機器人攝像機在全媒體演播室中的應用

黃 芳

（福建省廣播影視集團，福建 福州 350001）

0 引 言

機器人攝像機是一種新型的拍攝設備，可以通過計算機程序控制攝像機的運動并讀取其運動數據，從而實現更加靈活和準確的拍攝。機器人攝像機可以采用不同的結構和設計，以適應不同的場景和需求。在虛擬演播室中，機器人攝像機可以實現切換鏡頭、定點拍攝、跟蹤移動物體等功能，從而使得虛擬場景更加生動和多樣化。同時，機器人攝像機還可以與其他技術如增強現實技術相結合，從而實現更加逼真和沉浸的虛擬演播室體驗。

隨著新媒體的迅速發展，傳統媒體節目逐漸向全媒體節目轉變，演播室作為節目制作必不可少的一環，也將從傳統單一的電視演播室向全媒體演播室轉變。因此，福建省廣播影視集團著手建設全媒體演播室。全媒體演播室建成后，將主要用于融媒體中心《福建新聞聯播》《福建衛視新聞》《新聞啟示錄》欄目，兼顧《早安福建》《午間新時空》《東南晚報》欄目，以及新聞頻道和網絡電視臺個別欄目總計約9個欄目的使用。演播室每日平均使用時長在9 h以上。因節目眾多，且各檔節目機位要求不同，為了提高效率，保證節目質量，演播室在設計之初就決定使用機器人攝像機，以便在使用過程中可以快速調用機位，調用攝像機運行軌跡。同時，因為演播室空間原因，無法使用搖臂攝像機拍攝全景，故最終確認選用軌道機器人及固定機器人攝像機。

1 設計要求

全媒體演播室作為融合媒體的核心，演播形式多樣化，需要呈現各種的播報形式，如現場連線、嘉賓訪談、互動點評、虛實結合等。播報形式多樣，對攝像機提出了更高要求。綜合考慮各方需求之后，技術團隊最終確定，機器人攝像機系統需具備以下功能。

（1）機器人攝像機需要遠程控制功能，在使用時實現演播室無攝像員站機。

（2）虛擬演播室效果，要求機器人攝像機能和虛擬渲染引擎相結合，實現虛擬演播室功能。

（3）演播室系統需配備集中控制系統，機器人攝像機要能受控于集中控制系統。

（4）與LED大屏的渲染引擎配合，實現演播廳內擴展現實功能。

2 技術實現

2.1 機器人攝像機遠程控制功能

機器人攝像機的遠程控制功能，即通過計算機對機器人攝像機進行遠距離控制。將控制機器人攝像機的計算機（以下簡稱控制計算機）與受控機器人攝像機接入同一網絡，用網絡連通控制計算機與機器人攝像機，即可實現遠距離控制功能。

機器人攝像系統由攝像機承載系統、控制系統及軌道構成。攝像機承載系統包括軌道車、升降柱及遙控云臺[1]。遙控云臺是攝像機承載系統的核心，不僅要控制攝像機的升降、旋轉、俯仰、攝像機鏡頭的變焦及聚焦，還要通過鏡頭及平臺上的編碼器獲取攝像機的運動參數。

機器人攝像機的系統架構如圖1所示。所有設備通過以太網連接在交換機上。控制計算機通過網絡傳輸控制信息。攝像機運動控制器CMC解碼這些控制信息，實現對攝像機鏡頭推拉搖移，機位升降移動等具體動作的執行，同時，CMC也反饋回攝像機及云臺的各種參數數據。

