新闻来源：中央电视台 2016年09月13日 12:10 浏览次数：10549

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　　近几年，随着影视制作手段的丰富，对节目的呈现也逐渐由传统的平面化向立体化发展，出现了各种特种拍摄设备，从更多的角度对节目和现场进行展现。

　　本文介绍的索道摄像系统就是一种典型的特种拍摄设备。通过牵引搭载摄像机的云台在近地低空沿一定的轨迹飞行，跨度从几十米到上千米不等，同时通过操控云台控制摄像机的拍摄角度，从而获得具有独特视角和强烈视觉冲击，既能够给出现场的全景画面，又能够比航拍更多地展现细节，既适用于体育场、广场、电影电视片场等空旷地带应用，又能够在体育馆、大型演播室等室内场合使用。[1]其填补了超低空的镜头空白，得到很多节目制作人员的欢迎，在电影电视拍摄、体育赛事转播等场合被广泛应用。

　　传统的索道摄像系统一般采用专业摄像机，有的甚至是便携式DV，采用微波系统通过无线方式传输视频信号和控制信号。然而无线传输，由于带宽的限制压缩传输后画质损失较大，且不能对摄像机参数进行实时调整，同时信号延时较长，且易受干扰。由于频率管制问题，多次出现重大活动现场信号受干扰而导致无法正常使用的情况。

　　为此，中央电视台领导责成播送中心转播部，对索道摄像系统采用有线信号传输方式的技术可行性进行调查，并提交技术报告。为完成此项任务，转播部成立了研发小组，对索道摄像机进行研究和开发工作。

　　一 项目介绍

　　1.概述

　　项目立项初期，希望从对各系统要求相对较低的一维系统起步，把精力集中在解决信号有线传输问题上。但经过项目组的反复论证和评估，确认可以在不大量增加预算的基础上，以一种全新的技术方案实现二维运动，最终决定进行二维有线索道摄像系统的研发工作。

　　经过近两年的时间，项目组从零做起，经过方案论证、理论计算、模型演示、简易系统搭建测试、分系统测试、系统集成及联调、使用测试等几个阶段，完成了一套具有国内自主知识产权的二维有线索道系统的研制。

　　2.系统特点

　　＊400m×60m二维空间高速运动；

　　＊广播级摄像机和镜头进行图像采集；

　　＊实现摄像机和镜头的全参数实时控制；

　　＊高清视频信号与多路控制信号全有线传输；

　　＊三轴陀螺稳定确保高速运动中拍摄画面稳定清晰；

　　＊运动轨迹规划；

　　＊人机界面友好，系统操控具备高度人性化和便利性。 

　　二 方案及系统介绍

　　1.基本原理

　　二维有线传输索道摄像系统基本原理如图1所示。具体工作过程为：在锚固点间架设的单根承重索上有一辆小车，小车长度可调，地面的牵引滚筒牵引光缆，拖拽小车在承重索上水平运动；小车上安装有动定滑轮组件，通过地面上的升降滚筒，控制动滑轮组件与定滑轮组件之间的相对位置，实现载荷系统的升降运动。

　　载荷系统由开放式三轴陀螺稳定平台、定轴系统及万向节组成，定轴系统可以抵抗小车加减速和横风的干扰，使稳定平台始终与水平面保持垂直；稳定平台利用高精度惯性敏感器件，通过先进的控制回路，最终实现摄像机的稳定拍摄。

　　定轴系统和稳定平台的控制信号及摄像机的控制、高清视频信号通过悬挂稳定平台和牵引小车水平运动的光缆传输，在牵引滚筒处通过光滑环将信号引出，实现整个系统信号的有线传输。

图1 二维有线传输索道摄像系统原理简图

　　2. 系统组成

　　我们将系统分为二维有线传输索道系统和载荷系统两大部分，各部分又有细分，如图2所示。为了高效地开展研制工作，根据以上分系统的不同技术特点合理安排人员和时间。各部分专人负责，根据系统的复杂程度和工作顺序，制定相应的研制计划，各分系统研制同步推进，最后系统集成和联合调试。

