Nghiên cứu thiết kế robot camera crane trong lĩnh vực quay phim điện ảnh truyền hình

- Trong lĩnh vực điện ảnh và truyền hình như quay phim, chụp ảnh, đặc biệt là trong công việc dựng phim ở các phim trường ảo, … thường là các camera quay phim được điều khiển hoàn toàn t

NGUYỄN MINH QUÂN

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ROBOT CAMERA CRANE TRONG LĨNH VỰC QUAY PHIM ĐIỆN

ẢNH TRUYỀN HÌNH

LUẬN VĂN CAO HỌC

CHUYÊN NGÀNH: CHẾ TẠO MÁY

PHẦN MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: KHẢO SÁT TỔNG QUAN ROBOT CAMERA CRANE 1.1 Yêu cầu của công việc quay phim 11

1.2 Phân loại 14

1.3 Tìm hiểu một số yêu cầu trang bị các loại cáp truyền tín hiệu trong công việc quay phim 31

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ROBOT CAMERA CRANE THEO YÊU CẦU CỦA ĐÀI TRUYỀN HÌNH VIỆT NAM II.1 Yêu cầu nghiên cứu thiết kế .32

II.2 Xây dựng phương án thiết kế về cấu tạo của robot camera crane (RCC) 33 II.3 Các bài toán tổng hợp động học 45

CHƯƠNG III: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN III.1 Giới thiệu các chế độ vận hành 61

III.2 Lựa chọn nguồn đầu động và thiết kế mạch điều khiển theo các chế độ hoạt động yêu cầu 62

CHƯƠNG IV: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG THỰC CỦA CAMERA CRANE IV.1 Giới thiệu thư viện đồ họa OpenGL 83

IV.2 Giao diện điều khiển robot camera crane 90

KẾT LUẬN 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

PHỤ LỤC 94

PHẦN MỞ ĐẦU

A Đặt vấn đề

1 Sơ lược quá trình phát triển

Robot crane hay robot dạng máy trục, là loại robot rất quen thuộc và phổ biến trên thế giới hiện nay Robot crane được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực:

- Trong môi trường hoạt động kém an toàn, độc hại như: Bốc dỡ container ở các cảng tự động để vận chuyển và sắp xếp hàng hóa trong kho, vận chuyển nguyên vật liệu, chất thải trong các ngành công nghiệp, hạt nhân, … (thường là các robot crane dạng cổng trục, cầu trục); Thao tác vệ sinh, bảo trì bên ngoài các cao ốc như lau kính, sơn tường, … (thường là các robot crane dạng cần cẩu đặt trên đỉnh cao ốc, được gọi là gondolar, có chức năng phối hợp chuyển động nâng hạ khâu tác động cuối là bộ phận thao tác bảo trì, vệ sinh cao ốc); Hàn, cắt, gia công vật liệu … (thường là robot crane kết cấu dạng Stewart Platform)

Hình 0.1 trên là một robot crane RMGC (Rail Mounted Gantry Crane), nó có hai vùng hoạt động: vùng hoạt động tự động hoàn toàn ở khu vực trữ container và vùng

hoạt động theo chế độ điều khiển thủ công (manual) ở khu vực giao nhận container

(nơi mà xe mang container ra vào) Cụm nhấc container của RMGC được trang bị cảm biến laser để nhận biết chính xác vị trí container Cảm biến phát hiện chiều cao của các ô xếp (stack) được lắp trên dầm cổng để tự động xác định chiều cao của các ô xếp Thông tin về chiều cao của các ô xếp được so sánh với giá trị đo được của cảm biến để không có sự va chạm giữa container đang di chuyển và container đang ở vị trí cố định

Hình 0.2: Loại robot crane có tên “Skybot” của Israel, thực hiện việc lau kính bề mặt

ngoài toà nhà, nhận diện đối tượng thông qua hệ thống “computer vision”

Hình 0.3: Robot crane có kết cấu dạng Stewart Platform ứng dụng trong mài chi tiết

- Trong lĩnh vực điện ảnh và truyền hình như quay phim, chụp ảnh, đặc biệt là trong công việc dựng phim ở các phim trường ảo, … (thường là các camera quay phim được điều khiển hoàn toàn tự động theo kiểu điều khiển các trục của robot, phục vụ trong các studio chuyên dựng phim theo kiểu phim trường ảo Các loại robot camera này có thể được đặt trên các giá đỡ cố định hoặc di động, nhưng thông dụng nhất là loại đặt trên cần trục – còn được gọi là Robot Camera Crane Nội dung này sẽ được trình bày rõ ở phần phân loại robot camera crane tại chương I

2 Quá trình hình thành và phát triển của kỹ thuật quay phim:

a Sự ra đời của camera : Với những cải tiến và phát triển về kỹ thuật của máy chụp

ảnh, Camera đã được phát minh trên nguyên lý là loại máy chụp ảnh nhanh, liên tục với tốc độ khoảng 24 hình/giây, được gọi là quay phim Khi chiếu lại với tốc độ trên, các hình ảnh này sẽ tạo được một chuổi hình ảnh động liên tục mà mắt người xem không cảm nhận được sự thay đổi giữa

thành công cụ không thể thiếu trong việc ghi hình để phục vụ cho nhiều mục đích trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống xã hội Nếu chỉ xét riêng ở điện ảnh truyền hình, có thể nói rằng quá trình phát triển của lĩnh vực này luôn song hành với sự phát triển kỹ thuật của camera Tầm quan trọng của ứng dụng kỹ thuật trong quay

phim mà camera mang lại vô cùng to lớn

b Sự phát triển từ camera đến camera crane (cần trục quay phim): Nhu cầu về

mọi mặt của con người trong xã hội đòi hỏi ngày một cao theo phát triển của xã hội Công nghệ quay phim phục vụ trong điện ảnh truyền hình cũng yêu cầu thiết bị và người quay phim phải đáp ứng được các nhiệm vụ kỹ thuật phức tạp hơn, nhằm mục đích tạo được những thước phim có ý nghĩa và giá trị cao, lột tả được các nội dung đa

dạng yêu cầu thể hiện cho

người xem

Để giải quyết vấn đề này, một trong những nội dung cần thực hiện đó là người quay phim phải có khả năng thực hiện quay được các vị trí, góc quay khó hơn để đáp ứng các ý đồ của người đạo diễn, đặc biệt là những cảnh quay từ độ cao lớn Camera crane đã được ra đời từ đó Thoạt tiên, vào khoảng những năm