圖1 機器人攝像機系統架構

控制系統中，首先需要在配置程序中對攝像機鏡頭、機器行走限位等參數進行設置，以使機器人更適合實際場地的操作使用。控制計算機與遙控面板均可實現對三臺攝像機的遠程控制，雙重備份模式提高了系統的安全性。在控制系統操作軟件中，可以存儲歷史鏡頭、運動軌跡等，每次使用可以直接調用，解決了人為拍攝難以高精度實現重復運動軌跡的問題，可以提高節目拍攝效率，釋放人力資源[2]。此外，相較于傳統的拍攝，軌道機器人能夠實現多種不同的拍攝手法，給觀眾帶來良好的觀看效果。軌道機器人還能進行俯仰拍攝，能夠擴大拍攝角度[3]。

2.2 機器人攝像機與虛擬演播室系統結合

虛擬演播室中，與機器人攝像機相關的技術包括攝像機跟蹤技術與定位技術。本項目中使用的是機電傳感跟蹤定位方式。機電跟蹤是目前應用最為廣泛的一種技術。這種跟蹤技術的優點是不需要其他的設備處理跟蹤數據，可以實現無延時、穩定跟蹤，不受外界信號光源的影響[4]，機器人攝像機可以放置在演播廳的任意位置。設備使用上，配備了三臺虛擬渲染主機，每臺主機均配備一張廣播級專業視頻卡和一張Nividia P6000三維渲染卡，可以同時實現虛擬4路信號的開窗。

機器人攝像機的遙控云臺不僅控制攝像機的運動，也收集編碼器的數據，將編碼器的實時數據通過RS-422數據線，以Free-D協議方式傳送給虛擬渲染服務器。虛擬渲染服務器隨著攝像機位置發生變化，提供實時渲染圖像，從而將攝像機拍攝畫面與虛擬服務器產生的三維背景結合起來，實現拍攝畫面與三維背景的同步變化，呈現更真實的效果。機器人攝像機與虛擬系統物理鏈路如圖2所示。

圖2 機器人攝像機與虛擬系統物理鏈路圖

2.3 機器人攝像機與集中控制系統

集中控制系統需要控制機器人攝像機，但因為廠家并未放開控制協議，所以無法直接控制機器人的運動。對此，可采用傳輸控制協議/互聯網絡協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）方式連接機器人控制主機，用間接的方式控制機器人控制軟件，從而達到控制機器人的目的。

技術實現時，需要放開機器人控制軟件的權限，使控制軟件處于被控狀態，再通過機器人控制軟件開放協議中的三個有效參數（CAMM NUMBER，SHOT NUMBER，SHOW NUMBER），實現對機器人的攝像機號、鏡頭號、場景號的控制，進而實現對機器人的控制。機器人集中控制物理鏈路如圖3所示。

圖3 機器人集中控制物理鏈路示意圖

2.4 與LED大屏相結合實現XR功能

擴展現實（Extended Reality，XR）是指通過計算機將真實與虛擬相結合，打造一個可實現人機交互的虛擬環境[5]。本項目利用發光二極管（Light-Emitting Diode，LED）顯示屏和攝像機虛擬跟蹤技術，將虛擬內容顯示在LED顯示屏上。同時，虛擬內容隨著攝像機視角和位置的改變做出相應的變換，給觀眾以逼真的透視效果，實現現實世界的擴展。

系統構成為一臺軌道機器人攝像機，一臺大屏包裝渲染服務器，一臺虛擬渲染服務器。兩臺服務器均搭載了NIVIDIA P6000三維渲染卡。將軌道機器人攝像機云臺發送的編碼器實時參數分為兩路，一路送給大屏渲染服務器，一路送給虛擬渲染服務器。這樣，大屏背景與虛擬服務器渲染出的虛擬前景畫面均會隨著攝像機位置移動發生變化，打造出一個真實中有虛擬變化、現實與虛擬無縫對接的XR場景。機器人攝像機實現擴展現實的物理鏈路如圖4所示。

圖4 擴展現實物理鏈路圖

3 系統難點問題解決

3.1 軌道機器人軌道水平的調整

本項目中，軌道全長23 m。軌道搭建好之后，需要對軌道進行調平。因為軌道為彎軌，機器人攝像機在快速運動時會產生較大的離心力。這時候，軌道稍有不平，就會導致攝像機出現抖動現象。只有調整好水平，才能使機器人攝像機在軌道行走時的晃動盡量小。

