專利名稱：六自由度攝像機運動姿態(tài)記錄系統(tǒng)的制作方法
一般的攝像機只能記錄所拍攝的圖像，不能記錄該攝像機在拍攝圖像時的運動姿態(tài)。本發(fā)明涉及一種可以記錄攝像機六個自由度(上下、左右、前后和俯仰、搖動、滾動)運動姿態(tài)的記錄系統(tǒng)。將攝像機安裝在這個系統(tǒng)上，并將攝像機反應(yīng)圖像的視頻信號同六自由度攝像機運動姿態(tài)記錄系統(tǒng)所記錄下來的運動姿態(tài)信號在場消隱信號或行消隱信號的位置上合成，即可形成一種不僅能反應(yīng)攝像機所拍攝的圖像信號，而且也能反應(yīng)攝像機的運動姿態(tài)的視頻信號。當播放這種視頻圖象信號時，可以用該信號中所記錄的運動姿態(tài)信號驅(qū)動一臺六自由度的液壓運動系統(tǒng)，觀眾在這個運動系統(tǒng)上觀看該視頻圖像，由于該圖像的內(nèi)容同運動系統(tǒng)的運動姿態(tài)完全同步，因此觀眾會有強烈地身臨其境的感覺。用帶有這種六自由度運動姿態(tài)記錄系統(tǒng)的立體攝像機去拍攝立體圖像，并使得觀眾在另一個六自由度運動系統(tǒng)上觀看這個立體圖像，由于該運動系統(tǒng)的運動姿態(tài)同立體攝像機所拍攝圖像時的運動姿態(tài)完全同步，加之圖像的立體顯示功能，會使得觀眾的臨場感覺更加強烈，真正達到“虛擬實境”的目的。這種六自由度攝像機運動姿態(tài)記錄系統(tǒng)不僅可以用于攝像機，同時也可以用于攝影機。在記錄攝影機的全動姿態(tài)時要隨著攝影機的運行同步記錄其時間碼(Time Code)，以便于在播放影片時，六自由度的運動平臺可以于圖像保持同步運動。記錄攝像機的運動姿態(tài)信號也可獨立進行，即記錄在獨立的記錄媒體上，并通過時間碼與圖像信號保持同步。攝像機運動姿態(tài)信號可以是模擬信號，也可以是數(shù)字信號，如果記錄在模擬圖像信號內(nèi)應(yīng)該用模擬運動姿態(tài)信號記錄，如果獨立記錄運動姿態(tài)信號和時間碼，則可以用數(shù)字運動姿態(tài)信號記錄。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細地說明。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)圖1是攝像機。本圖中所畫的攝像機是一臺立體攝像機，它由具有兩臺平行放置的、間距相同于人眼間距的攝像機構(gòu)成。攝像機的支架固定在運動系統(tǒng)上平臺70上。2是六自由度攝像機運動姿態(tài)記錄系統(tǒng)中的六個動子，它可以象汽缸中的活塞一樣，在六個定子5中自由滑動。由于缸體中充有密封油體或密封氣體或密封彈簧，因此動子常態(tài)保持在中間位置，在外力作用下可以上下運動。3是六個動子的固定支架，這樣的動子固定支架共有三個，每兩個動子固定在一個動子支架上，每個動子在支架上可萬向運動。三個支架必須在一個等腰三角形的三個頂點上。4是六個定子的固定支架，它安裝在下平臺71上，這樣的定子固定支點同樣有三個，每個支架上固定兩個定子，每個定子可以在支架上萬向運動。三個支架也必須在一個等腰三角形的三個頂點上。上下等腰三角形的大小應(yīng)相同，它們在靜止狀態(tài)下的幾何中心應(yīng)相同，靜止狀態(tài)時下平臺的等腰三角形由上平臺的等腰三角形繞其幾何中心順時針旋轉(zhuǎn)180度形成。7是六個定子5的固定盤，這樣的固定盤共有三個。6是六個動子2的固定盤，這樣的固定盤共有三個。在靜止狀態(tài)下，每兩個在支架上相連的定子和動子都保持準確的60度夾角。其俯視圖是標準的正六邊形。由于每個動子和定子同支架的連接是由萬象活動結(jié)做成的，且每個動子都可以獨立運動，因此在下平臺固定時，上平臺可實現(xiàn)上下、左右、前后和俯仰、搖動、滾動6自由度的運動姿態(tài)。攝像機在這樣的運動系統(tǒng)上進行拍攝時，它的每一個運動姿態(tài)都會唯一地反應(yīng)在6個動子的運動姿態(tài)中。因此只要記錄下來每個動子的運動姿態(tài)，就等于記錄下來整個攝像機的運動姿態(tài)。
