊進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)同控制，達(dá)到精準(zhǔn)拍攝，實(shí)現(xiàn)了人工拍攝無(wú)法達(dá)到的效果。

　　1.機(jī)械機(jī)構(gòu)單元實(shí)施方式

　　機(jī)械機(jī)構(gòu)是智能移動(dòng)機(jī)器人的骨架，由機(jī)器臂和AGV車(chē)對(duì)接而成。機(jī)械臂采用的型號(hào)是新松SR5CL型，為6軸機(jī)械臂，機(jī)械臂由本體和控制系統(tǒng)組成。本體包含電機(jī)、減速機(jī)等驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件;控制系統(tǒng)保證機(jī)械臂的正確方向及承受由于工件的重量所產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)的力矩。機(jī)械臂包括6個(gè)自由度，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人伸縮、旋轉(zhuǎn)和升降等動(dòng)作。AGV車(chē)使用新松倉(cāng)儲(chǔ)地標(biāo)感測(cè)智能車(chē)，有蔽障、路徑規(guī)劃的能力。

　　支撐機(jī)器人所有的模塊，動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)單元為智能移動(dòng)機(jī)器人提供動(dòng)力來(lái)源;環(huán)境感知單元負(fù)責(zé)對(duì)周?chē)沫h(huán)境進(jìn)行感知識(shí)別及各種參數(shù)的收集，然后通過(guò)轉(zhuǎn)換成控制模塊可以識(shí)別的光電信號(hào)，輸入到控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理;執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元為智能移動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行部分，能根據(jù)控制中心的命令執(zhí)行命令，完成任務(wù);信息處理與控制單元作為整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的核心部分，將來(lái)自傳感器部分采集到的信息進(jìn)行集中匯總存儲(chǔ)，對(duì)所有信息分析、規(guī)劃、決策并輸出命令，使機(jī)器人有目的運(yùn)行。

　　2.操作系統(tǒng)

　　智能移動(dòng)拍攝系統(tǒng)的控制部分由沈陽(yáng)廣電傳媒集團(tuán)自主研發(fā)的“藝卡智能移動(dòng)拍攝遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)”實(shí)現(xiàn)。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)從軟件架構(gòu)上可歸納為三個(gè)層面，底層為指令執(zhí)行層，主要向中間層反饋當(dāng)前拍攝系統(tǒng)狀態(tài)，并根據(jù)收到的指令執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作;中間層為協(xié)同控制層，根據(jù)系統(tǒng)輸入信息計(jì)算智能拍攝系統(tǒng)的控制指令，是軟件控制系統(tǒng)的核心部分;頂層為拍攝場(chǎng)景設(shè)計(jì)層，為操作人員提供軟件控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，用于設(shè)計(jì)拍攝動(dòng)作，也可以根據(jù)預(yù)設(shè)值自動(dòng)生成機(jī)器人的拍攝動(dòng)作。

　　遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)從實(shí)現(xiàn)功能上可劃分為5個(gè)模塊：人體檢測(cè)跟蹤模塊、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制模塊、場(chǎng)景編排設(shè)計(jì)模塊、相機(jī)鏡頭控制模塊和主控模塊。人體檢測(cè)跟蹤模塊完成攝像機(jī)拍攝視頻中目標(biāo)人體位置的持續(xù)檢測(cè)和跟蹤;機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制模塊根據(jù)主控模塊的指令，控制調(diào)整機(jī)器人的拍攝角度，位置和運(yùn)動(dòng)軌跡;場(chǎng)景設(shè)計(jì)編排模塊根據(jù)預(yù)設(shè)拍攝需求自動(dòng)生成機(jī)器人的拍攝動(dòng)作，并根據(jù)拍攝動(dòng)作發(fā)送控制指令。相機(jī)鏡頭控制模塊根據(jù)收到的控制指令調(diào)整鏡頭的各項(xiàng)參數(shù)。主控模塊實(shí)現(xiàn)上述功能模塊的消息同步與協(xié)同控制，通過(guò)消息機(jī)制無(wú)延遲收發(fā)信息，使機(jī)器人完成拍攝任務(wù)，也為后續(xù)模塊升級(jí)和功能擴(kuò)展提供了接口。

　　3.主要功能特點(diǎn)

　　該系統(tǒng)具有精準(zhǔn)拍攝、拍攝主體跟蹤、無(wú)軌移動(dòng)、微距運(yùn)動(dòng)拍攝和動(dòng)態(tài)跟蹤拍攝等五大特點(diǎn)，是機(jī)器人技術(shù)和人工智能技術(shù)在廣電領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。

　　4.關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

　　(1)拍攝主體跟蹤技術(shù)

　　基于人工智能的拍攝主體識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了精確聚焦的目標(biāo)跟蹤。

　　本系統(tǒng)創(chuàng)造性的將人工智能的理念和算法應(yīng)用到拍攝目標(biāo)識(shí)別中，能夠根據(jù)不同的目標(biāo)主體進(jìn)行輪廓識(shí)別，將識(shí)別的輪廓區(qū)域通過(guò)平面重心提取算法，提取拍攝主體的重心點(diǎn)后，AGV 和機(jī)器臂以此進(jìn)行高速修正，將攝像機(jī)聚焦到目標(biāo)重心，隨后計(jì)算出恰當(dāng)?shù)臄z像機(jī)焦距參數(shù)值，反饋至協(xié)同控制模塊，不斷調(diào)整機(jī)器人、攝像機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)了精確聚焦的目標(biāo)跟蹤。

　　(2)精準(zhǔn)拍攝技術(shù)

　　使用高精度的移動(dòng)軌跡標(biāo)定技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了同一軌跡多次高精度重復(fù)拍攝。

　　系統(tǒng)所使用的機(jī)器人和機(jī)器臂具有毫米級(jí)的精度，保證了攝相機(jī)拍攝點(diǎn)位的精度。在移動(dòng)拍攝的過(guò)程中，將攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡通過(guò) 12 個(gè)維度的參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)分割，分割成基于時(shí)間軸的切分點(diǎn)，同時(shí)對(duì)點(diǎn)間的參數(shù)變化進(jìn)行擬合算法標(biāo)定，即運(yùn)動(dòng)軌跡標(biāo)定。然后記憶存儲(chǔ)，存為拍攝場(chǎng)景。在每次同軌拍攝時(shí)，通過(guò)自動(dòng)定點(diǎn)復(fù)位和校正措施，從而實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)的運(yùn)動(dòng)軌跡重復(fù)拍攝。