Hình 0.5: Một camera crane quay phim tại sân gold

đầu của thế kỷ trước, người ta lợi dụng các loại xe cẩu để đưa camera và người quay phim lên các độ cao cần thiết để quay phim khi có nhu cầu Dần về sau, cần trục được cải tiến lắp trên các loại đế có bánh xe chuyên dùng để đáp ứng yêu cầu đưa người quay phim lên cao, được gọi là camera crane Sau đó, cùng với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển, điện tử, người ta đã sản xuất ra các cần trục chuyên dùng mang camera, người điều khiển chỉ dứng bên dưới mà không cần phải trực tiếp mang camera lên cao, tránh được các rủi ro, nguy hiểm cho người vận hành Đồng thời, camera có

thể vươn ra xa hơn, có tầm quét ảnh rộng hơn và quay được các góc quay khó …

c Robot camera crane – Một dạng camera crane hoạt động tương tự như robot công nghiệp – là bước phát triển kỹ thuật kế tiếp của camera crane, nhằm phục vụ cho mục đích xây dựng phim trường ảo, đáp ứng nhu cầu thực tế của các nhà làm phim và các Đài Truyền hình hiện nay

+ Tìm hiểu về phim trường ảo: Đó là phim trường mà phần diễn viên diễn xuất được ghi hình trên nền phông thuần sắc (thường là nền phông màu xanh) Phần cảnh thật (không có các diễn viên diễn xuất) được quay riêng ở nơi khác Sau đó, hai cảnh quay này được chọn lọc, lồng ghép, thêm vào các kỹ xảo để cho ra sản phẩm phim ảnh hòan chỉnh với bố cục bao gồm đầy đủ các nội dung phần diễn xuất của diễn viên và cảnh vật thật, giống hệt như phim được diễn viên đóng và quay một lần ngay tại phim trường thật

+ Trong điện ảnh, truyền hình, việc áp dụng phim trường ảo sẽ mang lại các lợi ích sau :

• Tránh các rủi ro, tai nạn nguy hiểm cho diễn viên và cascadeur khi phải diễn

• Kinh tế hơn so với cách sử dụng phim trường thật nhờ giảm được các chi phí về thuê diễn viên, thuê các bộ phận phục vụ liên quan, chi phí dàn dựng thu hình và các phí tổn thời gian trong đầu tư làm phim

+ Các trang bị kỹ thuật cơ bản cho việc xây dựng phim trường ảo:

Với những tiện ích kể trên của công nghệ sản xuất phim sử dụng phim trường ảo, để thực hiện, các nhà làm phim cần có các loại thiết bị camera có khả năng thực hiện chuyển động quay phim tự động theo chương trình được lập trước theo ý đồ của đạo diễn Nhờ quay riêng biệt ở nội dung diễn viên diễn xuất và phần bố cục cảnh lồng ghép, người đạo diễn sẽ chủ động hơn trong việc chọn ảnh, thực hiện kỹ xảo, nâng cao chất lượng phim Thiết bị camera quay phim tự động kể trên ở dạng đơn giản là các giá di động hoặc cố định có mang camera như đã trình bày, loại này có tính năng hạn chế và ít được sử dụng Dạng chuyên dụng nhất đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật quay phim theo công nghệ phim trường ảo chính là Robot camera crane, là loại robot có các tính năng hoạt động tương tự như một robot công nghiệp với tay máy là cần trục mang camera, có thể tự động quay phim được ở nhiều vị trí phức tạp khác nhau

+ Các chức năng cơ bản của một robot camera crane là:

• Tự động điều khiển quá trình quay phim theo chương trình được lập trước

• Tự động điều khiển camera bám theo đối tượng được ghi hình ở các chế độ:

Tự động hiệu chỉnh chuyển động các trục ở bộ gá mang camera để bù cho

lượng thay đổi về tầm và hướng của cần trục (Tracking Compensation) nhằm đưa ống kính luôn hướng vào đối tượng

Tự động hiệu chỉnh các trục ở bộ gá mang Camera bám theo đối tượng khi đối tượng di chuyển

Tuy nhiên, ở nước ta, việc nghiên cứu ứng dụng robot crane vào các lĩnh vực nói trên còn khá mới mẻ Kỹ thuật phim trường ảo cũng chỉ mới bắt đầu ở một vài thử nghiệm và còn nhiều trở ngại do chưa có đầy đủ các thiết bị cần thiết, nhất là việc trang bị robot camera crane Trong khi đó, việc nhập khẩu thiết bị từ nước ngoài sẽ rất tốn kém nhưng đôi lúc vẫn không đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật trong sử dụng theo những điều kiện đặc thù cụ thể Mặt khác, chúng ta cũng sẽ gặp rất nhiều khó khăn trong việc chủ động sửa chữa, cải tiến thiết bị về sau để đáp ứng các thay đổi trong thực tế hoạt động