圖2是上述6自由度運動姿態(tài)記錄系統(tǒng)的動子、定子、支架和位移傳感器的結(jié)構(gòu)圖。動子2可以在定子5中自由滑動。12是阻尼裝置，可以由彈簧、液壓油或壓縮空氣組成，但要求6個定子中的阻尼物質(zhì)、阻尼方式和阻尼效果完全一樣。17和11構(gòu)成了動子的運動位移傳感器。這樣的傳感器可以由電磁傳感器、光電傳感器、微波傳感器或電阻傳感器組成。該傳感器的輸出信號表示了每個動子在不同時刻的位移狀態(tài)。9是動子運動位移信號輸出端。10是定子的連接頭，該連接頭的圓形陰影部分是一個軸孔，它可以套入支架7上的固定軸14或13上，并可以自由轉(zhuǎn)動。16是動子上的連接頭，其結(jié)構(gòu)和原理與定子上的連接頭完全相同。圖2中的7表示定子固定盤，該固定盤上有旋轉(zhuǎn)軸15，以使得固定軸14和13可以圍繞15自由轉(zhuǎn)動，當定子的連接頭與定子固定盤7上的固定軸14和13相連結(jié)后，定子不僅可以圍繞14和13自由轉(zhuǎn)動，而且定子還可以圍繞15自由轉(zhuǎn)動，因此實現(xiàn)了萬向轉(zhuǎn)動的要求。17和18是自軸心15引出的同固定軸14和13相垂直的虛線，這兩根虛線在7上的投影的夾角必須等于120度。圖2中最下方的一幅圖說明了一個定子與一個固定盤相連結(jié)后的情形。動子固定盤同定子固定盤的結(jié)構(gòu)和原理完全相同。由于位移傳感器固定在定子上，因此在圖3中再加以描述。
圖3是六自由度運動姿態(tài)位移傳感器、信號處理、運動姿態(tài)信號與同步的視頻信號相混合并形成具有運動姿態(tài)信號的視頻信號原理圖。19至24表明了6個相互獨立的運動姿態(tài)位移傳感器。它們連續(xù)地輸出每個動子的運動姿態(tài)的位移信息，這些信息經(jīng)放大電路25至30和整形電路31至36的處理后送入取樣電路37。取樣電路受到視頻同步信號40的控制，在每個視頻場消隱信號的后肩上或行消隱信號的后肩上逐次對傳感器19至24的動子姿態(tài)信號分時取樣輸出取樣位移信號45，視頻信號38和位移信號45同時送入合成器39，形成具有位移信息的視頻信號37。在圖3的下方，描述了這種信號的一部分周期性內(nèi)容，其中41是場同步頭或行同步頭信號，42是場消隱信號或行消隱信號，44是場消隱信號或行消隱信號的寬度，位移信號必須疊加在這個區(qū)域中，且不能破壞彩色副載波信號。43是視頻圖像信號，46至51就是反應(yīng)六個動子運動姿態(tài)的取樣位移信號，它們的大小反應(yīng)了每個動子的運動幅度，它們的排列順序反應(yīng)了每個動子的編號，在通過運動系統(tǒng)放映這樣的具有運動姿態(tài)信號的視頻圖像信號時，可以逐次將這些記錄在每一場場消隱信號或每一行行消隱信號后肩上的運動姿態(tài)信號取出，并依次同步控制另一套六自由度運動系統(tǒng)中的動子的運動姿態(tài)，這樣就可以完全再現(xiàn)攝像機或攝影機拍攝圖像時的運動姿態(tài)。觀眾在這樣的運動系統(tǒng)上同步觀賞圖像，就會產(chǎn)生身臨其境的感覺。運動姿態(tài)信號也可以獨立地記錄在記錄媒體上，也可以經(jīng)六路載波調(diào)制后記錄在全電視信號的音軌上。記錄時應(yīng)同時記錄時間碼，以保證運動姿態(tài)信號能嚴格地于圖像信號同步。全部運動姿態(tài)信號可以用模擬量記錄，也可以用數(shù)字量記錄。
圖4是一個實施例。
57是立體攝像機或攝影機，它固定在六自由度運動姿態(tài)記錄系統(tǒng)58的上平臺上，其下平臺固定在攝影車61上。55是尋像器，攝影師56通過它拍攝圖像。59是視頻信號和運動姿態(tài)記錄裝置，60是電源系統(tǒng)。61是攝影車。隨著攝影車的上下顛簸和攝像師運動鏡頭，六自由度運動姿態(tài)記錄系統(tǒng)將攝像機的運動姿態(tài)隨圖像信號同步地記錄下來。在播放這個圖像信號時，一個六自由度液壓運動系統(tǒng)67受到這個運動姿態(tài)信號的同步控制開始隨著圖像信號內(nèi)容同步運動，視頻圖像被投影儀63分時顯示在屏幕65上，觀眾64配戴液晶分時開關(guān)眼鏡在運動狀態(tài)下觀看這個立體圖象62。66是液壓動力泵系統(tǒng)，它為67提供液壓動力。69為控制及受控電磁閥系統(tǒng)，它接收到來自68的運動姿態(tài)信號后控制每個液壓動子的運動。68是視頻播放系統(tǒng)，它不僅播放投影儀63所需要的立體投影圖像信號，而且它還將拍攝此圖像時攝像機的運動姿態(tài)信號傳導(dǎo)到液壓運動系統(tǒng)67和液壓控制系統(tǒng)69。這樣觀眾就可以逼真地欣賞到運動與圖像內(nèi)容完全同步的立體圖像了。這樣的六自由度運動姿態(tài)記錄系統(tǒng)當然也可以用于平面圖像與運動姿態(tài)的同步記錄，將立體攝像機57換成普通平面攝像機或普通平面攝影機進行具有運動姿態(tài)信息的圖像記錄，并可以通過平面圖像投影系統(tǒng)和六自由度運動系統(tǒng)顯示逼真的同步動感圖像。
