藝卡智能移動拍攝系統的研發與應用

　　【摘要】 沈陽廣電傳媒集團研發的藝卡智能移動拍攝系統(以下簡稱藝卡)于2018年8月研發成功，10月在公共頻道200演播室試運行，2018年9月廣電總局規劃院廣電計量檢測中心對該系統進行了測試和驗證。本文對藝卡涉及的相關技術、系統架構及系統軟件進行了詳述。藝卡的成功研發與應用，為廣播電視制作智能化提升推進提供有益的借鑒。

　　【關鍵詞】 演播室智能拍攝 精準拍攝 拍攝主體跟蹤 無軌移動 微距運動拍攝和動態跟蹤拍攝

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　　一.引言

　　目前，廣播電視節目制作已經進入一個全新的階段，廣電專用機器人在綜藝晚會、新聞演播間、體育賽事、VR制作等很多方面大顯身手。常見的專用機器人主要是軌道機器人。軌道機器人受軌道和線纜的限制，拍攝空間有限。且這些智能拍攝設備基本都是國外進口，尚無具有完全自主知識產權的國產產品，一般價格較高，讓很多廣播電視臺和制作單位難以承受，導致技術推廣受限，應用有限。

　　藝卡以國產機器人為攝像機承載載體，自主研發軟件控制系統，實現機器人智能拍攝，實現精準拍攝、拍攝主體跟蹤、無軌移動、微距運動拍攝和動態跟蹤拍攝等功能。為實現廣播電視拍攝智能化，提高電視節目制播效率，對廣播電視行業科技進步起到極大的推動作用。

　　二.藝卡智能移動拍攝系統涉及的相關技術

　　藝卡通過復合機器人和攝像機12個參數的協同控制實現精準拍攝。本系統創造性的將復合機器人和攝像機組成一個完整的移動拍攝系統，其中復合機器人由傳統的AGV機器人和機器臂機器人兩種工業機器人復合而成。在實現移動拍攝時，要保持攝像機在運動過程中對拍攝目標主體的清晰度和合適的曝光度，需要AGV機器人、機器臂機器人、攝像機協同工作，機器人和機器臂的運動姿態與攝像機的光圈大小、焦距等參數有著緊密的關系，存在著極大的參數相關性，且這種參數相關性并非單一的相關，而是多參數相互交叉的復合相關。需要將多維度的參數進行融合，建立統一、復雜的數學模型，設計協同并發算法才能實現精準拍攝。在本系統中AGV具有直線運動、速度(加速度)、轉動3個維度的參數;機器臂具有6個軸向的角度(角速度)6個維度的參數;攝像機主要具有焦距、光圈、推拉3個維度的參數，上述12個維度的參數經過協同控制軟件模塊進行統一協同控制，達到精準拍攝，實現了人工拍攝無法達到的效果。

　　1.機械機構單元實施方式

　　機械機構是智能移動機器人的骨架，由機器臂和AGV車對接而成。機械臂采用的型號是新松SR5CL型，為6軸機械臂，機械臂由本體和控制系統組成。本體包含電機、減速機等驅動手臂運動的部件;控制系統保證機械臂的正確方向及承受由于工件的重量所產生的彎曲和扭轉的力矩。機械臂包括6個自由度，可實現機器人伸縮、旋轉和升降等動作。AGV車使用新松倉儲地標感測智能車，有蔽障、路徑規劃的能力。

　　支撐機器人所有的模塊，動力與驅動單元為智能移動機器人提供動力來源;環境感知單元負責對周圍的環境進行感知識別及各種參數的收集，然后通過轉換成控制模塊可以識別的光電信號，輸入到控制單元進行數據處理;執行機構單元為智能移動機器人執行部分，能根據控制中心的命令執行命令，完成任務;信息處理與控制單元作為整個機械系統的核心部分，將來自傳感器部分采集到的信息進行集中匯總存儲，對所有信息分析、規劃、決策并輸出命令，使機器人有目的運行。

　　2.操作系統

　　智能移動拍攝系統的控制部分由沈陽廣電傳媒集團自主研發的“藝卡智能移動拍攝遠程控制系統”實現。遠程控制系統從軟件架構上可歸納為三個層面，底層為指令執行層，主要向中間層反饋當前拍攝系統狀態，并根據收到的指令執行相應動作;中間層為協同控制層，根據系統輸入信息計算智能拍攝系統的控制指令，是軟件控制系統的核心部分;頂層為拍攝場景設計層，為操作人員提供軟件控制系統的人機交互界面，用于設計拍攝動作，也可以根據預設值自動生成機器人的拍攝動作。

　　遠程控制系統從實現功能上可劃分為5個模塊：人體檢測跟蹤模塊、機器人運動控制模塊、場景編排設計模塊、相機鏡頭控制模塊和主控模塊。人體檢測跟蹤模塊完成攝像機拍攝視頻中目標人體位置的持續檢測和跟蹤;機器人運動控制模塊根據主控模塊的指令，控制調整機器人的拍攝角度，位置和運動軌跡;場景設計編排模塊根據預設拍攝需求自動生成機器人的拍攝動作，并根據拍攝動作發送控制指令。相機鏡頭控制模塊根據收到的控制指令調整鏡頭的各項參數。主控模塊實現上述功能模塊的消息同步與協同控制，通過消息機制無延遲收發信息，使機器人完成拍攝任務，也為后續模塊升級和功能擴展提供了接口。

　　3.主要功能特點

　　該系統具有精準拍攝、拍攝主體跟蹤、無軌移動、微距運動拍攝和動態跟蹤拍攝等五大特點，是機器人技術和人工智能技術在廣電領域的創新應用。

　　4.關鍵技術及創新點

　　(1)拍攝主體跟蹤技術

　　基于人工智能的拍攝主體識別技術，實現了精確聚焦的目標跟蹤。

　　本系統創造性的將人工智能的理念和算法應用到拍攝目標識別中，能夠根據不同的目標主體進行輪廓識別，將識別的輪廓區域通過平面重心提取算法，提取拍攝主體的重心點后，AGV 和機器臂以此進行高速修正，將攝像機聚焦到目標重心，隨后計算出恰當的攝像機焦距參數值，反饋至協同控制模塊，不斷調整機器人、攝像機，從而實現了精確聚焦的目標跟蹤。

　　(2)精準拍攝技術

　　使用高精度的移動軌跡標定技術，實現了同一軌跡多次高精度重復拍攝。

　　系統所使用的機器人和機器臂具有毫米級的精度，保證了攝相機拍攝點位的精度。在移動拍攝的過程中，將攝像機的運動軌跡通過 12 個維度的參數進行數學分割，分割成基于時間軸的切分點，同時對點間的參數變化進行擬合算法標定，即運動軌跡標定。然后記憶存儲，存為拍攝場景。在每次同軌拍攝時，通過自動定點復位和校正措施，從而實現毫米級的運動軌跡重復拍攝。