Chỉ tính riêng tại các đài truyền hình trong nước hiện nay, nhu cầu trang bị các loại camera crane để phục vụ quay phim, đưa tin ảnh thời sự hàng ngày, … và robot camera crane để dựng phim với kỹ thuật phim trường ảo đang là một nhu cầu rất lớn Ngoài ra, tại các hãng phim, các studio… cũng có không ít các đòi hỏi công việc tương tự cần trang bị các robot camera crane

d Yêu cầu thực tế đặt ra cho việc nghiên cứu :

Trước thực tế đó, Đài Truyền Hình Việt Nam (VTV) là đơn vị truyền hình có qui mô, tầm cỡ lớn nhất cả nước, đã tiên phong đặt vấn đề với Bộ môn Kỹ thuật Điều Khiển Tự Động thuộc Khoa Cơ Khí Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh nghiên cứu chế tạo ứng dụng robot camera crane phục vụ nhu cầu quay phim theo kỹ thuật phim trường ảo của Đài Nội dung yêu cầu nghiên cứu ứng dụng được đặt ra là:

1- Chế tạo robot camera crane có thể quay phim với không gian rộng, có tầm tổng quát lớn , các vị trí, góc quay khó mà người quay phim trực tiếp thực hiện sẽ khó khăn và nguy hiểm do camera phải đặt ở những vị trí có độ cao lớn Để giải quyết yêu

cầu này, giải pháp được lựa chọn để thực hiện là: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot

• Chế độ vận hành thủ công,

• Chế độ vận hành tự động,

• Chế độ vận hành bán tự động với khả năng tự động bám mục tiêu cho trước

Hình 0.6: Một dạng Camera crane có cần dài cố định cỡ lớn

2- Chế tạo robot camera crane có khả năng thực hiện các chuyển động, thao tác quay phim theo những quỹ đạo, chế độ quay hoàn toàn tự động, được hoạch định trước theo ý đồ của người thực hiện, chủ yếu phục vụ trong các trường quay trong nhà

Giải pháp được lựa chọn để thực hiện yêu cầu này là : Nghiên cứu thiết kế và chế tạo

robot camera crane với tay cần có độ dài trung bình và thay đổi được tầm vươn để thực hiện quay phim hoàn toàn tự động theo chương trình với quỹ đạo được định trước và khả năng bám mục tiêu

Từ các yêu cầu thực tế đặt ra và giải pháp thực hiện đã nêu trên, nếu nghiên cứu và thử nghiệm ứng dụng thành công các nội dung kể trên tại Đài Truyền Hình Việt Nam, sản phẩm “Robot camera crane” sẽ được mở rộng ứng dụng đến tất cả các Đài truyền hình khác trong cả nước, các studio, các nhà hát kịch, sân vận động, … phục vụ thiết thực cho nhu cầu đời sống tinh thần ngày một nâng cao của mọi tầng lớp công chúng

B Mục tiêu đề tài nghiên cứu :

Như tên của đề tài, trong khuôn khổ giới hạn của một luận văn, mục tiêu đề

tài được đặt ra là: Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của robot camera crane

có cần dài cố định cỡ lớn (12 mét) để ứng dụng trong lĩnh vực quay phim điện ảnh,

truyền hình

Giới thiệu nội dung của đề tài nghiên cứu

Nội dung của đề tài nghiên cứu bao gồm :

Chương I Khảo sát tổng quan robot camera crane: Giới thiệu, phân tích những tính

năng kỹ thuật cần thiết cho việc quay phim được yêu cầu đối với một robot camera crane Phân loại, tìm hiểu tính năng kỹ thuật, công dụng, cấu tạo, chủng loại các camera crane và robot camera crane hiện có trên thế giới

Chương II Nghiên cứu phương án thiết kế robot camera crane theo yêu cầu của Đài Truyền hình Việt Nam: Đề cập các yêu cầu thiết kế , mô hình cấu tạo của robot

camera crane cố định có tay cần dài đến 12m Trình bày kết quả thiết kế chế tạo robot

Hình 0.7: Một dạng

Camera Crane với tay cần dài trung bình và thay đổi được tầm vươn

robot camera crane Giải bài tóan động học tay máy, bài toán bù chuyển động để bám mục tiêu

Chương III Hệ thống điều khiển: Giới thiệu các chế độ điều khiển đối với robot; một

số thiết bị điều khiển; nguyên lý điều khiển các động cơ, điều khiển tay cần ứng dụng cho robot camera crane

Chương IV Lập trình điều khiển và mô phỏng chuyển động của robot camera crane: Bao gồm việc giới thiệu thư viện đồ họa OpenGL và giao điện điều khiển robot

CHƯƠNG I KHẢO SÁT TỔNG QUAN ROBOT

CAMERA CRANE I.1 Yêu cầu của công việc quay phim:

a Quay phim theo phương pháp truyền thống:

Quay phim theo phương pháp truyền thống được hiểu như những phương pháp quay phim thông thường Phim được quay có nội dung thể hiện trung thực quá trình diễn biến các sự kiện xảy ra khi quay và không có sự lồng ghép, pha trộn các nội dung hình ảnh từ những đoạn phim khác nhau Trong điện ảnh, khi quay phim theo phương pháp này, phim trường được dàn dựng thật và được quay trực tiếp cùng lúc với cảnh diễn viên diễn xuất Ở các chương trình thời sự truyền hình, việc thực hiện các nội dung tin ảnh cũng được quay tại hiện trường theo phương pháp này Ta hãy điểm qua những yêu cầu cần đáp ứng cho phương pháp quay phim truyền thống trong điện ảnh, truyền hình bao gồm những gì ?

