實景動畫拍攝系統研制

田　豐，宋　瑩，王　攀

(上海大學 上海電影學院，上海 200072)

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實景動畫拍攝系統研制

田豐，宋瑩，王攀

(上海大學 上海電影學院，上海 200072)

為實現實景動畫拍攝系統，設計了一種基于嵌入式控制器的實體拍攝支架。針對國外拍攝機器人價格超高的問題，設計了低成本、簡便易用的實景動畫拍攝系統，完成了計算機端插件、通信接口、嵌入式控制器、運動控制支架。經實際應用，3DMAX中虛擬相機姿態導出精度和分辨率達到30 f/s(幀/秒)，實體相機旋轉方向和速率與虛擬相機保持完全同步，實景動畫系統同步虛擬相機和實體相機運動路后能獲得準確影視內容合成效果。

虛擬相機；實體相機；嵌入式系統；影視特效

1　實景動畫拍攝

隨著現代影視制作技術的飛速發展，影視特效合成是后期制作的關鍵步驟[1-7]。特殊拍攝與特效合成也是國內影視信息學科關注的問題[8-10]。實景動畫制作合成是特殊拍攝與特效合成的關鍵技術之一。實景動畫技術為內容展示帶來了一種全新表達方式，并在國內外影視大片中成為后期制作的最流行手段。現有特效鏡頭基本都以軟件三維跟蹤合成方式開展，而軟件跟蹤方式的約束條件過多：1)實拍畫面色彩不能過于豐富或單調，不然跟蹤點容易失聯；2)實拍攝像機運動不能過快，且受光干擾影響較大，否則也容易失聯；3)實拍鏡頭手持穩定性較低，無法重復拍攝；4)三維跟蹤由完備的計算機視覺理論體系支撐，但受到相機分辨率的限制，距離較遠處的跟蹤精度較低；5)無法提前設置人工拍攝的準確路徑；6)反復人工標記跟蹤的工作量大；7)虛擬相機跟隨實體相機，而無法實現實體相機跟隨虛擬相機。

近年來，拍攝機器人已在好萊塢影視節目制作中廣泛使用。“地心引力”拍攝中的Motion Control和光盒聯合拍攝給影迷留下深刻印象[11]。拍攝機器人已在國外數字制作中占有非常重要的作用，拍攝自動化、信息預覽、拍攝前規劃等能夠快速實現。重復拍攝和指令拍攝使得影視制作的質量和效率大大提高。

拍攝機器人售價近千萬，而影視廣告市場迫切需要一類低成本、功能簡化的微型拍攝系統。本文為實現低成本實景動畫(虛實結合)拍攝系統開展了初步實驗，完成了整套單軸轉動拍攝支架系統，設計了基于3DMAX的控制插件和嵌入式控制器，最后完成了虛擬鏡頭同步控制實體相機的拍攝任務。

2　系統設計

2.1實景動畫系統運作總體流程

如圖1所示，實景動畫系統運作總體流程可分為4個模塊：1)計算機端插件；2)通信插件和電纜；3)嵌入式系統軟件；4)支架端。計算機端有虛擬相機運動設計、虛擬相機相對運動計算、虛擬相機數據保存等功能單元；通信插件和電纜有數據發送插件、USB轉串口傳輸電纜；嵌入式系統端有嵌入式系統數據存儲、運動數據與PWM數據解碼、PWM信號輸出等功能模塊；支架端有步進電機驅動、支架同步旋轉等功能模塊。數據鏈路由虛擬相機端傳輸轉移到實體相機端，即把虛擬相機運動數據識別、保存、傳輸、解碼、發送到實體相機，實現了實體相機同步跟隨虛擬相機運動，本文完成跟隨單軸旋轉運動。

