CN111043458A - 一种电动升降移动跟踪拍摄云台及跟踪拍摄方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动升降移动跟踪拍摄云台，包括跟踪拍摄云台和主机处理***。所述跟踪拍摄云台包括：摄像机支撑平台，用于承载主摄像机；精密升降机构，用于精确升降定位和物理防抖；云台自转平台，用于对承载精密升降机构进行水平自转；快速升降机构，用于快速升降定位；移动车身，用于大范围移动跟踪拍摄。所述主机处理***，用于接收摄像机音视频信号，将视频信号采样用以目标跟踪算法进行检测定位，根据检测定位的结果，输出控制信号并控制移动车身、精密升降机构、云台自转平台、快速升降机构和摄像机相关运动实现跟踪拍摄。本发明对拍摄目标运动幅度与方向的跟踪与定位，结合本发明云台的多级运动调整，增强了跟踪拍摄的智能化程度。

Description

一种电动升降移动跟踪拍摄云台及跟踪拍摄方法
技术领域
本发明属于移动云台装置，尤其是一种电动升降移动跟踪拍摄云台及跟踪拍摄方法。
背景技术
随着摄像技术的更新换代，拍摄需求越来越高，传统云台一般固定在固定安装支架上，且基本是水平旋转和俯仰自由度，能满足简单的拍摄需求，但难以满足拍摄目标大范围移动拍摄，拍摄目标始终被智能的聚焦于画面中心功能，例如，拍摄目标快速靠近远离像机或上下运动时，传统云台通过水平和俯仰调节使拍摄目标处于拍摄中心，但由于云台不可移动，不可避免导致拍摄目标忽大忽小、成像忽上忽下等成像效果差；因此逐渐发展了一些手持式跟踪拍摄云台，如大疆OSMO、如影等产品，但这种类型产品可负重不大，且是人为操控，不能较好实现重负载、自动追踪等效果。
发明内容
鉴于以上问题，本发明的目的是提供了一种电动升降移动跟踪拍摄云台及跟踪拍摄方法，采用了升降移动跟踪拍摄的解决方案，可实现自动跟踪拍摄，且目标始终处于拍摄画面中心且画面占比合适的拍摄功能。
本发明的具体技术方案如下：一种电动升降移动跟踪拍摄云台，包括：
摄像机支撑平台，用于承载摄像机；
精密升降机构，搭载所述摄像机支撑平台，用于当拍摄目标小幅度上下移动或者移动车身移动时造成的摄像机抖动时，提供承载摄像机的精密升降调整；
云台自转平台，承载精密升降机构，所述用于对承载精密升降机构进行水平自转；对拍摄目标小幅度上下移动或者移动车身移动时造成的摄像机抖动的实时云台调整，从而保证拍摄目标智能的聚焦于画面中心或者防止摄像机运动时的抖动造成成像不清晰；
快速升降机构，承载云台自转平台，用于当拍摄目标快速上下运动时，提供快速升降，如起立蹲下时的跟踪拍摄；
移动车身，承载所述快速升降机构，用于提供拍摄目标在大范围前后左右运动时，快速移动跟踪拍摄；
主机处理***，用于接收摄像机音视频信号，将视频信号采样用以目标跟踪算法进行检测定位，根据检测定位结果将输出控制信号分别传给移动车身、精密升降机构、云台自转平台、快速升降机构以及摄像机，进而控制移动车身、精密升降机构、云台自转平台、快速升降机构和摄像机相关运动实现跟踪拍摄.
