遥控摄像在体育赛事中的应用

遥控摄像在体育赛事中的应用

自2008年北京奥运会全面采用高清明度信息格式以来，就像蘑菇一样，高分辨率广播车（如蘑菇）在中国各地的平台上很受欢迎。它的数量和规模超过了标准设置的数量。另外,加之各地高清频道的播出,目前,无论重大节目的转播还是大型体育赛事的信号制作首先考虑到应采用高清格式的制作。为了提高节目转播品质,多讯道、多角度、全方位的摄像机机位布局成为了转播国家级庆典、大型综艺节目以及高等级体育赛事等活动的常态。在这些转播机位中,除了采用10个以上标准高清有线讯道摄像机外,还大量采用包括高速摄像机、超高速摄像机、轨道、吊索摄像机(飞猫、蜘蛛)、航拍、无线摄像机等特种设备机位,而遥控摄像机也是其中一类。遥控摄像机在模拟和标清时代都有应用。根据使用功能和架设位置的局限,遥控摄像机大概能分为以下几种类型:●遥控微型摄像机:由于架设位置的局限性,摄像机和云台都采用的小型化和轻型化。微型摄像机可架设在场馆顶部、球门后、赛车赛道边缘等位置。其输出信号及远程段对摄像机镜头伺服、机头调整以及云台俯仰和水平方位的遥控信号以及电源供电等全部要在远程端提供。由于信号、控制以及电源是分别提供的,因此,多条电缆得布设成为了该系统架设的必要条件。由于在信号传输线中采用了用视频线传输PAL模拟或者SDI数字信号,因此,首先在信号传输上就受到了距离的限制。因此,此类微型摄像机的使用有一定的局限性;●云台遥控摄像机:此类设备仅摄像机部分完全可以是任何种类的摄像机,根据使用定位对摄像机进行选型。可以是工业监控摄像机,也可使是广播质量的摄像机。关键是使用功能和范围。通常有室外和室内两种,在野外架设的云台和摄像机具备完善的防雨和放风设施。可以用于室外野外长期无人值守机位,如:某些电视台在新闻播报时使用的全天候、全遥控室外全景镜头等。这种摄像机的架设通常为一次性安装,装置笨重且牢固;●超微型遥控摄像机:此类摄像机有很小的摄像头和很小的云台装置。通过短距离的控制和信号传输,实现对某种场景的拍摄。比如:鱼竿遥控摄像机。由于其信号质量的局限性,通常用于体育赛事的过渡镜头;●微型定点摄像机(PointOfView,POV):严格地说它并不属遥控摄像机。因为它既不需对摄像头部分(通常为定焦镜头),也不对云台部分进行遥控。只是解决信号和供电部分的传输。由于其体积微小,通常架设在球网、赛事器械以及其它难以有空间架设拍摄设备的区域里。所拍摄画面只是固定的定焦镜头,因此,通常被用于花絮镜头。由于信号传输与供电会受到电缆传输距离的限制,加之摄像头的超小型化,此类摄像机不可能成为广播级;2007年,中央电视台自主设计了首辆国产B类高清电视转播车。除了车体结构、高清主体设备选型以及高标清系统兼容制作是该工程主要课题以外,鉴于遥控摄像机在外场转播使用的频发性和特殊性,我们对于系统配置中遥控摄像机的选型、设计以及配置进行了认真的市场调研和技术论证。在分析各类遥控摄像机的功能特点,并吸取以往遥控摄像机在使用经验的基础上,工程组把新引进遥控摄像机分为了以下四个工作阶段:功能定位、设备选型、传输方案、整体集成。作为该项目的主要负责人参与了以上各个阶段的工作以及日后的实际运行工作。下面就各个阶段中碰到的问题、解决方案以及我们再实际运行的经验做以下介绍。一测拍摄设备的功能定位标清时代中央电视台转播部有着多年遥控摄像机的使用经验,也深谙应用中存在的不足。其分类与不足在上文已经有所描述。如何采用新技术,规避缺陷是我们在新系统建设中的课题。