基于Unity的攝像機(jī)仿真操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

張紹江

(天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 天津300350)

基于Unity的攝像機(jī)仿真操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

張紹江

(天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 天津300350)

視頻拍攝用攝像機(jī)是電視節(jié)目制作領(lǐng)域使用到的關(guān)鍵設(shè)備，需要多次反復(fù)練習(xí)才可達(dá)到熟練操作的目的。在研究基于 Unity的虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)技術(shù)的基礎(chǔ)上，以輔助學(xué)生課堂實(shí)踐教學(xué)、降低設(shè)備投入及運(yùn)行成本為目的，通過(guò)對(duì)攝像機(jī)仿真操作系統(tǒng)的功能需求分析，從攝像機(jī)的基本操作入手，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一套攝像機(jī)仿真操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)改變虛擬攝像機(jī)的光軸旋轉(zhuǎn)、位移變化和視場(chǎng)角大小來(lái)模擬真實(shí)攝像機(jī)的推、拉、搖、移、跟等運(yùn)動(dòng)鏡頭的拍攝。

Unity 虛擬現(xiàn)實(shí) 攝像機(jī)仿真 交互

0 引 言

攝像機(jī)仿真系統(tǒng)是在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上，將真實(shí)世界中攝像機(jī)的固定畫(huà)面拍攝方法和推、拉、搖、移、跟等移動(dòng)攝像操作功能通過(guò)三維建模、交互開(kāi)發(fā)等數(shù)字化手段進(jìn)行模擬再現(xiàn)，提供給用戶進(jìn)行仿真操作的系統(tǒng)。通過(guò)場(chǎng)景中的虛擬攝像機(jī)，用戶可以及時(shí)、沒(méi)有限制地觀察三維空間內(nèi)的事物。[1]該系統(tǒng)可以脫離攝像機(jī)這一硬件設(shè)備而進(jìn)行虛擬操作，是影視節(jié)目制作領(lǐng)域和電視攝像實(shí)踐教學(xué)領(lǐng)域在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的產(chǎn)物。

1 系統(tǒng)需求分析

攝像機(jī)仿真系統(tǒng)是以輔助電視攝像實(shí)踐教學(xué)，滿足學(xué)歷教育學(xué)生、技能培訓(xùn)學(xué)員和攝像師崗位從業(yè)人員脫離真實(shí)設(shè)備環(huán)境進(jìn)行實(shí)踐操作為目的所開(kāi)發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。它以實(shí)物設(shè)備為藍(lán)本，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)再現(xiàn)其使用環(huán)境與操作流程，通過(guò)交互設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)虛擬操作，主要包含設(shè)備展示和仿真操作等功能。

1.1 設(shè)備展示功能

攝像機(jī)是攝像機(jī)仿真系統(tǒng)的核心設(shè)備，在系統(tǒng)中加入設(shè)備展示功能，可對(duì)該設(shè)備進(jìn)行細(xì)致查看，了解設(shè)備的具體外觀和各功能部件的位置。在該功能中，用戶可以通過(guò)拖動(dòng)鼠標(biāo)和滾動(dòng)滾輪旋轉(zhuǎn)和縮放展示的設(shè)備，以對(duì)設(shè)備進(jìn)行全方位觀察和了解，如圖1所示。

圖1 設(shè)備展示功能示意圖Fig.1 Display function of the equipment

1.2 仿真操作功能

攝像機(jī)仿真系統(tǒng)的核心功能就是仿真操作。通過(guò)鍵盤(pán)按鍵或界面按鈕交互操作改變場(chǎng)景中虛擬攝像機(jī)的焦距、光軸旋轉(zhuǎn)方向和機(jī)位移動(dòng)方向模擬攝像機(jī)的推、拉、搖、移、跟等運(yùn)動(dòng)拍攝的操作，如圖2所示。

圖2 仿真操作功能示意圖Fig.2 Simulation equipment’s operation functions

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 設(shè)備展示功能的實(shí)現(xiàn)