權(quán)利要求
1．本發(fā)明涉及一種六自由度攝像機或攝影機運動姿態(tài)記錄系統(tǒng)。其基本特征是該六自由度攝像機或攝影機運動姿態(tài)記錄系統(tǒng)由支撐攝影機或攝像機的六自由度運動平臺、六只按一定規(guī)律裝配的動子和定子、六只線性位移傳感器、每個線性位移傳感器上的位移信號處理和記錄電路、以及這六個位移信號的記錄方式組成。
2．權(quán)利要求1中所涉及的“…由支撐攝影機或攝像機的六自由度運動平臺、六只按一定規(guī)律裝配的動子和定子…”，其基本特征是運動平臺由上平臺、下平臺和固定于上下平臺之間的六只相同長度、可自由滑動、并且由密封油體或密封氣體或密封彈簧形成運動阻尼的動子和定子組成。
3．權(quán)利要求1中所涉及的“…六只按一定規(guī)律裝配的動子和定子…”，其基本特征是這六只動子和定子在上平臺固定在一個等腰三角形的三個頂點上，每一個頂點上固定兩只動子，每只動子在該頂點上可萬向運動；這六只動子和定子在下平臺也固定在一個等腰三角形的三個頂點上，每一個頂點上固定兩只定子，每只定子在該頂點上可萬向運動。
4．權(quán)利要求3中所涉及的“…固定在一個等腰三角形的三個頂點上…”，其基本特征是這三個頂點組成的等腰三角形在上平臺和下平臺上的大小一樣、幾何中心一樣，下平臺上的等腰三角形的三個頂點的位置可由上平臺上的等腰三角形的的三個頂點繞其幾何中心順時針旋轉(zhuǎn)180度形成。
5．權(quán)利要求1中涉及的“…六只線性位移傳感器…”，其基本特征是每個線性位移傳感器都同動子和定子平行固定放置，它們可以在時間上同步獨立地記錄每一只動子的運動位移量，并將該運動位移量轉(zhuǎn)化為電信號輸出。
6．權(quán)利要求1中涉及的“…每個位移傳感器上的位移信號處理和記錄電路…”，其基本特征是每個位移傳感器上輸出的位移信號可以是模擬信號也可以被處理為數(shù)字信號，可以用模擬信號的方式記錄也可以用數(shù)字信號的方式記錄，可以連續(xù)記錄也可以抽樣記錄。
7．權(quán)利要求1中涉及的“…這六個位移信號的記錄方式…”，其基本特征是六個運動位移信號被連續(xù)地、獨立地記錄在記錄媒體上，在記錄的同時將圖像信號的時間碼也一并記錄下來，以便在驅(qū)動六自由度運動系統(tǒng)時與圖像同步播放使用。
8．權(quán)利要求1中涉及的“…這六個位移信號的記錄方式…”，其基本特征是六個運動位移信號以模擬信號的方式被順序地、相隔一定時間地記錄在視頻信號的每一場的場消隱信號或每一行的行消隱信號的后肩上，在驅(qū)動六自由度運動系統(tǒng)時被依次取出，與圖像信號同步驅(qū)動六自由度運動系統(tǒng)。
9．權(quán)利要求1中涉及的“…這六個位移信號的記錄方式…”，其基本特征是六個運動位移信號以模擬信號的方式被調(diào)制在不同頻率的載波上并被連續(xù)記錄在彩色全電視信號的音軌上，使用時將其解調(diào)出來，還原為六個位移信號驅(qū)動六自由度運動系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可以記錄攝像機六個自由度運動姿態(tài)的記錄系統(tǒng)。利用這個系統(tǒng)可以形成既能記錄攝像機所拍攝的圖像,而且也能記錄攝像機的運動姿態(tài)的視頻信號。當播放這種視頻圖象信號時,可以用該信號中所記錄的運動姿態(tài)信號驅(qū)動一臺六自由度的液壓運動系統(tǒng),觀眾在該運動系統(tǒng)上觀看圖像,由于該圖像內(nèi)容的運動狀態(tài)同運動系統(tǒng)的運動姿態(tài)完全同步,因此觀眾會有強烈地身臨其境的感覺。
文檔編號G11B31/00GK1214513SQ9711901
公開日1999年4月21日 申請日期1997年10月15日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月15日
發(fā)明者李昌 申請人:天津三維顯示技術(shù)有限公司