Quay phim trong điện ảnh, truyền hình là loại hình công việc đòi hỏi rất cao về sự thông minh, tinh tế, nhạy cảm, kỹ năng nghệ thuật, kinh nghiệm nghề nghiệp của người quay phim Đoạn phim sau khi quay được xem là hoàn chỉnh nếu thể hiện được đầy đủ các nội dung nghệ thuật của kịch bản, diễn xuất của diễn viên, ý đồ chỉ đạo của đạo diễn … và hiển nhiên, trong phương pháp quay phim truyền thống, để đáp ứng được những yêu cầu như vậy thì người quay phim cần phải có đầy đủ các phẩm chất như đã nêu Có thể nói: muốn thực hiện được một bộ phim hay thì không thể thiếu những người quay phim giỏi Ở đây, nếu chỉ xét riêng về mặt trang thiết bị cần cung

crane có chế độ vận hành thủ công để con người có thể điều khiển trực tiếp vào quá trình ghi hình

Mặt khác, trong quay phim, để đưa camera đến được những vị trí mà người quay khó tiếp cận, nguy hiểm hoặc những vị trí mà sự hiện diện trực tiếp của họ có thể làm ảnh hưởng đến môi trường dàn dựng, diễn xuất của diễn viên … , thì người quay phim lại cần đến những camera crane có chế độ vận hành bán tự động với các trục xoay của bộ gá camera được điều khiển tự động bám mục tiêu định trước Với sự hổ trợ này, người quay phim có thể tập trung hơn cho các công việc khác còn lại như tìm

vị trí góc quay tốt nhất để ghi hình “mục tiêu”, điều chỉnh âm thanh, độ zoom, độ nét … trong quá trình ghi hình

Trong sản xuất các chương trình về phóng sự, tin tức truyền hình, nội dung của các hình ảnh quay được phải thỏa mãn yêu cầu về tính trực quan (dể nhìn, dể hiểu, dể hình dung) cho người xem Do vậy, sự với các tính năng kỹ thuật hỗ trợ của thiết bị quay phim (các bộ gá camera, camera crane, …) như đã trình bày ở trên sẽ rất cần thiết cho người quay phim nhằm có được những góc quay tốt, tầm thu hình phù hợp để thoả được các yêu cầu đề ra

Như vậy, yêu cầu về thiết bị quay phim đối với kỹ thuật quay phim truyền thống, được áp dụng trong điện ảnh và truyền hình là cần có các camera crane kết hợp được cả hai chế độ vận hành, đó là: chế độ vận hành thủ công và chế độ vận hành bán tự động với bộ gá camera có khả năng tự động bám mục tiêu cho trước

b Quay phim với kỹ thuật phim trường ảo:

Các nội dung kỹ thuật về phim trường ảo đã được đề cập ở phần mở đầu, có thể tóm lược lại như sau: Phim trường ảo là phim trường mà phần diễn viên diễn xuất được quay trên nền phông thuần sắc (thường là màu xanh) Phần cảnh thật (không có

diễn viên diễn xuất) được quay riêng ở nơi khác Sau đó, hai nội dung cảnh quay này được chọn lọc, lồng ghép, để cho ra sản phẩm phim ảnh hoàn chỉnh với bố cục bao gồm đầy đủ các nội dung phần diễn xuất của diễn viên và cảnh vật thật Với công nghệ làm phim sử dụng kỹ thuật phim trường ảo, khi trình chiếu phim sẽ rất giống với phim được thực hiện bằng phương pháp quay truyền thống, người xem phim không thể phát hiện được sự lồng ghép nói trên Lợi ích của công nghệ phim trường ảo mang lại cho điện ảnh, truyền hình rất to lớn và đã được trình bày ở phần mở đầu

Yêu cầu đối với thiết bị quay phim để đáp ứng cho việc xây dựng phim trường ảo chính là các loại robot camera và trong đó, loại chuyên dụng nhất để đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật công việc chính là robot camera crane – loại robot có hình dạng bên ngoài tương tự camera crane với các tính năng, chế độ hoạt động đa dạng: vừa có thể hoạt động tương tự như camera crane sử dụng trong quay phim truyền thống (có chế độ điều khiển trực tiếp bằng tay bởi người quay phim và chế độ điều khiển bán tự động với khả năng camera tự động bám mục tiêu định trước), vừa có thể hoạt động ở chế độ hoàn toàn tự động theo chương trình, tương tự như một robot công nghiệp

Qua việc phân tích các yêu cầu đối với công việc quay phim, có thể thấy rõ tầm quan trọng và sự không thể thiếu của camera crane các loại trong lĩnh vực quay phim điện ảnh truyền hình Nổi bật trên tất cả là Robot camera crane – là thế hệ thiết

bị camera crane quay phim tiên tiến nhất để đáp ứng cho công nghệ sản xuất phim mới và hiệu quả nhất – công nghệ phim trường ảo Hơn nữa, với các tính năng kỹ thuật đã nêu, nó còn có thể được sử dụng một cách rất “vạn năng” cho nhiều loại hình quay phim khác có sử dụng camera crane hoặc robot camera crane

I.2 Phân loại:

Nhìn chung, về cơ bản, camera crane và robot camera crane có kết cấu tương tự – là một tay máy dài có dạng cần trục, có năm hay sáu bậc tự do, trên khâu tác động cuối có lắp cơ cấu gá camerane Chúng chỉ khác nhau duy nhất ở đặc điểm: robot camera crane có khả năng vận hành tự động, còn camera crane thì không Trong khảo sát về cấu tạo và phân loại, ta có thể sử dụng các tư liệu về camera crane để khảo sát, phân tích chung cho cả hai dạng thiết bị này và gọi với tên chung là “robot camera crane” hay gọi tắc là “RCC” Một cách tương đối, ta có thể phân loại như sau:

a Phân loại theo yêu cầu sử dụng:

Theo cách phân loại này, ta có các loại robot camera crane như sau:

i RCC quay phim trong nhà:

Có thể chia ra thành hai loại: loại đặt cố định và loại di động

• Loại đặt cố định: Thường có kết cấu khá cồng kềnh, không thuận tiện dể dàng cho

việc tháo lắp thường xuyên để di dời từ nơi này đến nơi khác Nó thường được đặt cố định ở các nơi như hội trường, nhà hát, nhà thi đấu thể thao, studio lớn, …

-Ưu điểm:

+Ổn định và cứng vững hơn so với robot camera crane di động

+Tầm hoạt động rộng nhờ tay cần thường khá dài

• Loại lưu động: Loại này có kích cỡ nhỏ gọn, tính cơ động cao, thường được dùng để

quay cận cảnh, quay ở các sân khấu nhỏ… Loại này cũng có thể sử dụng cho quay phim ngoài trời

- Ưu điểm:

Hình 1.1: RCC đặt cố định trong nhà thi đấu thể thao

Hình1.2: RCC di động trong nhà theo ray dẫn hướng.

+ Kích thước, trọng lượng nhỏ nên rất cơ động trong di chuyển, tháo lắp

- Nhược điểm:

+ Do cần ngắn nên tầm quay hạn chế, khó quay được các cảnh có tầm tổng quát rộng

ii RCC quay phim ngoài trời:

Có thể chia ra thành các loại: RCC đặt cố định trên mặt đất, RCC đặt cố định trên xe ô tô, RCC di dộng tự do, RCC di động theo ray dẫn hướng

• RCC đặt cố định trên mặt đất: Loại này thường có kích thước lớn, cồng kềnh nhưng

được kết cấu phù hợp cho việc tháo lắp nhanh, dể dàng di dời từ nơi này đến nơi khác Các thiết bị cấu thành nên RCC là loại chuyên dùng cho lắp đặt ngoài trời, có khả năng chống mưa nắng, chống ẩm RCC loại này thường được sử dụng để quay phim tại các sân vận động, sân khấu lớn ngoài trời Hình bên dưới là một RCC tiêu biểu được đặt tại sân gold

- Ưu điểm:

Hình 1.3: Camera crane có cần dài cố định cỡ lớn

+ Có tầm thu hình rộng, bao quát, thích hợp cho việc quay các cảnh lớn như tại các sân vận động, các phim trường lớn…

- Nhược điểm:

+ Do kích thước, trọng lượng khá lớn nên tốc độ vận hành không cao, ít linh hoạt

+ Độ cứng vững và ổn định không cao

+ Phải tháo rời ra hoặc di dời đi nơi khác khi thời tiết không thuận lợi, có gió lớn, giông bão

• RCC đặt cố định trên xe ôtô: Loại này được thiết kế chuyên dùng để lắp đặt trên xe

lưu động nên có kết cấu và trọng lượng thích hợp tương ứng cho từng loại xe ôtô mà chúng được lắp đặt trên đó Đối với các loại RCC nhỏ, do tải trọng không lớn, dưới phần chân đế của RCC người ta bố trí những giác hút để lắp đặt lên xe nhanh chóng và tiệân dụng hơn

+ Ưu điểm: Nhờ lắp trên xe lưu động nên khả năng ứng dụng của robot camera

crane cao hơn, có thể hoạt động với tốc độ di chuyển cao

+ Nhược điểm: Do tốc độ hoạt động cao nên đòi hỏi RCC phải có kết cấu đủ cứng

vững Ỉ độ dài tay cần mang camera bị hạn chế để thỏa mãn yêu cầu này

Hình 1.5: CCR di động trên xe ô tô tải lớn

• RCC di động tự do: Nhờ có các bánh xe được bố trí bên dưới đế nên RCC có thể di

chuyển dễ dàng, đa năng hơn so với loại RCC đặt cố định trên mặt đất Các bánh xe có thể là loại bánh lốp hoặc bánh cứng, không có gờ để di chuyển trên mặt bằng hoặc có gờ để di chuyển trên đường ray

Hình 1.4a: RCC di động trên

ôtô nhỏ Hình 1.4b: RCC di động loại nhỏ với đế có bố trí các giác hút để gá đặt nhanh trên ô tô

• RCC di động theo ray dẫn hướng: Các bánh xe thông thường được thay bằng các

bánh xe chạy trên ray Loại này cho chất lượng thu hình tốt hơn và đáp ứng tốc độ di chuyển cao hơn so với loại RCC di chuyển trên các bánh xe thông thường, phù hợp cho quay phim với chuyển động của RCC cố định theo quĩ đạo là đường ray

+ Ưu điểm: Hành trình được bố trí trước nên tốc độ đáp ứng cao , thường dùng

trong quay phim bóng đá hay trong rạp chiếu phim

Hình 1.8: Cụm đế của RCC có lắp các bánh xe di

chuyển, giúp RCC linh hoạt hơn trong hoạt động

Hình 1.7: RCC di động tự do loại

bánh cứng

Hình 1.7: RCC di động tự do loại

bánh lốp

+ Nhược điểm : Do chỉ di chuyển theo đường dẫn (ray) nên tầm hoạt động bị hạn

chế

Hình 1.10: RCC cỡ trung bình di động theo ray dẫn hướng Hình 1.9: RCC cỡ nhỏ di động theo ray dẫn hướng

b Phân loại theo cấu tạo của bộ phận đỡ cụm camera:

i Loại có cấu tạo kiềng ba chân:

Đây là loại được dùng phổ biến tại các studio nhỏ, áp dụng quay các dạng bố cục cảnh đơn giản, vị trí quay không phức tạp

- Ưu điểm:

+ Gọn, nhẹ, tính cơ động cao, + Vận hành, bảo dưỡng đơn giản

Hình 1.11: RCC cỡ lớn di động theo ray dẫn hướng

Hình 1.12: Đường ray dạng thẳng Hình 1.13: Đường ray dạng cung tròn

Hình 1.14: Camera gá trên bộ kiềng ba chân

ii Loại có cấu tạo dạng cần: Đây là dạng thường gặp Tùy theo hình dạng của cần

mà ta có các loại sau:

• Cần có cấu tạo là cơ cấu hình bình hành:

Hình 1.15: RCC có kết cấu cần dạng cơ cấu hình bình hành

Loại này được sử dụng khá phổ biến Cơ cấu hình bình hành của tay cần sẽ tạo

ra chuyển động bù với chuyển động nâng hạ cần, giữ cho bộ gá camera ở một góc nghiêng không đổi

• Cần có dạng hình hộp chữ nhật gồm nhiều đoạn cần ghép lồng vào nhau: Ở loại này,

tay cần có thêm chuyển động co duỗi cần nhờ chuyển động trượt tương đối giữa các đoạn cần với nhau

- Ưu điểm:

+ Khả năng đáp ứng các vị trí, góc quay phim rất đa dạng và tốt hơn so với các loại RCC khác nhờ có chuyển động thay đổi chiều dài cần trên phạm

vi rộng một cách linh hoạt

+ Kết cấu gọn

• Cần với kết cấu giàn không gian : Tùy vào mức độ yêu cầu của người sử dụng mà cần

có thể ngắn hoặc dài khác nhau Cần được kết cấu từ ống nên trọng lượng giảm đáng kể so với loại cần dạng hộp và độ cứng vững cao hơn nhờ ống có tính chất chịu lực theo các phương vuông góc trục ống là như nhau Kết cấu này còn hạn chế được tải trọng gió tác động lên cần do giảm được diện tích hứng gió nhờ kết cấu giàn Đối với cần dài trên năm mét, cần được cấu thành từ những mođun cần ghép nối tiếp nhau để tiện cho việc tháo lắp và di chuyển Phần đuôi cần phía sau là đối trọng giúp cần ổn định và cân bằng Tuy nhiên, do kết cấu gồm nhiều đoạn cần ghép cứng với nhau nên khi cần thay đổi chiều dài cần thì phải tháo lắp lại cần, ít linh hoạt hơn trong vận hành

so với cần dạng hộp

Hình 1.17: Hình chiếu đứng của một RCC với cần

có kết cấu giàn không gian

c Phân loại theo số bậc chuyển động của bộ gá camera:

i Loại bộ gá camera có hai bậc tự do quét hình:

Hình 1.18: RCC có cần kết cấu

dạng giàn không gian

Loại này quay phim bằng phương pháp quét hình hai trục Trên bộ gá camera có hai trục xoay được bố trí vuông góc với nhau để thực hiện chuyển động xoay quét hình hai trục Ngoài ra còn có thêm hai chuyển động xoay nữa dùng để bù lại cho các thay đổi của góc nâng hạ cần và quay cần Hai chuyển động bù này có thể được thực hiện bởi hai trục chuyển động riêng biệt hoặc bằng chính chuyển động của hai trục

Hình 1.20a: Bộ gá camera

có hai bậc tự do

ii Loại bộ gá camera có ba bậc tự do

Ở loại này, ngoài hai bậc tự do xoay quanh hai trục ox, oy quét hình như trình bày ở trên, nó còn có thêm bậc tự do xoay quanh trục oz để tạo ra các hiệu ứng hình ảnh có những cảnh quay đảo ngược Với ba trục xoay, bộ gá camera có chuyển động tương đương khớp cổ tay Với bố trí các chuyển động như vậy, bộ gá có thể thay thế

hoàn toàn cho một người mang camera

Hình 1.21: Cấu tạo một bộ gá

camera ba bậc tự do

d Phân loại theo mức độ tự động:

i Camera crane vận hành thủ công hoàn toàn:

Loại này có kết cấu đơn giản, chủ yếu là các kết cấu cơ khí, rất dể dàng trong vận hành, bảo dưỡng, sửa chữa Tuy nhiên, do con người phải tham gia trực tiếp vào quá trình vận hành, điều khiển quay phim nên để đảm bảo về an toàn cho người quay, chiều dài cần và độ cao nâng bị khống chế Loại này phù hợp cho việc quay phim ở các vị trí không bị trở ngại, góc quay ít phức tạp

ii Camera crane vận hành thủ công một phần, camera được điều khiển từ xa:

Hình 1.22: Bộ gá camera có ba trục

quét hình

Hình 1.23: RCC vận hành thủ công

hoàn toàn

Về cấu tạo, loại này có kết cấu cơ bản tương tự loại vận hành thủ công hoàn toàn Tuy nhiên, trong điều khiển, so với loại vận hành thủ công hoàn toàn, nó được cải tiến đáng kể Việc vận hành camera được “điều khiển từ xa” bằng cách tác động các thiết bị điều khiển bởi người quay phim đứng bên dưới Loại này có ưu điểm là người quay phim không phải ở trực tiếp trên cao khi quay cùng camera nên tránh được các rủi ro, nguy hiểm do độ cao lớn

iii Camera crane điều khiển từ xa hoàn toàn:

Đây là loại camera crane được tự động hoá điều khiển ở mức cao hơn so với loại vận hành thủ công một phần nói trên Tất cả các hoạt động của camera crane đều được điều khiển bởi người quay phim, gián tiếp qua các thiết bị điều khiển đặt ở vị trí

thích hợp bên dưới

Hình 1.24: Camera crane vận hành thủ công với camera được

điều khiển từ xa

Hình 1.25: RCC lắp trên ô tô, điều khiển từ xa hoàn toàn

i 4 Camera crane điều khiển bán tự động:

Đây là loại camera crane được cải tiến từ loại điều khiển từ xa hoàn toàn Ở loại này, việc điều khiển phối hợp các trục xoay của bộ gá camera để bù lại cho các chuyển động ở tay cần của RCC nhằm bám mục tiêu định trước được thực hiện tự động hoàn toàn bằng máy tính Việc điều khiển tự động chuyển động bù này đã hổ trợ rất đắc lực cho người quay phim khi thực hiện quay các đoạn phim khó, vị trí quay phức tạp

i 5 Camera crane điều khiển tự động hoàn toàn – Robot camera crane:

Về hình thức bên ngoài, loại RCC này không có gì khác biệt so với camera crane điều khiển bán tự động Tuy nhiên, nó chính là kết quả của sự nghiên cứu, cải tiến các nội dung về kỹ thuật điều khiển để đạt đến mức có thể điều khiển tự động hoàn toàn RCC bằng máy tính Nó có khả năng hoạt động hoàn toàn tự động theo chương trình được lập, tương tự như một tay máy của robot công nghiệp Đây chính là loại thiết bị rất cần thiết và quan trọng cho việc xây dựng phim trường ảo đã được đề cập ở phần mở đầu Có thể nói, robot camera crane là thiết bị quay phim hiện đại và tiên tiến nhất hiện nay được áp dụng trong lĩnh vực điện ảnh truyền hình

I.3 Tìm hiểu một số yêu cầu trang bị các loại cáp truyền tín hiệu trong công việc quay phim

a Cáp truyền tín hiệu đèn tally (tally light): là cáp liên kết giữa đèn tín hiệu tally

của các camera quay phim và trung tâm điều hành Đèn tally giúp đạo diễn và người quay phim có được sự phối hợp ăn ý Thông qua tín hiệu đèn tally, người quay phim có thể nhận biết được đạo diễn chỉ đạo camera nào trong nhóm các camera làm việc được

chọn lấy hình, giúp người quay tập trung tốt hơn khi quay phim

b Cáp truyền âm thanh: là loại cáp truyền

tín hiệu âm thanh của cảnh phim đang quay từ camera đến người quay phim

c Cáp truyền của bộ View Finder: là cáp

truyền từ camera đến một màn hình nhỏ trắng đen được lắp tại vị trí thao tác của người quay phim Màn hình này hiển thị hình ảnh của cảnh phim đang quay, người quay phim nhìn vào đó để hiệu chỉnh độ nét của hình ảnh

d Cáp Zoom switch: là cáp nối từ công tắc đặt ở vị trí người quay phim đến ống kính

zoom của camera để hiệu chỉnh ống kính zoom (phóng to, thu nhỏ)

e Cáp Focus Knob: là cáp nối từ công tắc điều chỉnh đặt ở vị trí người quay phim đến

ống kính của camera để hiệu chỉnh tiêu điểm của cảnh quay

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU PHƯƠNG ÁN THIẾT

KẾ ROBOT CAMERA CRANE THEO YÊU CẦU CỦA ĐÀI TRUYỀN HÌNH VIỆT NAM

II.1 Yêu cầu nghiên cứu thiết kế

Như đã trình bày ở phần mở đầu, Đài truyền hình Việt Nam đã đặt ra hai yêu cầu về nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot camera crane gôøm:

a Robot camera crane cố định có tay cần dài 12 mét, có các đặc điểm, tính năng kỹ thuật cho phép thực hiện những chế độ quay phim gồm: Chế độ vận hành thủ công; chế độ vận hành bán tự động với khả năng tự động bám mục tiêu cho trước; chế độ vận hành tự động

b Robot camera crane có tay cần có độ dài trung bình 6 mét, có khả năng thay đổi được tầm với một cách liên tục từ ba đến sáu mét để thực hiện quay phim hoàn toàn tự động theo chương trình với quỹ đạo được định trước và khả năng bám mục tiêu

Tuy nhiên, trong khuôn khổ giới hạn của luận văn, nhiệm vụ đặt ra cho đề tài

nghiên cứu là: Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của robot camera crane đặt

trên giá đế cố định, di chuyển được nhờ các bánh xe lắp trên đế, có tay cần dài đến 12 mét với các chế độ hoạt động:

• Chế độ vận hành thủ công,

• Chế độ vận hành bán tự động với khả năng tự động bám mục tiêu cho trước

• Chế độ vận hành tự động,

II.2 Xây dựng phương án thiết kế về cấu tạo của robot camera crane (RCC)

a Xây dựng phương án thiết kế động học:

Ở tất cả các chế độ hoạt động, nhiệm vụ cơ bản của một RCC là:

- Đưa camera quay phim ở những độ cao, bán kính hoạt động khác nhau

- Thực hiện quay được các góc quay một cách linh hoạt

Để thực hiện nhiệm vụ thứ nhất, ngoài việc tay cần mang camera của RCC phải đủ dài, nó còn phải có khả năng thay đổi góc nâng hạ cần đủ lớn nhằm có thể đưa

camera lên các độ cao khác nhau cũng như để thay đổi tầm với hoạt động, tức phải có

chuyển động thay đổi tầm của tay cần – với góc thay đổi tầm, ϕ21 Thêm vào đó, để tăng thêm phạm vi vùng không gian hoạt động của cần mang camera, ta cần phối hợp thêm chuyển động quay cần quanh trục thẳng đứng để thay đổi hướng – với góc thay đổi hướng, ϕ10 Tóm lại, tay cần được thiết kế phải thoả mãn yêu cầu của hai chuyển động: thay đổi góc nâng hạ cần ϕ21 (tầm) và góc xoay cần ϕ10 (hướng)

