【慣性技術之窗】看“飛貓”如何飛行——索道攝像系統的介紹


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我們常常在大型體育賽事特別是足球賽、田徑比賽等現場看到,飛行在賽場上空隨著比賽進行不斷運動的小車,這就是我們常說的飛貓,即索道攝像系統。


【慣性技術之窗】看“飛貓”如何飛行——索道攝像系統的介紹

 “飛貓”系統


一、索道攝像系統簡介


    索道攝像系統是一種較為先進的電影電視攝像裝置,可以實現攝像機在一定空間范圍內的運動拍攝。所謂的貓,就是高空中索道上的載體小車——平臺,其外形像一只小貓,故因此而得名。這臺小車承載著攝像機,在空中記錄著一切。攝像機所拍攝到的畫面,由微波信號傳送到地面的轉播車。


    與其他空中拍攝方式相比,索道攝像系統的拍攝高度介于航拍和地面搖臂、軌道等之間,雖然系統架設、調試相對比較復雜,但其具有運動速度快、機動靈活、畫面穩定等突出優點。


二、索道攝像系統的組成


    索道攝像系統通常包括索道系統和攝像平臺兩大部分,兩者之間相對獨立,如圖所示。同一索道系統上可以搭載不同的攝像平臺,同一攝像平臺也可以安裝在不同的索道系統上。


索道攝像系統

索道攝像系統組成


    索道系統實現的主要功能有:牽引攝像平臺在一定空間范圍內平穩運動;實現攝像平臺及攝像機的控制及視頻信號傳輸等。主要包括承載系統、驅動系統、小車、中控系統、信號傳輸系統等。


攝像平臺是固定并驅動攝像機運動的裝置,能夠根據控制指令實現平臺各框架角度和速度控制,還可以集成攝像機變聚焦和光圈控制以及攝像機的參數設置等功能。


三、索道攝像系統的分類


    索道攝像系統可根據不同的技術參數進行分類。


    1)按照在空間運動范圍的不同,可分為一維索道攝像系統、二維索道攝像系統和三維索道攝像系統。


     一維索道攝像系統中,平臺(小車)只能沿著一個固定的方向往復運動,常見的有水平方向、傾斜方向和垂直方向;二維索道攝像系統中,平臺可以在一個垂直平面內水平和垂直兩個方向上往復運動,到達預設平面內的任何位置;三維索道攝像系統中,平臺可以到達預設三維空間中的任何位置。各自的特點如下表所示。


【慣性技術之窗】看“飛貓”如何飛行——

一維索道攝像系統

二維索道攝像系統

三維索道攝像系統


索道攝像系統極其特點


特點

單線索道攝像系統(一維)

點對點懸掛繩索,可快速安裝

可驅動負載15kg,爬坡能力可達到15°

低速運動平穩,高速機動性強,速度可達到40km/h,即10m/s

運行無噪音,無震顫

多線索道攝像系統(二維、三維)

拍攝高度落差:幾十米到上千米

理論上在風速70km/h時,仍可正常使用

跟蹤拍攝主體可達上千米甚至更遠

最高時速可高達130km/h,即36m/s

鏡頭可旋轉360°

沒有震顫,畫面穩定,沒有噪音

架設簡易方便


   2)按照信號傳輸方式的不同,可分為無線傳輸索道攝像系統和有線傳輸索道攝像系統。


    無線傳輸索道攝像系統采用射頻技術,無線微波傳輸視頻及控制信號,具有無需布線、安裝快捷、綜合成本低、施工維護方便等優點。由于無線微波帶寬的限制,信號都必須經編碼、壓縮、調制后傳輸,接收后解壓還原,圖像質量相對原始信號有較大損失,同時還有設備一次性投入較大、信號延時較長和易受干擾等缺點。


有線傳輸索道攝像系統的牽引纜繩是特制的,內含光纖。通過光纖和光端機實現平臺及攝像機的控制信號和視頻信號的無壓縮傳輸,具有傳輸距離遠、信號衰減小、抗干擾能力強、圖像質量高、信號延時小等優點。但是其索道驅動系統結構復雜,牽引光纜織造技術難度大、造價較高,維護技術要求和成本較高。


四、攝像平臺及其原理介紹


整個索道攝像系統的關鍵就是攝像平臺,而攝像平臺的核心就是我們常說的慣性平臺。慣性平臺(Inertial Platform)又稱陀螺穩定平臺,是利用陀螺儀在慣性空間使臺體保持方位不變的精密機電裝置。它是慣性導航系統中的重要部件,用來測量運動載體姿態,并為測量載體線加速度建立參考坐標系,或用于穩定載體上的某些設備。

慣性平臺的結構如下圖所示,由臺體(圖中標記1)、三個單軸陀螺儀、內框架(標記2)、外框架(標記3)、力矩電機、角度傳感器和伺服電子線路等組成。臺體通過內框架和外框架支承在基座上,基座與飛行器固連。如果沿Y軸存在干擾力矩,就會使內框架和臺體繞Y軸轉動。臺體上的y單軸陀螺儀感受轉動角速度,單軸陀螺儀處于積分陀螺的工作狀態,輸出與臺體轉角成正比的信號,通過y伺服電子線路加給y力矩電機。力矩電機輸出與干擾力矩相反方向的力矩,使臺體向原來的方向轉動。當y力矩電機輸出的力矩與干擾力矩相互抵消時,臺體不再轉動,在慣性空間的方位保持不變。當X軸、Z軸存在干擾力矩時道理相同。飛行器轉動時,臺體在慣性空間的方位保持不變,裝在X軸、Y軸、軸上的角度傳感器即輸出飛行器相對于慣性坐標系的轉角。


【慣性技術之窗】看“飛貓”如何飛行——索道攝像系統的介紹



當慣性平臺上安裝的飛行器為攝像機時,則可以隔離移動載體的顛簸、振動對攝像機的影響,使視軸穩定在慣性空間,確保圖像畫面的清晰。


五、索道攝像系統的具體應用


20世紀70年代開始,針對電影電視行業對特種拍攝的需求,主要歐美國家成立了很多從事索道攝像系統研制和服務的公司,如CAMCAT公司、Spidercam公司、Cable-Cam Sweden AB公司、Skycam公司等,其產品廣泛應用于電影、電視、體育賽事、大型活動的拍攝和轉播中。


我國使用索道攝像系統始于2006年,從最開始的技術設備引進,逐步發展到自行研制。經過十多年的發展,已具有一定規模。目前,從事索道攝像系統研制和服務的公司有:北京航天控制儀器研究所、飛貓影視技術(北京)有限公司、山東大江影視器材有限公司等。


    隨著科技的不斷進步,索道攝像系統也不斷發展,產品性能持續提升,應用范圍也越來越廣。從廣告片、紀錄片、大型晚會現場、好萊塢電影大片到奧運會、世界杯等體育賽事的轉播,都能看到索道攝像系統的身影,滿足眾多使用場合對于運動速度和范圍的需求,具有較強的環境適應性和廣闊的應用前景。


常見應用場合






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