客户端，用于显示主机处理***传输的当前拍摄画面，及给主处理***发送拍摄目标。
进一步的，所述主机处理***还将接收摄像机音视频信号进行编码封装，通过硬盘接口存储于本地，且通过WiFi网络模块传输到用户以显示当前拍摄画面。
进一步的，所述移动车身在拍摄对象快速远离镜头、快速横向运动时，其根据主机处理***的控制，进行前后左右移动，从而使摄像机跟踪拍摄对象。
进一步的，所述快速升降机构包括剪叉机构及驱动剪叉机构升降的驱动装置。
进一步的，所述驱动装置包括第一电机、蜗轮、蜗杆、导杆、丝杠和丝杠滑块，所述丝杠和导杆同时安装在剪叉机构的上底座上，丝杠滑块同时安装在导杆和丝杠上，丝杠上具有蜗轮，蜗杆与丝杠为一体，蜗轮与蜗杆啮合传动，蜗轮安装在第一电机的输出轴上。通过驱动装置使剪叉机构提供电动升降移动跟踪拍摄云台快速稳定的升降。电动升降移动跟踪拍摄云台不需要使用时候，剪叉机构可以收回，保护快速升降机构。
进一步的，所述云台自转平台包括云台底座、云台顶座、云台电机、大带轮、小带轮、同步带，云台底座安装在快速升降机构的上底座上，平台电机安装在云台顶座上，小带轮安装在云台电机的转轴上，大带轮固定在云台底座上，云台底座和云台顶座之间转动连接，且转轴与大带轮共轴线，小带轮和大带轮通过同步带连接，实现同步精确控制。
进一步的，所述精密升降机构包括第二电机、谐波减速器、精密丝杠、底部安装座、顶部安装座和精密丝杠滑块，所述顶部安装座和底部安装座从上至下依次固定在云台顶座上，精密丝杠的两端分别支承在顶部安装座和底部安装座上，所述第二电机与云台顶座顶部固定连接，第二电机输出轴通过谐波减速器与精密丝杠相连，精密丝杠滑块套接在精密丝杠上，精密丝杠滑块通过连接块与摄像机支撑平台连接。
进一步的，所述摄像机支撑平台包括安装板和支撑板，安装板安装在连接块上，支撑板固定安装在安装板上。根据场地需要，摄像机支撑平台支撑板可在摄像机支撑平台安装板上适当调整高度。
进一步的，所述主机处理模块包括主机处理模块和分别与主机处理模块相连的移动车身控制模块、云台控制模块、摄像机控制模块和WiFi网络模块，移动车身控制模块与移动车身相连，用于控制各个麦克娜姆轮的旋转以实现移动车身的前后、左右和斜向运动；云台控制模块分别与第一电机、第二电机和云台电机相连，控制电机的正反转；摄像机控制模块与摄像机相连，控制摄像机的焦距缩放。另外一方面还将摄像机音视频信号进行编码封装，通过硬盘接口存储于本地，且通过WiFi网络模块传输到用户以显示当前拍摄画面。
本发明的第二目的是提供一种电动升降移动跟踪拍摄云台的跟踪拍摄方法，包括如下步骤：
S100：提取特征：
S101：摄像机开启并通过无线将图像传至客户端界面显示；
S102：用户在客户端的显示界面手动框选拍摄目标，主机处理***根据框选的目标提取特征；
S200：运动预测：
S201：获取提取的特征后，采用生成式观测模型或判别式观测模型预测下一帧图像中拍摄目标位置；
S202：将图中拍摄目标位置转换到世界坐标位置，传递给云台控制模块；
S203：提取视频中新一帧的特征，循环进行步骤S201-S203过程；
S300：运动控制：
S301：云台控制模块判断上下帧世界坐标位置距离远近；
S302：当两帧位置水平或垂直方向坐标差的范数小于设定阈值时，实时调整云台自转平台、摄像头对焦或者精密升降机构；
S303：当两帧位置垂直方向坐标差的范数大于设定阈值时，实时调整快速升降机构；
S304：当两帧位置水平方向坐标差的范数大于设定阈值时，实时调整移动车身，同时在运动中调整精密升降机构，防止摄像机抖动。
相对于现有技术，本发明的有益效果：
1、采用了自动移动跟踪拍摄，达到了运动场景下实时地跟踪拍摄目标效果。
2、使用了快慢速两次升降调节装置，更加方便高效准确地调整摄像机位置，并在整体云台移动时防止画面抖动。
3、选用了双电机快速升降调节装置，升降动力更加充足，快速升降稳定性更强，保证了平行四边形的支撑结构稳定性。
4、配置了麦克娜姆轮作为移动车身车轮，实现了各个方向便利地大范围快速跟踪拍摄。
附图说明
图1为电动升降移动跟踪拍摄云台的整体结构图；
