【惯性技术之窗】看“飞猫”如何飞行——索道摄像系统的介绍


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我们常常在大型体育赛事特别是足球赛、田径比赛等现场看到,飞行在赛场上空随着比赛进行不断运动的小车,这就是我们常说的飞猫,即索道摄像系统。


【惯性技术之窗】看“飞猫”如何飞行——索道摄像系统的介绍

 “飞猫”系统


一、索道摄像系统简介


    索道摄像系统是一种较为先进的电影电视摄像装置,可以实现摄像机在一定空间范围内的运动拍摄。所谓的猫,就是高空中索道上的载体小车——平台,其外形像一只小猫,故因此而得名。这台小车承载着摄像机,在空中记录着一切。摄像机所拍摄到的画面,由微波信号传送到地面的转播车。


    与其他空中拍摄方式相比,索道摄像系统的拍摄高度介于航拍和地面摇臂、轨道等之间,虽然系统架设、调试相对比较复杂,但其具有运动速度快、机动灵活、画面稳定等突出优点。


二、索道摄像系统的组成


    索道摄像系统通常包括索道系统和摄像平台两大部分,两者之间相对独立,如图所示。同一索道系统上可以搭载不同的摄像平台,同一摄像平台也可以安装在不同的索道系统上。


索道摄像系统

索道摄像系统组成


    索道系统实现的主要功能有:牵引摄像平台在一定空间范围内平稳运动;实现摄像平台及摄像机的控制及视频信号传输等。主要包括承载系统、驱动系统、小车、中控系统、信号传输系统等。


摄像平台是固定并驱动摄像机运动的装置,能够根据控制指令实现平台各框架角度和速度控制,还可以集成摄像机变聚焦和光圈控制以及摄像机的参数设置等功能。


三、索道摄像系统的分类


    索道摄像系统可根据不同的技术参数进行分类。


    1)按照在空间运动范围的不同,可分为一维索道摄像系统、二维索道摄像系统和三维索道摄像系统。


     一维索道摄像系统中,平台(小车)只能沿着一个固定的方向往复运动,常见的有水平方向、倾斜方向和垂直方向;二维索道摄像系统中,平台可以在一个垂直平面内水平和垂直两个方向上往复运动,到达预设平面内的任何位置;三维索道摄像系统中,平台可以到达预设三维空间中的任何位置。各自的特点如下表所示。


【惯性技术之窗】看“飞猫”如何飞行——

一维索道摄像系统

二维索道摄像系统

三维索道摄像系统


索道摄像系统极其特点


特点

单线索道摄像系统(一维)

点对点悬挂绳索,可快速安装

可驱动负载15kg,爬坡能力可达到15°

低速运动平稳,高速机动性强,速度可达到40km/h,即10m/s

运行无噪音,无震颤

多线索道摄像系统(二维、三维)

拍摄高度落差:几十米到上千米

理论上在风速70km/h时,仍可正常使用

跟踪拍摄主体可达上千米甚至更远

最高时速可高达130km/h,即36m/s

镜头可旋转360°

没有震颤,画面稳定,没有噪音

架设简易方便


   2)按照信号传输方式的不同,可分为无线传输索道摄像系统和有线传输索道摄像系统。


    无线传输索道摄像系统采用射频技术,无线微波传输视频及控制信号,具有无需布线、安装快捷、综合成本低、施工维护方便等优点。由于无线微波带宽的限制,信号都必须经编码、压缩、调制后传输,接收后解压还原,图像质量相对原始信号有较大损失,同时还有设备一次性投入较大、信号延时较长和易受干扰等缺点。


有线传输索道摄像系统的牵引缆绳是特制的,内含光纤。通过光纤和光端机实现平台及摄像机的控制信号和视频信号的无压缩传输,具有传输距离远、信号衰减小、抗干扰能力强、图像质量高、信号延时小等优点。但是其索道驱动系统结构复杂,牵引光缆织造技术难度大、造价较高,维护技术要求和成本较高。


四、摄像平台及其原理介绍


整个索道摄像系统的关键就是摄像平台,而摄像平台的核心就是我们常说的惯性平台。惯性平台(Inertial Platform)又称陀螺稳定平台,是利用陀螺仪在惯性空间使台体保持方位不变的精密机电装置。它是惯性导航系统中的重要部件,用来测量运动载体姿态,并为测量载体线加速度建立参考坐标系,或用于稳定载体上的某些设备。

惯性平台的结构如下图所示,由台体(图中标记1)、三个单轴陀螺仪、内框架(标记2)、外框架(标记3)、力矩电机、角度传感器和伺服电子线路等组成。台体通过内框架和外框架支承在基座上,基座与飞行器固连。如果沿Y轴存在干扰力矩,就会使内框架和台体绕Y轴转动。台体上的y单轴陀螺仪感受转动角速度,单轴陀螺仪处于积分陀螺的工作状态,输出与台体转角成正比的信号,通过y伺服电子线路加给y力矩电机。力矩电机输出与干扰力矩相反方向的力矩,使台体向原来的方向转动。当y力矩电机输出的力矩与干扰力矩相互抵消时,台体不再转动,在惯性空间的方位保持不变。当X轴、Z轴存在干扰力矩时道理相同。飞行器转动时,台体在惯性空间的方位保持不变,装在X轴、Y轴、轴上的角度传感器即输出飞行器相对于惯性坐标系的转角。


【惯性技术之窗】看“飞猫”如何飞行——索道摄像系统的介绍



当惯性平台上安装的飞行器为摄像机时,则可以隔离移动载体的颠簸、振动对摄像机的影响,使视轴稳定在惯性空间,确保图像画面的清晰。


五、索道摄像系统的具体应用


20世纪70年代开始,针对电影电视行业对特种拍摄的需求,主要欧美国家成立了很多从事索道摄像系统研制和服务的公司,如CAMCAT公司、Spidercam公司、Cable-Cam Sweden AB公司、Skycam公司等,其产品广泛应用于电影、电视、体育赛事、大型活动的拍摄和转播中。


我国使用索道摄像系统始于2006年,从最开始的技术设备引进,逐步发展到自行研制。经过十多年的发展,已具有一定规模。目前,从事索道摄像系统研制和服务的公司有:北京航天控制仪器研究所、飞猫影视技术(北京)有限公司、山东大江影视器材有限公司等。


    随着科技的不断进步,索道摄像系统也不断发展,产品性能持续提升,应用范围也越来越广。从广告片、纪录片、大型晚会现场、好莱坞电影大片到奥运会、世界杯等体育赛事的转播,都能看到索道摄像系统的身影,满足众多使用场合对于运动速度和范围的需求,具有较强的环境适应性和广阔的应用前景。


常见应用场合






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