显然,高质量、远距离、传输简单可靠、全功能遥控应该是遥控摄像机的要素和关键词。曾经有把遥控摄像机和微型摄像机概念混淆的观点,认为遥控摄像机就一定在摄像机和云台选型上采用微型设备。因此,把摄像机机头的体积大小作为选型的先决条件,这样就直接限制了图像指标和镜头参数的选择。1/2英寸IT3CCD已经是标清系统中指标较高的了,相比标清广播级摄像机的2/3英寸FIT3CCD摄像机其信噪比与灵敏度有明显不足。此类摄像机在远程端对各项技术参数的调整能力较差,其图像质量在转播整体制作中与系统中与其他有线讯道图像切换时能明显的质量差别。另外,1/2英寸CCD摄像机所相配的镜头选择也十分有限,制约了镜头拍摄的范围。根据我们的使用经验,遥控型摄像机在外场各类节目制作中,体育节目对架设环境有很严格的限定,如:台球桌的袋口、球网以及特殊赛事器械上,对这些场景的拍摄通常注重的是瞬间,而不是整体过程。因此,在质量和拍摄角度的选择上通常选择是难能可贵的角度。但是对于许多大型场景节目制作,对遥控摄像机全套装置体积的要求并没有那么苛刻,除了能够实现远程全功能遥控外,更在乎图像质量在全系统中的统一性和调整性,因此,开发一套广播级高质量、能够通过简单方式实现全功能遥控、供电并能远距离传输的全遥控摄像机,是我们开发此套设备的功能定位。首先,为了实现广播级摄像机的指标,工程组将新系统中摄像机物理尺寸放宽,但在指标上应有以下定位:●采用2/3英寸3CCD;●应具备与标准高清摄像机相近的信噪比与灵敏度;●采用B4型标准光学镜头卡口;●有独立的摄像机调控单元(OCP),可以对光圈、底电平、分路增益及底电平等参数进行遥控调整;●摄像机机头可以输出HDSDI信号并具备三电平外锁相能力。不难看出,以上这样指标与广播级高清摄像机在主要指标功能上有很相近的要求。如:对信噪比与灵敏度的要求等同于广播级相同,对分路增益和底电平进行调整,目的是与系统内摄像机图像质量的匹配,采用B4型光学通用接口,目的是可根据节目制作需求更换不同变焦比的通用镜头,另外,外锁相能力可以使该机不经帧同步器锁相直接进入系统参加切换。其次,是对遥控云台的选择。通过市场调研,虽然市场上有许多可选择的云台,但是其常规参数不能完全满足我们的需求,例如最大旋转速度、承重两个参数,有些工业监控云台在说明书上能够达到我们的需求,而在实际测试中却有差距,无法满足拍摄需求。对于参与转播制作的遥控云台,其技术要求是要专业摄像师通过远程控制,图像的推、拉、摇、移达到1:1的仿真效果。从而实现导演提出的创作意图。对云台的水平旋转和垂直俯仰的控制过程也是图像创作的一部分。其速度的加减、启动及停止的平滑性,都是电视转播用云台的品质特征。有些工业监控云台尽管有很高的最大旋转速度指标,但其加速曲线是阶梯式的、跳跃式的。另外,工业监控云台在标准承重状态下也会在速度变化和起停时出现迟滞和过冲现象。这与工业监控云台伺服系统的设计有关、也与控制面板跟踪电位器的量化比特、传输速率有关。根据这些市场调研情况,我们得出结论,不要只是看其广告页的技术数据,需要实际测试才能选出适用的产品。经过反复筛选松下公司的AK-HC910高清摄像机与AW-PH400型高速云台基本满足我们的使用需求。二传输距离及传输条件选择摄像机与云台的选型实际只完成了工程的四分之一。如何实现将摄像机与云台有机结合,再与转播车之间实现安全可靠的信号传递才是工程的重中之重。如果仅仅是功能实验,相对比较简单。但是作为实际外场运行的在线参与直播的制作系统,即要实现功能,又要通过必要的可靠性试验,确保一线使用的安全性和可靠性。