图2为电动升降移动跟踪拍摄云台的拆解后视图；
图3为电动升降移动跟踪拍摄云台的快速升降机构局部结构图；
图4为电动升降移动跟踪拍摄云台的主机处理***具体结构框图；
图5为电动升降移动跟踪拍摄云台的主机处理***主板结构示意图；
图中：移动车身本体1，下底座2，平行四边形机构3，上底座4，云台底座5，云台顶座6，安装板7，支撑板8，第一电机9，导杆安装座，小带轮11，云台电机12，底部安装座13，丝杠滑块14，顶部安装座15，第二电机16，谐波减速器17，精密丝杠18，大带轮19，同步带20，麦克娜姆轮21，导杆22，丝杠滑块23，丝杠24，蜗轮25，蜗杆26，丝杠安装座27。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施方案进行详细说明。
如图1-3所示，一种电动升降移动跟踪拍摄云台，包括移动车身、快速升降机构、云台自转平台、精密升降机构、摄像机支撑平台和主机处理***以及客户端。快速升降机构搭载在移动车身上，云台自转平台搭载在快速升降机构上，精密升降机构搭载在云台自转平台上，摄像机支撑平台搭载在精密升降机构上，摄像机安装在摄像机支撑平台上。客户端与主机处理***通过无线相连。
根据上述方案的本发明，所述的移动车身，包括移动车身本体1和麦克娜姆轮21。每个麦克娜姆轮与低速伺服电机直连，并安装在移动车身本体1的底部，电机受主机处理***控制；利用麦克娜姆轮为行进轮，可方便整体云台进行前后左右移动，在拍摄目标大范围运动时，快速移动跟踪拍摄；移动车身在拍摄对象快速靠近远离镜头、快速横向运动时，其根据主机处理***的控制进行前后左右移动。
根据上述方案的本发明，所述的快速升降机构用于提供拍摄目标快速上下运动，如起立蹲下时的跟踪拍摄；包括剪叉机构及驱动剪叉机构升降的驱动装置，通过驱动装置使剪叉机构提供电动升降移动跟踪拍摄云台快速稳定的升降。剪叉机构包括上底座4、下底座2以及安装在上底座4和下底座2之间的平行四边形机构3。所述驱动装置包括第一电机9、蜗轮25、蜗杆26、导杆22、丝杠24和丝杠滑块23，所述丝杠24和导杆22同时安装在剪叉机构的上底座4上，丝杠滑块同时安装在导杆22和丝杠24上，丝杠24上具有蜗轮25，蜗轮25与蜗杆26啮合传动，蜗轮25安装在第一电机9的输出轴上。
具体的，下底座2以螺栓连接形式安装在移动车身本体1上，两组第一电机9以法兰连接形式安装在上底座4上，电机通过蜗轮蜗杆实现减速，蜗杆26与丝杠24为一体，丝杠24的两端分别通过两组导杆安装座10安装于上底座4上，导杆22的两端分别通过两组丝杠安装座27安装于上底座4上，平行四边形机构3共有两组，平行四边形机构3一端安装在丝杠24和导轨22上，另一端安装在下底座2，可在下底座2上自由滑动，上底座4与云台自转平台底座5相连；两组电机根据升降需要按照不同方向同时同速率旋转，通过蜗轮蜗杆减速作用于两个不同的丝杠，两个丝杠作用于平行四边形机构3的一端的各一个支点，整个电动升降移动跟踪拍摄云台快速稳定的升降，在停止升降时也能实现自锁定位；电动升降移动跟踪拍摄云台不需要使用时，平行四边形机构3可以收回，保护快速升降机构。
根据上述方案的本发明，所述的云台自转平台，包括云台底座5、云台顶座、云台电机12、大带轮19、小带轮11、同步带20，用于水平自转；云台底座5以螺栓连接形式安装在上底座4，云台自转平台的云台电机12以法兰连接形式安装在云台顶座6，电机12与小带轮11连接，大带轮19通过云台顶座6安装的轴承和轴承输出轴安装在云台顶座6底部，小带轮11和大带轮19通过同步带20连接，实现同步精确控制，大带轮19与云台底座5通过螺栓连接；电机12驱动带动小带轮11，小带轮11通过同步带20驱动大带轮19，大带轮19与云台底座5固接，云台顶座6开始自转。