圖1　實景動畫系統運作總體流程

2.2硬件系統設計

如圖2所示，實景動畫拍攝系統由計算機、USB轉串口、JTAG、ARM控制器、5 V和24 V電源、控制線、步進電機、驅動器、軸承、旋轉支架、攝像機等模塊和部件組成。計算機通過JTAG把計算機編寫的嵌入式軟件燒錄ARM控制器并能夠做單步調試；USB和RS-232通信接口把3DMAX或MAYA軟件內部虛擬相機的運動路徑數據傳輸給ARM控制器；ARM控制器保存相機運動路徑，接受計算機運行指令后立即把運動編碼轉化為PWM信號；步進電機接受PWM信號后根據細分編碼執行步進指令，保證每1/30 s內與虛擬相機同步。

圖2　實景動畫拍攝支架結構總體框架

如圖3a所示，JTAG連接ARM控制器，USB-RS-232連接計算機。如圖3b所示，步進電機驅動軸承，軸承帶動拍攝支架旋轉。如圖3c所示，PWM控制線包括PWM信號線、DIR方向信號線、地線共3組。

圖3　實景動畫拍攝系統

ARM控制器采用STM32L152VBT6，128 kbyte片內內存和16 kbyte片內RAM滿足數據存儲和拍攝系統運行要求，內核包含超過6個可編程定時器計數器，可支持未來6軸實景動畫拍攝系統。本文試驗了單軸旋轉拍攝支架，故僅使用處理器內部1路定時器計數器產生PWM信號。ARM控制器使用5 V供電，步進電機驅動使用24 V供電。步進電機驅動支持3.3 V電壓控制信號，故ARM控制器的3.3 V電壓能夠直接驅動步進電機旋轉。

2.33DMAX數據輸出插件設計

3DMAX數據輸出插件是獲取虛擬相機運動數據并發送的關鍵模塊，其中包括初始化數據、解讀運動數據和保存發送數據模塊，如圖4所示。在初始化數據模塊中，首先插件獲取當前虛擬相機的角度，其次新建運動數據文件，最后初始化至第1動畫幀；在解讀運動數據模塊中，首先插件累加動畫幀，其次判斷動畫是否結束，如有下列幀即獲取虛擬相機幀角度，清洗越界數據，識別運動方向，最后保存方向和旋轉角度數據；在保存發送數據模塊中，首先插件保存數據文件并關閉，接著從串口發送運動數據。

圖4　3DMAX數據輸出插件流程圖

其中解讀運動數據流程如下：

1)時間軸Time++。

2)如果Time<=TimeAll，那么繼續執行運動數據解讀步驟3)，執行；如果Time>TimeAll，就跳出循環，結束運動數據獲取。

3)獲取虛擬相機角度，當前幀相機角度與初始化相機角度相減，獲得相對旋轉角度Rydelta。

4)在對1/30 s內限定轉速的前提下清洗數據，如果Rydelta<-60，則Rydelta=Rydelta+360；如果Rydelta>60，則Rydelta=Rydelta-360；如果Rydelta>2.34，則提示超標報錯；如果Rydelta<-2.34，則提示超標報錯。

5)識別運動過方向，如果Rydelta<0，則方向WriteByte=255；否則WriteByte=254。

6)取絕對值保存運動數據temp=abs(Rydelta)×100，寫文件Writetemp，跳轉到步驟1)。

設時間軸時刻為Time，總時間為TimeAll，相對旋轉角度Rydelta，方向變量為WriteByte，被保存的運動數據為temp，保存文件名為Writetemp。

2.4嵌入式控制軟件設計

嵌入式系統是實體相機同步虛擬相機運動數據的核心模塊，其中包括嵌入式系統初始化、控制PWM使能和PWM輸出模塊，如圖5所示。在嵌入式系統初始化模塊中，首先初始化GPIO，其次初始化系統時鐘，初始化1組1/30 s中斷，初始化6組PWM定時器，最后程序進入死循環；在控制PWM使能模塊中，首先串口中斷1獲取計算機端控制指令，包括接受數據并轉碼、使能PWM定時器1和關閉PWM定時器1；在PWM輸出模塊中，對PWM定時器1進行1/30 s一次的轉碼數據更新。