转播车与高清摄像机、云台之间的多规格信号连接是较为复杂的。在模拟和标清时代,由于有多种信号的传输,遥控摄像机的视频信号传输通常为综合多芯电缆或为加长传输距离直接采用视频同轴电缆。以极端数据为例:以标准L-5视频电缆传输SD-SDI信号最远值为420米(见表1),但是我们也可以从表中看出即便采用最好的同轴电缆,HD-SDI信号可靠传输距离也只有200米左右。显然远远不能满足外场转播特种机位、特殊位置的使用要求。对于控制信号的传输,距离同样是个难点。松下AW-PH400型高速云台的控制信号其标准为10Mbps的RS485标准,推荐采用超5类八芯双绞线,其传输距离只为50米。如果采用一种专用的协议转换器,可以将10Mbps的RS485降为RS4221Mbps,其传输距离可以加长150米。对于AK-HC910高清摄像机控制信号的传输距离更为有限。摄像机与专用摄像机调控单元(OCP)之间采用标准RS232协议,其传输距离的理论值只有15米。最后一个关键难题就是:供电。AW-PH400型高速云台采用220VAC或24VDC供电,总功率为160W。由于遥控摄像机的架设地点基本都在远离事件发生地主区域,如:建筑吊顶、舞台制景高端以及远距离端等。这些区域很难找到220VAC供电,即使单独铺设电源,能否找到与转播车共地的电源系统、特别是对远端设备的电源控制(加电/断电)也有一定难度。综上所述,采用光纤技术解决视频、控制信号的传输成为不二之选。工程组第一时间就锁定了SMPTE311M规格的摄像机专用复合光缆,这种规格的复合光缆专为外场转播设计。有多层防护、耐碾压、耐抻拉有良好的户外特性。配以SMPTE304M规格的光缆接口,连接方便可靠,这也是中央电视台在外场高清系统建设中对有线讯道摄像机确定的光缆接口标准。对讯道内摄像机和遥控摄像机采用标准接口彻底解决了高清遥控摄像机信号的传输距离、质量以及系统供电的问题,同时实现了转播系统内摄像机讯道线缆的相互备份。从SMPTE304M规格的光缆接口我们可以看到复合光缆中有两条单模光纤、两条电源线、两条数据线。要充分利用复合光缆中的资源,用一条电缆解决高清遥控摄像机的全部信号需求。如表2和图3。传输方式及线缆决定后,下一步的问题就是选择光传输模块。在市场调查中关注到Telecast5442系列光端模块的特性。该设备具备在两条单模光纤上传输一路单向HD-SDI,一路模拟视频,并具备一路双工RS422/1Mbps或RS485半双工以及一路RS232的功能。由于它能满足我们对遥控摄像机的传输要求,因此,TelecastCP-5442模块被确定为光传输的首选方案。如图4。关于供电,前方端摄像机和云台的电源需求分别是DC12V和DC24V。我们曾经考虑过通过摄像机复合光纤提供DC24V,在远端进行相应的DC/DC转换实现不同电压需求的设备供电。但是由于复合光缆中的电源芯线直径只有一平方毫米,因此,在长距离低压24V传输时损耗会很大,这就限制了遥控摄像机的应用距离。另外在调研中也有高清摄像机生产厂商以AC110V或115V通过摄像机基站向前端摄像机头供电的方式,传输距离可以达到1000米以上。采用交流AC110V电压与设备生产国用电标准有关。最终,工程组决定采用在复合光缆的电源芯线上传输符合我国市电标准的220VAC电源,在远程端进行220VAC/24VDC转换,同时利用PH400内部的DC/DC模块将24V转换成12V为高清摄像机HC910供电。