根据上述方案的本发明，所述的精密升降机构，包括第二电机16、谐波减速器17、精密丝杠18、底部安装座13、精密丝杠顶部安装座和精密丝杠滑块17，用于拍摄目标小幅度上下移动或者移动车身移动时造成的摄像机抖动的实时云台调整，保证拍摄目标智能的聚焦于画面中心或者防止摄像机运动时的抖动造成成像不清晰；第二电机16与云台顶座6顶部法兰连接，所述顶部安装座和底部安装座从上至下依次固定在云台顶座上，精密丝杠的两端分别支承在顶部安装座和底部安装座上，所述第二电机与云台顶座顶部固定连接，第二电机输出轴通过谐波减速器与精密丝杠相连，精密丝杠滑块套接在精密丝杠上，精密丝杠滑块通过连接块与摄像机支撑平台连接。
根据上述方案的本发明，所述的摄像机支撑平台，包括安装板7和支撑板8，用于各种大小的主摄像机安装；安装板7安装在精密丝杠滑块连接块上，支撑板8通过螺栓连接安装在安装板7上，根据场地需要，支撑板8可在安装板7上适当调整高度。
根据上述方案的本发明，所述电动升降移动跟踪拍摄云台的主机处理***具体结构框图如图4所示，该主机处理***主板包括主机处理模块、移动车身控制模块、云台控制模块、摄像机控制模块、摄像机音视频信号接口、WiFi网络模块和硬盘存储接口；所述主机处理模块，用于接收摄像机音视频信号，一方面将视频信号采样用以目标跟踪算法进行检测定位，根据检测定位结果将输出控制信号分别传给移动车身控制模块、云台控制模块或摄像机控制模块，进而控制移动车身、云台和摄像机相关运动实现跟踪拍摄；另外一方面将摄像机音视频信号进行编码封装，通过硬盘接口存储于本地，且通过WiFi网络模块传输到用户以显示当前拍摄画面。
根据上述方案的本发明，提供一种较佳电动升降移动跟踪拍摄云台的主机处理***主板结构示意图，如图5所示，所述主机处理模块优选海思Hi3531A系列芯片，其通过VIDEO接口一方面接收摄像机视频信号，用于拍摄目标的跟踪，另一方面和AUDIO接口接收的摄像机音频信号一起用于视频处理；所述移动车身控制模块、云台控制模块和摄像机控制模块优选STM32系列芯片，通过4路RS232分别控制移动车身、云台和摄像机相关运动；所述WiFi网络模块优选RM04系列芯片，将封装好的视频发送到用户以显示和交互；录制的视频通过SATA接口连接硬盘或者SD接口连接SD卡实现本地存储。
根据上述方案的本发明，所述的电动升降移动跟踪拍摄的工作流程如下：
S100：提取特征：
S101：摄像机开启并通过WiFi网络模块将图像传至用户客户端界面显示；
S102：用户在显示界面手动框选拍摄目标，主机处理***根据框选的目标提取特征，如灰度特征、HOG特征、哈尔特征以及SIFT特征；
S200：运动预测：
S201：获取提取的特征后，采用生成式观测模型或判别式观测模型预测下一帧图像中拍摄目标位置；
S202：将图中拍摄目标位置转换到世界坐标位置，传递给云台控制模块；
S203：提取视频中新一帧的特征，循环进行S201-S203过程；
S300：运动控制：
S301：云台控制模块判断上下帧世界坐标位置距离远近；
S302：当两帧位置水平方向坐标差的范数小于S102中框选的拍摄目标映射到世界坐标的水平最大距离的一半或垂直方向坐标差的范数小于S102中框选的拍摄目标映射到世界坐标的垂直最大距离的四分之一时，实时调整云台自转平台、摄像头对焦或者精密升降机构；
S303：当两帧位置垂直方向坐标差的范数大于S102中框选的拍摄目标映射到世界坐标的垂直最大距离的四分之一时，实时调整快速升降机构；
S304：当两帧位置水平方向坐标差的范数大于S102框选的拍摄目标映射到世界坐标的水平最大距离的一半时，实时调整移动车身，同时在运动中调整精密升降机构，防止摄像机抖动。
以上所揭露的仅为本发明的一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种电动升降移动跟踪拍摄云台，其特征在于，包括：
摄像机支撑平台，用于承载摄像机；
精密升降机构，搭载所述摄像机支撑平台，用于当拍摄目标小幅度上下移动或者移动车身移动时造成的摄像机抖动时，提供承载摄像机的精密升降调整；
云台自转平台，承载精密升降机构，所述用于对承载精密升降机构进行水平自转；
快速升降机构，承载云台自转平台，用于当拍摄目标快速上下运动时，提供快速升降；
移动车身，承载所述快速升降机构，用于提供拍摄目标大范围前后左右运动时，快速移动跟踪拍摄；