图2 二维有线传输索道摄像系统组成

　　下面就各个分系统做进一步介绍。

　　（1）小车

　　小车用于悬挂载荷系统，并实现其在承载索上往复移动，结构相对简单，由两个完全相同的小车及之间连接的绳索组成。根据不同的使用需求，设计了多款样式，如图3所示。

图3 不同类型的索道小车

　　牵引索对左右两个小车产生反向的作用力，两个小车距离有增大的趋势，故在其之间用绳索连接，依靠绳索的拉力使其保持固定的距离即可。小车绳索根据每次拍摄画面所需的水平和升降加速度、升降高度以及牵引索的拉力等因素的不同改变长度。

　　（2）承载系统

　　系统的承载系统主要由一根轻质、高抗拉强度的承载索、两端的锚定和转向装置、张紧装置以及拉力传感器等组成。

　　承载索除了承受大跨度下自身挠度产生的拉力，还要承受小车、载荷系统等重量以及风载荷产生的拉力，同时为了保证小车在承载索上高速平稳运动，所以对承载索的抗拉强度、表面粗糙度、耐磨性等有较高要求。目前市面上现有的登山绳已无法满足承载索严苛的技术要求，最终采用定制的专用绳索。

　　转向装置主要使用滑轮，为了适应不同架设环境需求，设计加工了专用滑轮，其具有重量轻，牢固可靠、方便快速拆装、安装灵活等优点，如图4所示。

　　牵引光缆既承受载荷系统的重量，又负责光信号的传输。传统的固定方式绳索折弯半径很小，局部应力集中，既不能充分发挥绳索的抗拉强度，又会使光缆内光纤轻易折断，已无法满足有线传输的需要。为此专门设计了一个机械装置——终点连接器，很好地解决了这些问题，同样的装置还用在了承载索锚定、升降索与动滑轮组的连接上，根据使用需求的不同设计了轻载和重载两种。经过多次试验和实际使用的检验，证明使用方便，安全可靠。

　　锚定的装置和方法，可以根据不同的现场情况因地制宜。经过几次实际运行，也逐渐摸索出了多种常用的方式。在体育场馆或室外有较高锚定点时，可以借助其结构进行架设；在空旷的室外或水面时，必须使用吊车或临时脚手架，如图4所示。

图4 锚定方式

图5 牵引及升降滚筒

　　（3）牵引及升降系统

　　水平牵引和升降牵引系统的主体结构是两个滚筒，配合驱动机构、控制电路、检测装置等，通过中控系统对牵引滚筒和升降滚筒的协同控制，完成载荷系统的水平和升降运动。

　　由于系统设计方案的原因，滚筒只能采用单层密绕的排缆方式，根据滚筒所需的容线能力、线缆直径等，确定滚筒的直径和长度等尺寸参数，同时考虑搬运、运输、进出电梯、配重等实际使用环境。如图5所示。

　　根据实际拉力、速度、加速度的要求，驱动机构选用了一款5kW的交流伺服电机，通过同步带传动的方式驱动，驱动定位精度可达厘米级。电机具备无极变速、位置保持能力，具备手动离合功能；可实现远程和本地控制，使用三相380V交流电供电。

　　为了保证缆绳整齐顺序排布和线缆出入角度的自动调节，使用了排缆器、线缆导向机构等装置，如图6所示。检测装置主要用来检测线缆张力、滚筒转速、圈数，用以反馈载荷系统的运动和位置信息；控制电路采用RS422串口与中控系统通讯，对驱动机构进行速度、速度补偿、正反转、位移补偿等的控制。同时使用多级限位装置，充分保证设备和人员的安全。