調整水平時，借助激光水平儀在軌道平面打基準線，用于檢查和調整水平。通過反復調整軌道螺絲來調整高度，使軌道達到水平。

3.2 機器人攝像機虛擬跟蹤的實現

之前的虛擬系統中，攝像機均為固定位置攝像機，涉及的跟蹤參數僅有云臺俯仰和平搖，以及攝像機鏡頭的變焦及聚焦信息。而軌道機器人攝像機新增了對攝像機在軌道上位置的實時跟蹤。軌道機器人的軌道編碼輪位于軌道末端，跟隨皮帶轉動，采集到的實時位置為軌道車底盤位置，并非攝像機實際位置。為了與虛擬系統相結合，需要根據幾何原理，將軌道車位置通過相應的計算公式轉換為虛擬系統所需的攝像機三維空間位置信息。

與虛擬系統進行跟蹤定位，采用的是兩點定位方式。定位時，需選取空間中的兩個點為虛擬系統的定位點，兩個點中其中一個為虛擬演播室的三維坐標原點，另一個則為任意選取點。

定位時，通過一組軌道車在軌道上不同位置拍攝定位原點時編碼器回傳的位置及角度數據，利用計算公式，系統會近似計算出軌道的形狀。采樣點越多，精確度越好。然后，把所得數據傳給虛擬引擎做基準，虛擬系統渲染的場景就可以與真實空間匹配。

軌道長度較長，且是弧形軌道，因此越靠近兩端，虛擬跟蹤校準就越難。為了保證精度，需要在兩端位置選取更多的采樣點，以保證兩端計算結果的精確度。

4 設備使用中遇到的問題及解決方法

機器人攝像機系統在福建省廣播影視集團使用一段時間后，系統本身比較穩定，但是也遇到一些問題，可以分為硬件問題和軟件問題。

4.1 硬件問題

4.1.1 機器人攝像機急停

機器人攝像機使用初期，操作人員不熟悉操作，機器人誤碰了演播區其他設備，此時機器人攝像機保護系統會啟動，機器人運動急停。對此，解決方法是按下機器人安全保護系統上綠色按鈕，解除機器人緊急停止狀態。

4.1.2 控制盒死機

觸控屏控制軟件突然不能控制軌道機器人攝像機，此時軟件運行正常，能夠正常控制其他兩臺固定機器人攝像機。這種情況是軌道機器人控制盒WALL BOX死機，解決方法為重啟控制盒。

4.2 軟件問題

軟件問題大多是機器人攝像機信號與虛擬信號出現錯位，場景無法隨著攝像機拍攝到的信號做出相應的變化。對于此問題，排除攝像機跟蹤故障后，解決方式是在虛擬軟件中對機器人攝像機進行重新定位設置，恢復其與場景的匹配。

5 應用效果

機器人攝像機投入使用后，大大增強了鏡頭的靈活性和多樣性，與虛擬場景相結合，增強了節目的藝術效果。同時，系統運行穩定，經受住了每天長達9 h的運行考驗。每天有9檔欄目使用機器人攝像機進行直播或節目錄制，取得了良好的社會效益和經濟效益。

6 結 語

隨著人工智能技術的不斷發展和應用，機器人攝像機在虛擬演播室中的應用將越來越智能化和自主化。隨著應用場景的不斷拓展和多樣化，機器人攝像機在虛擬演播室中的應用也將越來越多樣化和定制化。應用的廣泛和場景的多樣，將給機器人攝像機在虛擬演播室中的應用帶來安全性和可靠性方面的挑戰。隨著技術的不斷發展和創新，相信機器人攝像機在虛擬演播室中的應用會越來越成熟和完善，為人類創造更加美好的未來。