Mặt khác, để giải quyết yêu cầu thứ hai về độ linh hoạt của camera nhằm đáp ứng yêu cầu thực hiện các chuyển động xoay trở linh hoạt của bản thân camera mà không cần thay đổi tầm và hướng của cần, bộ gá mang camera phải được trang bị các chuyển động này Với các chuyển động trang bị cho bộ gá mang camera tương tự như khớp cổ tay (gập cổ tay - pitch, ϕ43; lắc cổ tay – yaw, ϕ54; quay quanh trục ống kính - roll, ϕ65) ở robot, nó hoàn toàn có thể thoả mãn những yêu cầu về góc quay khác nhau của camera khi tay cần đứng yên Như vậy, ta cần thiết kế ba chuyển động quay cho bộ gá mang camera

Khi tay cần chuyển động, camera sẽ bị thay đổi hướng ống kính Để khắc phục nhược điểm này, ta cần phải thực hiện các chuyển động bù góc xoay ở bộ gá

camera crane sử dụng tay cần có cấu tạo dạng cơ cấu hình bình hành để bù góc nâng hạ cần Ở đây, với tay cần dài, có kết cấu giàn không gian thì việc áp dụng cơ cấu bù góc xoay này sẽ không phù hợp vì kết cấu cần sẽ cồng kềnh và trọng lượng cần tăng đáng kể, làm giảm độ linh hoạt và gây khó khăn trong việc điều khiển Ta chọn phương án sử dụng một động cơ servo lắp ở bộ gá mang camera để thực hiện chuyển động bù này, đồng thời còn có tác dụng tăng độ linh hoạt quay phim cho RCC

Ngoài ra, cũng có thể chọn phương án tạo cho bộ gá camera chuyển động trượt theo một ray dẫn hướng dọc cần hoặc thay dổi chiều dài cần (bằng cách tăng giảm số đoạn cần trung gian được lắp) để thay đổi tầm với hoạt động Ở đây ta có thể thêm một chuyển động di trượt dọc cần S32 cho bộ gá mang camera khi chọn phương án nêu trên

Từ phân tích trên, ta có lược đồ liên kết động học của RCC như sau:

Hình 2.1: Lược đồ động của Robot Camera crane

Ghi chú:

Nguyên lý hoạt động:

Khâu 1 quay quanh đế (ϕ10) nhờ một động cơ điện lắp trên khâu 1ø truyền động qua hộp giảm tốc và qua khớp nối 2 Tương tự, khâu 2 quay quanh trục vuông góc với khâu 1 (ϕ21) (nhờ lực nâng của trục vít me bi) Tời cáp kéo khâu 3 chuyển động tịnh tiến so với khâu 2 (s32) Các chuyển động của khâu 5, khâu 6 và khâu 7 là các chuyển động quét hình của camera Ngoài ra, trong chế độ bán tự động (với khả năng tự động thực hiện các chuyển động bù góc quay của khâu 1 và khâu 2 để bám mục tiêu), chuyển động quay của khâu 4 để bù lại góc quay của khâu 2, chuyển động quay của khâu 5 để bù lại góc quay của khâu 1

b Chọn phương án kết cấu:

Từ lược đồ, ta cần phân tích một số ưu nhược điểm của các dạng kết cấu camera crane để chọn phương án kết cấu:

+ RCC có cần dạng cơ cấu hình bình hành: Loại này chỉ thích hợp đối với các tay cần có độ dài dưới tám mét Nếu chiều dài cần lớn hơn, kết cấu này sẽ làm cho cần nặng và cồng kềnh, tính linh hoạt và cơ động kém

Hình 2.2: Sơ đồ một dạng kết cấu hình bình hành của tay cần

+ RCC có dạng cần hộp: Loại cần này luôn bị ảnh hưởng bởi tải trọng gió theo phương ngang tác động nên chỉ thích hợp với độ dài cần cỡ nhỏ và cỡ trung (nhỏ hơn tám mét) Khi độ dài lớn hơn, cần dể bị mất ổn định khi làm việc

Hình 2.3: RCC có cần dạng hộp

+ RCC có kết cấu giàn không gian: Loại cần này với độ dài lớn thì khắc phục được các nhược điểm của hai loại cần nêu trên Nhờ có kết cấu dạng khung giàn không gian nên độ cứng vững tốt hơn và trọng lượng cần có thể giảm được đáng kể

Từ các dữ liệu phân tích ở trên, phương án kết cấu thích hợp được đề nghị chọn lựa là thiết kế robot camera crane có kết cấu tay cần dạng giàn không gian

Hình 2.4: Mô hình tham khảo cho kết cấu của RCC thiết kế

Đặc điểm của RCC bao gồm sáu khâu, kết hợp thành năm khớp bản lề (khớp quay) và một khớp trượt (khớp tịnh tiến) Do có cấu tạo như một tay máy sáu bậc tự do như trên hình vẽ nên RCC hoạt động rất linh hoạt và có tầm hoạt động rộng, khâu 2 có độ dài là 12 m và có thể thay đổi tầm với bằng cách cho khâu 3 di trượt dọc theo khâu 2 Ngoài ra, ba bậc tự do tương ứng với ba chuyển động định hướng hình thành cơ cấu mang camera có dạng như khớp cổ tay giúp cho RCC linh hoạt hơn trong quá trình

Các khâu liên kết với nhau bằng khớp bản lề lọai 5, riêng khâu 2 và khâu 3 liên kết với nhau bằng khớp trượt (tịnh tiến)

c Kết cấu cơ khí của RCC được đề nghị:

Hình 2.5: Sơ đồ cấu tạo phần cơ của robot camera crane

Mô hình robot camera crane được chia làm ba cụm

- Cụm đế

S32

Động cơKhâu 1 Đế

Khâu 2Đối trọng

Khâu 3

Khâu 4Khâu 5