图6 缆绳顺序排布

　　此外，牵引滚筒中还设计了与主滚筒同轴的子滚筒，可以根据不同架设跨度容纳多余的牵引光缆，同时在使用结束时收纳放出的牵引光缆，具备独立转动和与主滚筒联动的功能。

　　（4）中控系统

　　为了适应不同节目、不同环境下对索道摄像系统的要求，中控系统采用集中控制的方式，即通过一台工控机，结合相应的软硬件，实现信号的采集、计算、输出，从而对系统的运动进行控制。中控系统主要包括运动控制处理系统、牵引升降滚筒控制单元和陀螺仪及镜头控制单元。

　　运动控制处理系统所有硬件设备集成在1个9U标准航空箱内，根据需求编写相关运动控制算法，并进行人机功能界面、图形化状态及控制界面设计。中控系统的系统架构如图7所示。

图7 中控系统的系统架构

图8 控制单元

　　（5）信号采集与传输系统

　　信号采集与传输系统主要包括摄像机及镜头、光缆、光端机、滚筒光纤滑环，如图9所示等。

　　光缆是本系统的核心组成部分，不仅承担了传输信号的作用，还承受整个载荷系统的重量。需要保证在加减速过程中足够的抗拉强度而不至于断裂；足够的柔软和低摩擦系数，能够在滑轮中高速平滑穿行；在保证足够的抗拉强度基础上，线密度尽量小以克服长跨度下挠度对拉力的影响；同时为了控制滚筒体积，光缆直径尽量小。综合几方面因素，市面上无法找到合适的成品光缆，因而只能自主研发，具体后面将详细介绍。

图9 光端机及光纤滑环

图10 载荷、定轴及万向节

　　为保证信号质量，系统使用的是广播级摄像机配广播级镜头，摄像机身有HD-SDI输出，通过光端机直接将1.485Gbps的高清视频信号通过光纤回传。同时全参数控制。摄像师可以远距离控制镜头的变聚焦操作，而且摄像机作为讯道进到转播系统内，也能够保证信号质量，并能够进行实时调整。这样从根本上解决了以往索道摄像系统与其他讯道机位色彩不一致，控制不方便的难题。

　　为了满足上述条件，选择的光端机需要使用单模光纤，可同时传输1路HD-SDI信号和不少于3路RS422信号，且体积不宜过大，功耗尽可能低。

　　最终选定的是Sony HDC-P1摄像机，配佳能全伺服广角镜头或标准镜头。光端机定制的是一款国产小型光端机，利用波分复用技术，能同时传输1路HD-SDI和4路RS422信号，12V 1A供电。一端直接固定在定轴系统的下方，另一端集成在中控系统的航空箱内。HD-SDI信号直接进入光端机，传输到控制端中控系统。同时机身和镜头的控制信号通过编码，合成1路RS422信号进入光端机，到中控系统解码，分别由RCP和控制单元控制。

　　（6）载荷系统

　　载荷系统由三轴开放式陀螺稳定平台、定轴系统和万向节组成，如图10所示。

　　定轴系统可以抵抗小车加减速和横风的干扰，使陀螺稳定平台始终与水平面保持垂直。陀螺稳定平台是利用陀螺特性将平台台体姿态稳定在参考坐标系的精密机电装置。[3]其利用高精度惯性敏感器件，通过先进的控制回路，最终实现摄像机的稳定拍摄。使用万向节作为悬挂的主体框架，万向节通过阻尼减震等处理，最大程度减少启动停止时外力对摄像机画面稳定性的影响。

　　定轴系统和陀螺稳定平台的控制信号及摄像机的控制、高清视频信号通过悬挂载荷系统和牵引小车水平运动的光缆传输，在牵引滚筒处通过光纤滑环将信号引出，实现整个系统信号的有线传输。

　　二维索道摄像系统的主要技术指标如表1所示。陀螺稳定平台主要技术指标如表2所示。

　　三 技术难点

　　在近两年的研制过程中，项目组遇到了大大小小无数难题。有的是设计初期未考虑周全，有的是制造复杂程度超出预期，还有的是在测试中发现需要改进的。在成员同心协力下，充分发挥团队的智慧，各个击破，克服了诸多技术难题，最终完成了系统的研制工作。下面介绍一下系统中比较典型的技术难点。