为确保人员及设备安全,在转播车的供电端配备过流保护和漏电保护模块。三dc24v、i/o面板选购设备到货后,工程组根据技术方案自主进行了系统集成工作。全套系统分为本地基站、前端基站、前段设备、遥控面板等四大组件。●本地基站:光端机模块、协议转换器、安全供电模块、AC/DC12V模块及I/O面板;●前端基站:光端机模块、协议转换器、AC/DC12V模块、AC/DC24V模块及I/O面板;●前段设备:云台及摄像机机头;●后端遥控:含云台控制面板和摄像机控制面板OCP等;具体见图5,系统集成接口以及集成方框图。除了按照设计方案对各设备进行集成和调试外。我们在集成工艺上也进行了适应户外条件连接工艺上的改造。比如:PH400云台的原控制接口采用RJ45标准,通过云台I/O面板连接到摄像机的控制信号采用1394接口。这两种接口形式都不是理想的户外安全连接方式。RJ45接口只有一个简单的塑料弹片卡锁,遇气候寒冷弹片很容易断裂,造成接触不良。而1394接口根本没有锁止结构,轻轻一拉就容易脱落。工程组在云台I/O面板的侧面新设计了一个16芯的综合电缆工业接连接器,把DC24V、云台控制、OCP控制、三电平同步信号集成在一条电缆中。前端基站通过这条16芯电缆与云台连接,工业接连接器采用螺口锁紧,从根本上解决了连接安全性问题,也简化了安装难度,如图6和图7。四基于ac/dc钢网的信号检测自从2007年遥控摄像机随中央电视台第一辆高清转播车投入使用后,其性能和效果达到了我们的设计初衷,并广泛地运用在各类大型转播活动和体育赛事转播中,发挥了其效益,得到了节目部门的认可。但在实际运行中也确实出现过一些问题,笔者简述几个主要问题及其解决方法。●试运行中偶尔出现HDSDI信号丢失或云台数据无法连接的故障。最初判断是光端模块不良。对于使用光纤传输的标准讯道摄像机,普遍配有光路状态监测指示灯,通过指示检测,对复合光缆中两条单模光纤的光衰状况一目了然。而TelecastCP-5442光端模块无此能力,对光缆接点的状况无法确定,容易造成判断失误。为排查故障,我们将此条光缆连接到讯道内摄像机中测试才发现问题。实际上,主要问题在于光通路的清洁上。之后,在每次使用前,都要求技术人员认真进行光缆接口的清理和测试,故障不再发生;●云台内部为摄像机供电的DC/DC模块的直流保险经常熔断,故障现象主要出现在本地基站向前端基站供电出现跳闸后。经分析,有两个造成故障的因素,其一,由于本地基站供电模块选定的保护电流较小,初次加电时电流冲击较大,从而造成跳闸。而操作人员马上进行二次合闸,造成了二次冲击;其二,经测量,前端基站的AC/DC24V模块在AC断电后DC端的24V电压是缓慢下降的。但内部的DC/DC直流电压转化模块仍在工作,为实现12V输出正常,该模块会不断地提高入口电流造成了保险熔断。为了在根本上解决问题,我们在前端基站AC/DC24V模块DC输出口加装一只由AC驱动的5秒延时继电器,并适当增加本地基站供电模块保护电流的阀值;●在系统集成调试时,发现复合传输光缆的屏蔽保护层在长距离供电时耦合了AC电压,最高测得110V。手触摸时会有电流感。为了传输安全,把本地基站光缆接口的屏蔽层引出,进行可靠接地,问题得以解决。五ip的数字视频监控系统在实际应用时,我们认为该套系统还可有其它领域上的拓展使用。比如:在节目形态上没有遥控摄像机制作需求时,系统的本地基站与前端基站可以组成一套完善的台口箱系统(野战箱)。可传输的信号有以下几个内容:●高质量的