設(shè)備展示功能可以允許用戶通過(guò)操作鼠標(biāo)左鍵在窗口中拖動(dòng)使物體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并且通過(guò)鼠標(biāo)滾輪的操作對(duì)場(chǎng)景中的物體進(jìn)行縮放。這兩個(gè)功能分別通過(guò)場(chǎng)景中三維物體的旋轉(zhuǎn)和位置的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中旋轉(zhuǎn)需要使用到Unity中提供的四元數(shù)Quaternion[2]中的Euler()方法。該功能的核心代碼如圖3所示。

圖3 設(shè)備展示功能的核心代碼Fig.3 Core codes of the equipment display function

2.2 仿真操作功能的實(shí)現(xiàn)

攝像機(jī)仿真功能的實(shí)現(xiàn)需要對(duì)虛擬攝像機(jī)的旋轉(zhuǎn)、位移和焦距進(jìn)行調(diào)節(jié)。其中旋轉(zhuǎn)變化模擬攝像機(jī)各個(gè)方向搖鏡頭的操作，位移變化模擬移、跟鏡頭的操作，焦距變化模擬推、拉鏡頭的操作。其中位移的變化使用Translate函數(shù)實(shí)現(xiàn)、旋轉(zhuǎn)變化使用Rotate函數(shù)實(shí)現(xiàn)、焦距的變化使用視場(chǎng)角屬性Field Of View值的改變實(shí)現(xiàn)。其核心代碼如圖4所示。

圖4 仿真操作功能的核心代碼(1)Fig.4 Core codes of the equipment operation function(a)

圖4 仿真操作功能的核心代碼(2)Fig.4 Core codes of the equipment operation function(b)

3 結(jié) 語(yǔ)

在應(yīng)用領(lǐng)域中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使眾多傳統(tǒng)行業(yè)和產(chǎn)業(yè)發(fā)生了革命性的改變。[3]學(xué)習(xí)新知識(shí)、技能的方法也在隨之變化，對(duì)于一些價(jià)格昂貴而又需要反復(fù)操作的設(shè)備，可以從實(shí)物操作練習(xí)向虛擬仿真操作過(guò)渡，它已經(jīng)成為用戶獲取知識(shí)技能的新途徑。攝像機(jī)仿真操作系統(tǒng)是基于 Unity平臺(tái)開(kāi)發(fā)的虛擬仿真操作系統(tǒng)，它可以讓用戶的操作不受時(shí)間和場(chǎng)地的限制，隨時(shí)隨地進(jìn)行仿真練習(xí)，對(duì)快速掌握攝像機(jī)的使用方法和拍攝技巧，起到了積極的促進(jìn)作用。■

［1］ 李偉. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在道路交通領(lǐng)域中的應(yīng)用探討[J]. 交通科技與經(jīng)濟(jì)，2004(24)：4-5.

［2］ Kuipers J B. Quaternions and Rotation Sequences：A Primer with Applications to Orbits，Aerospace and Virtual Reality [M]. Princeton：Princeton University Press，1999.

［3］ Rander P. Virtualized Reality：Constructing Time-Varying Virtual Worlds from Real World Events [C]. PROC. OF IEEE VISUALIZATION，1997(10)：277-283，552.

The Realization of a Camera Simulation Operating System Based on Unity

ZHANG Shaojiang
(Tianjin Sino-German Vocational Technical College，Tianjin 300350，China)

Video camera is one of the key equipment used in television program production and it requires repetitive practices to achieve the purpose of skilled operation．A camera simulation operating system was designed and developed through an analysis of functional requirements and basic operations of cameras on the basis of the development of Unity-based virtual reality technology and with the purposes of assisting practical class teaching，reducing equipment cost and operation cost．The system is able to simulate the motion shooting of pushing，pulling，shaking，shifting and following of real camera lens through changing axis rotation，displacement and size of view angles of virtual camera so as to achieve the purpose of simulation operation.

Unity；virtual reality；camera simulation；interaction

TP319.9

A

1006-8945(2015)09-0065-02

天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院教學(xué)改革與建設(shè)項(xiàng)目《虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)在教學(xué)過(guò)程中的實(shí)踐探索——虛擬現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)播系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)》(項(xiàng)目編號(hào)：ZDJY2014-12)。

2015-08-07