基于Unity的摄像机仿真操作系统的实现

张绍江

(天津中德职业技术学院 天津300350)

基于Unity的摄像机仿真操作系统的实现

张绍江

(天津中德职业技术学院 天津300350)

视频拍摄用摄像机是电视节目制作领域使用到的关键设备，需要多次反复练习才可达到熟练操作的目的。在研究基于 Unity的虚拟现实开发技术的基础上，以辅助学生课堂实践教学、降低设备投入及运行成本为目的，通过对摄像机仿真操作系统的功能需求分析，从摄像机的基本操作入手，设计并开发了一套摄像机仿真操作系统。该系统通过改变虚拟摄像机的光轴旋转、位移变化和视场角大小来模拟真实摄像机的推、拉、摇、移、跟等运动镜头的拍摄。

Unity 虚拟现实 摄像机仿真 交互

0 引 言

摄像机仿真系统是在虚拟现实技术的基础上，将真实世界中摄像机的固定画面拍摄方法和推、拉、摇、移、跟等移动摄像操作功能通过三维建模、交互开发等数字化手段进行模拟再现，提供给用户进行仿真操作的系统。通过场景中的虚拟摄像机，用户可以及时、没有限制地观察三维空间内的事物。[1]该系统可以脱离摄像机这一硬件设备而进行虚拟操作，是影视节目制作领域和电视摄像实践教学领域在虚拟现实技术的基础上进一步开发的产物。

1 系统需求分析

摄像机仿真系统是以辅助电视摄像实践教学，满足学历教育学生、技能培训学员和摄像师岗位从业人员脱离真实设备环境进行实践操作为目的所开发的虚拟现实系统。它以实物设备为蓝本，通过虚拟现实技术再现其使用环境与操作流程，通过交互设计实现虚拟操作，主要包含设备展示和仿真操作等功能。

1.1 设备展示功能

摄像机是摄像机仿真系统的核心设备，在系统中加入设备展示功能，可对该设备进行细致查看，了解设备的具体外观和各功能部件的位置。在该功能中，用户可以通过拖动鼠标和滚动滚轮旋转和缩放展示的设备，以对设备进行全方位观察和了解，如图1所示。

图1 设备展示功能示意图Fig.1 Display function of the equipment

1.2 仿真操作功能

摄像机仿真系统的核心功能就是仿真操作。通过键盘按键或界面按钮交互操作改变场景中虚拟摄像机的焦距、光轴旋转方向和机位移动方向模拟摄像机的推、拉、摇、移、跟等运动拍摄的操作，如图2所示。

图2 仿真操作功能示意图Fig.2 Simulation equipment’s operation functions

2 系统功能实现

2.1 设备展示功能的实现

设备展示功能可以允许用户通过操作鼠标左键在窗口中拖动使物体进行旋转，并且通过鼠标滚轮的操作对场景中的物体进行缩放。这两个功能分别通过场景中三维物体的旋转和位置的变化来实现，其中旋转需要使用到Unity中提供的四元数Quaternion[2]中的Euler()方法。该功能的核心代码如图3所示。

图3 设备展示功能的核心代码Fig.3 Core codes of the equipment display function

2.2 仿真操作功能的实现

摄像机仿真功能的实现需要对虚拟摄像机的旋转、位移和焦距进行调节。其中旋转变化模拟摄像机各个方向摇镜头的操作，位移变化模拟移、跟镜头的操作，焦距变化模拟推、拉镜头的操作。其中位移的变化使用Translate函数实现、旋转变化使用Rotate函数实现、焦距的变化使用视场角属性Field Of View值的改变实现。其核心代码如图4所示。

图4 仿真操作功能的核心代码(1)Fig.4 Core codes of the equipment operation function(a)

图4 仿真操作功能的核心代码(2)Fig.4 Core codes of the equipment operation function(b)

3 结 语

在应用领域中，虚拟现实技术使众多传统行业和产业发生了革命性的改变。[3]学习新知识、技能的方法也在随之变化，对于一些价格昂贵而又需要反复操作的设备，可以从实物操作练习向虚拟仿真操作过渡，它已经成为用户获取知识技能的新途径。摄像机仿真操作系统是基于 Unity平台开发的虚拟仿真操作系统，它可以让用户的操作不受时间和场地的限制，随时随地进行仿真练习，对快速掌握摄像机的使用方法和拍摄技巧，起到了积极的促进作用。■

［1］ 李伟. 虚拟现实技术在道路交通领域中的应用探讨[J]. 交通科技与经济，2004(24)：4-5.

［2］ Kuipers J B. Quaternions and Rotation Sequences：A Primer with Applications to Orbits，Aerospace and Virtual Reality [M]. Princeton：Princeton University Press，1999.

［3］ Rander P. Virtualized Reality：Constructing Time-Varying Virtual Worlds from Real World Events [C]. PROC. OF IEEE VISUALIZATION，1997(10)：277-283，552.

The Realization of a Camera Simulation Operating System Based on Unity

ZHANG Shaojiang
(Tianjin Sino-German Vocational Technical College，Tianjin 300350，China)

Video camera is one of the key equipment used in television program production and it requires repetitive practices to achieve the purpose of skilled operation．A camera simulation operating system was designed and developed through an analysis of functional requirements and basic operations of cameras on the basis of the development of Unity-based virtual reality technology and with the purposes of assisting practical class teaching，reducing equipment cost and operation cost．The system is able to simulate the motion shooting of pushing，pulling，shaking，shifting and following of real camera lens through changing axis rotation，displacement and size of view angles of virtual camera so as to achieve the purpose of simulation operation.

Unity；virtual reality；camera simulation；interaction

TP319.9

A

1006-8945(2015)09-0065-02

天津中德职业技术学院教学改革与建设项目《虚拟实训系统在教学过程中的实践探索——虚拟现场导播系统的设计与开发》(项目编号：ZDJY2014-12)。

2015-08-07