圖5　嵌入式控制器軟件流程圖

接受旋轉角度數據并轉碼是為了實現旋轉角度與PWM定時器數值的轉換，達到步進電機與虛擬相機同步旋轉的效果。設置步進電機細分數為128脈沖旋轉0.9°。設Y為定時器發出的脈沖數，n為步進電機旋轉的角度，則其關系為

Y/128=n/0.9

(1)

ARM控制器系統時鐘為8 MHz，根據主時鐘設定中斷及定時器。設X為處理器內部定時器的分頻數，30 f/s對應每個時間周期為1/30 s，則X與Y的關系為

X=8 000 000/30×Y

(2)

把式(1)代入式(2)，則獲得定時器分頻數X與旋轉角度n的關系為

X=1 875/n

(3)

3　實驗

連接USB轉串口線、電源線、PWM控制信號線、嵌入式控制板、拍攝支架。如圖6所示，架設手機到支架上。

如圖7a，在3DMAX軟件中導入模型車，設定模型車運動軌跡，在適當位置架設虛擬相機，設定虛擬相機

圖6　實體相機安裝

旋轉方向和速度。測量虛擬相機與桌面的角度，測量虛擬相機與模型車初始相對位置，按虛擬位置和角度等比例放置實體相機，使其相對角度和距離與虛擬相機一致。連續導出虛擬相機旋轉角度，下載數據到嵌入式控制板，下達控制指令，使實體相機也按照虛擬相機連續旋轉角度而運動，實體相機獲取如圖7b的連續影像，對圖7a連續渲染影像摳圖并疊加在圖7b上，最后合成圖7c的連續實景動畫影像。

圖7　合成過程

4　小結

針對拍攝機器人價格高昂的問題，設計了基于運動控制的實景動畫拍攝系統。經實際的室內應用，實景動畫拍攝系統可單軸變速旋轉拍攝，動畫軟件中的虛擬相機和真實世界實體相機保持同步。實景動畫拍攝合成是特效制作的重點技術之一，它能夠應用到先設置虛擬動畫再開展實景拍攝的特殊影視節目制作過程中，此項技術已應用在裝備工業的富媒體制作過程中。在下一階段，本課題還能對拍攝系統進行升級，擴展到6自由度拍攝支架，滿足范圍內任意運動路徑的拍攝任務。

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田豐(1976— )，博士，碩士生導師，主要研究方向為電影技術；

宋瑩(1977— )，碩士，主要研究方向為3D特效技術；

王攀(1992— )，碩士生，主要研究領域為電影技術。

責任編輯：時雯

Development of live-action and virtual shooting system

TIAN Feng，SONG Ying，WANG Pan

(ShanghaiFilmAcademyinShanghaiUniversity，Shanghai200072，China)

To achieve the live-action and virtual shooting system， an entity shooting bracket based on embedded controller is designed. In the light of the problem of ultra-high price of shooting robot in foreign countries， a low cost， easy to use live-action and virtual shooting system is designed， the computer end plug， communication interface， embedded controller， motion control support are completed. By practical application， the accuracy and resolution of virtual camera pose reach 30 f/s， the rotation direction and speed of live-action camera remain completely synchronized with the virtual camera. After the live-action and virtual system synchronize the motion path of virtual camera and camera， the accurate video content synthesis effect is obtained.

virtual camera； live-action camera； embedded system； film special effects

TN871

ADOI：10.16280/j.videoe.2016.07.005

上海市科委“科技創新行動計劃”高新技術領域項目(14511108202)；2016年度上海大學電影學高峰學科項目

2016-01-10

文獻引用格式：田豐，宋瑩，王攀. 實景動畫拍攝系統研制[J].電視技術，2016，40(7)：20-23.

TIAN F，SONG Y，WANG P. Development of live-action and virtual shooting system [J].Video engineering，2016，40(7)：20-23.