图11 索道架设方案讨论及试验验证

图12 试制的高强度光缆

　　1. 索道架设方案

　　项目组针对索道系统先后提出了十余种架设方案，为了优中选优，围绕这些方案先后进行了大小数十次的深入讨论，详细分析了每种方案的优缺点；为了更真实地推演验证各种方案，专门搭建了实物环境，使用微缩比例模型进行实际运行测试，前后历时两个月，才确定最终方案。

　　2. 光缆的研制

　　作为有线传输索道系统，合适的光缆是必要条件。最初项目组尝试从市面上寻找高抗拉强度的成品特种光缆，但能够找到的最好的野战光缆其抗拉强度也仅为1500N，只能依靠自己研制。

　　经过种种实验和改进，最终试制的高抗拉强度光缆，经测试其破断张力为11000N，直径小于4.6mm、线密度约为15g/m，其抗拉强度是同直径军用野战光缆的6倍，线密度仅为4/3，破断点延展率＜4%。

　　同时自行设计集成了光缆测试仪，经过长达十万次的往复疲劳测试，光缆的技术性能完全满足二维有线传输索道摄像系统的需求。

　　特别还要提一点，光纤接头的熔接需要专用设备，是一个较为复杂的工作。而二维有线传输索道系统每次架设和调试都需要重新制作光纤接头。为了提高工作效率，降低野外施工的难度，采用光纤冷接技术，通过冷接端子（如图13）及相应的工具，可迅速完成光纤接头的制作。在多次实际使用中证明冷接端子操作简单，性能可靠。

图13 光缆冷接端子

图14 主滚筒结构有限元仿真

　　3. 牵引滚筒设计

　　牵引滚筒的设计受到了外形尺寸、重量、电机功率、兼容不同跨度架设需求等多方面的限制，设计较为复杂。牵引滚筒包括主滚筒和子滚筒两部分。主滚筒用来差动驱动牵引光缆；子滚筒用于容纳不同跨度多余牵引光缆，与主滚筒同轴，通过一定的锁紧机构与主滚筒相连，以实现独立转动和与主滚筒联动。

　　在架设牵引光缆时，子滚筒能独立转动以收放调节牵引光缆的长度；在牵引光缆架设完毕后，子滚筒与主滚筒紧固在一起随主滚筒转动。子滚筒只起储缆作用，可以多层往复顺序排缆，需要具备1000m的储缆能力。主滚筒采用光杆和滚珠丝杆结构自动排缆，保证牵引光缆能顺序排布。

　　为了减少电机功率，通过有限元仿真对滚筒及安装支架等结构进行校核，在保证刚度的情况下，减少滚筒的转动惯量，如图14所示。

　　四 投入使用案例

　　设备投产后，二维有线索道系统参加了“九三”纪念活动的直播，取得了良好的效果。在此之前，系统还参加了马年春晚、南京青奥会开闭幕式及田径赛事、中华龙舟大赛、南宁体操世锦赛等重大活动（如图15所示），其优异的性能、良好的操控体验、周密的安全设计和富有冲击力的画面取得了节目部门的一致认可。

图15 索道系统典型应用

　　五 结束语

　　作为近几年台内为数不多的自主研发的广播器材，二维有线传输索道系统受到了各级领导的关注和支持，系统先后获得了2015年度“王选新闻科学技术奖”一等奖及“中国电影电视技术学会科学技术奖”二等奖，同时还申请了十余项专利。

　　目前，二维有线传输索道摄像系统在台里有一个更为响亮的名字——“天鹰座”，希望本系统能够真正像雄鹰一样，翱翔在更广阔的天地，为电视转播增添更多的色彩。   

　　（作者为中央电视台播出传送中心 刘斌）

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