主机处理***，用于接收摄像机音视频信号，将视频信号采样用以目标跟踪算法进行检测定位，根据检测定位结果将输出控制信号分别传给移动车身、精密升降机构、云台自转平台、快速升降机构以及摄像机，进而控制移动车身、精密升降机构、云台自转平台、快速升降机构和摄像机相关运动实现跟踪拍摄；
客户端，用于显示主机处理***传输的当前拍摄画面，及给主处理***发送拍摄目标。
2.根据权利要求书1所述的一种电动升降移动跟踪拍摄云台，其特征在于，所述主机处理***还将接收摄像机音视频信号进行编码封装，通过硬盘接口存储于本地，且通过WiFi网络模块传输到用户以显示当前拍摄画面。
3.根据权利要求书1所述的一种电动升降移动跟踪拍摄云台，其特征在于，所述移动车身在拍摄对象快速远离镜头、快速横向运动时，其根据主机处理***的控制，进行前后左右移动，从而使摄像机跟踪拍摄对象。
4.根据权利要求书1所述的一种电动升降移动跟踪拍摄云台，其特征在于，所述快速升降机构包括剪叉机构及驱动剪叉机构升降的驱动装置。
5.根据权利要求书3所述的一种电动升降移动跟踪拍摄云台，其特征在于，所述驱动装置包括第一电机、蜗轮、蜗杆、导杆、丝杠和丝杠滑块，所述丝杠和导杆同时安装在剪叉机构的上底座上，丝杠滑块同时安装在导杆和丝杠上，丝杠上具有蜗轮，蜗杆与丝杠为一体，蜗轮与蜗杆啮合传动，蜗轮安装在第一电机的输出轴上。
6.根据权利要求书1所述的一种电动升降移动跟踪拍摄云台，其特征在于，所述云台自转平台包括云台底座、云台顶座、云台电机、大带轮、小带轮、同步带，云台底座安装在快速升降机构的上底座上，平台电机安装在云台顶座上，小带轮安装在云台电机的转轴上，大带轮固定在云台底座上，云台底座和云台顶座之间转动连接，且转轴与大带轮共轴线，小带轮和大带轮通过同步带连接。
7.根据权利要求书1所述的一种电动升降移动跟踪拍摄云台，其特征在于，所述精密升降机构包括第二电机、谐波减速器、精密丝杠、底部安装座、顶部安装座和精密丝杠滑块，所述顶部安装座和底部安装座从上至下依次固定在云台顶座上，精密丝杠的两端分别支承在顶部安装座和底部安装座上，所述第二电机与云台顶座顶部固定连接，第二电机输出轴通过谐波减速器与精密丝杠相连，精密丝杠滑块套接在精密丝杠上，精密丝杠滑块通过连接块与摄像机支撑平台连接。
8.根据权利要求书1所述的一种电动升降移动跟踪拍摄云台，其特征在于，所述摄像机支撑平台包括安装板和支撑板，安装板安装在连接块上，支撑板固定安装在安装板上。
9.根据权利要求书1所述的一种电动升降移动跟踪拍摄云台，其特征在于，所述主机处理模块包括主机处理模块和分别与主机处理模块相连的移动车身控制模块、云台控制模块、摄像机控制模块和WiFi网络模块，移动车身控制模块与移动车身相连，用于控制各个麦克娜姆轮的旋转以实现移动车身的前后、左右和斜向运动；云台控制模块分别与第一电机、第二电机和云台电机相连，控制电机的正反转；摄像机控制模块与摄像机相连，控制摄像机的焦距缩放；WiFi网络模块与客户端通讯。
10.一种电动升降移动跟踪拍摄云台的跟踪拍摄方法，其特征在于，包括如下步骤：
S100：提取特征：
S101：摄像机开启并通过无线将图像传至客户端界面显示；
S102：用户在客户端的显示界面手动框选拍摄目标，主机处理***根据框选的目标提取特征；
S200：运动预测：
S201：获取提取的特征后，采用生成式观测模型或判别式观测模型预测下一帧图像中拍摄目标位置；
S202：将图中拍摄目标位置转换到世界坐标位置，传递给云台控制模块；
S203：提取视频中新一帧的特征，循环进行步骤S201-S203过程；
S300：运动控制：
S301：云台控制模块判断上下帧世界坐标位置距离远近；
S302：当两帧位置水平或垂直方向坐标差的范数小于设定阈值时，实时调整云台自转平台、摄像头对焦或者精密升降机构；
S303：当两帧位置垂直方向坐标差的范数大于设定阈值时，实时调整快速升降机构；
S304：当两帧位置水平方向坐标差的范数大于设定阈值时，实时调整移动车身，同时在运动中调整精密升降机构。
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