云台
安装、固定与移动摄像机的支撑设备
云台是安装、固定摄像机的支撑设备。位于三脚架的上部,包括台面、转动部分、云台手柄和水平仪器等部分。实质上,云台就是两个交流电机或直流电机组成的安装平台,可以水平和垂直的运动。但是照相器材的云台一般来说只是一个三脚架,只能通过手来调节方位;而监控系统的云台是通过控制系统在远程可以控制其转动以及移动的方向的。
各种类型云台的水平摇摄角度一般均为 360°,而俯仰摇摄角度则各有不同。云台一般都附有手柄以操纵云台运转。云台做水平回转的零件上一般还装有水平仪,安装摄影机支架要根据水平仪的指示支平云台。
发展历程
1949年,Oconner公司设计并制造了世界上第一台液压云台。然而,由于当时设备和技术的限制,第一个液压云台在外观和结构上都有许多缺点。它只使用普通的交流电机,整个变速器完全由齿轮传动。因此,云台只能在单一方向上旋转,旋转精度和承载能力相对较低,但在当时,云台已经有了许多应用。随着生产技术和设备的不断发展,Oconner公司对原有云台的外观和性能不断改进,并用电动机直接移动精密齿轮系统,大大提高了云台的旋转精度。随后,1969年,EricMiller先生在悉尼创立的的Miller公司开始设计和制造多种云台型号,包括适用于新闻报道摄像机的液压云台和小型万向摇臂云台。
20世纪70年代,美国人盖瑞特·布朗发明了斯坦尼康稳定器(Steadicam),是最早期的相机稳定器,解决了移动中相机拍摄的问题。它的基本元件是一只具有活动性关节的减震臂和一件穿在摄影师身上的辅助背心 。手持或肩扛摄影机拍摄时,画面往往会产生较大的抖动,容易产生视觉疲劳,甚至产生眩晕等生理不适。因此,在进行移动拍摄的时候,摄影师常常会借助轨道车或者摇臂来降低摄影机抖动、保持画面的平稳。但是,如果是遇到阶梯、山地、丛林等复杂地形时,轨道车和摇臂的架设会非常困难。这时,斯坦尼康稳定器的便利性就表现了出来,摄影师穿上它,不仅可以在不平坦的路面环境和各种复杂地形进行移动拍摄,而且便于进行长时间的演员跟拍或长距离的位移运动。
产品概述
载重
云台的载重量是指应该完全可以承载摄像机、镜头、防护罩及其配件的总重量。考虑到云台的载重指标均为平衡负载,在云台载重选取时应该有适当余量,一般选取负载的1.3~1.5 倍作为云台的载重指标。如6kg 以下适合于室内/外安装一体化摄像机或定焦镜头摄像机;6~12kg 适合于室内/外安装一体化摄像机或小型变焦镜头;12~25kg 适合于安装较大变焦镜头、摄像机、防护罩;25kg 以上的适合于安装特大型变焦镜头、摄像机、防护罩。目前出厂的室内用云台承重量一般为 1.5~7kg,室外用云台承重量一般为7~50kg。还有些云台是微型云台,比如与摄像机一起安装在半球形防护罩内或全天候防护罩内的云台。
控制方式
一般的云台均属于有线控制电动云台。控制线的输入端有 5个,其中1个为电源的公共端,另外4 个分别为上、下、左右控制端。如果将电源的一端接在公共端,电源的另一端接在“上”时,则云台带动摄像机头向上转动,其余类推。
转动角度
云台转动角度分为水平转角和垂直转角,垂直转角与负载安装方式相关一般顶装云台的垂直转角为一90°~十40°,侧装云台的垂直转角为士100°左右,水平转角一般都可以达到 345°~365°。
齿轮间隙
齿轮间隙(Gear Backlash)也称回差,是考察云台转动精度的重要指标齿轮间隙越小说明云台的精确度越高。
扭矩
对于一定载重的云台来说,扭矩越大说明台抗拒非电机启动的力量越大。
承载方式与安装方式
按照负载安装方式,云台有顶装方式和侧装方式,实际选择时需要参考载重和建设单位的认知程度选择。云台的安装方式一般有正装和吊装两种设计时需要考虑同样云台吊装时载重指标的大幅度下降,如无特殊需要不建议采用吊装方式。
辅能
云台的辅助功能包括自动水平扫描、预置位、加热器等选项,设计时需要根据使用环境、用户使用的功能需求决定。
IP保护等级
云台防尘防水的IP等级应达到IP66以上。IP防护等级的高低反映了设备的密封程度,主要指防尘和液体的侵入,它是一种国际标准,符合1997年的BS5490标准和1976年的IECS529标准。IP后的第一个数值表示抗固体的密封保护程度,第二位表示抗液体保护程度,第三位表示抗机械冲击碰撞。另外在实际使用中应根据环境选择使用相适合的材料和防护层,如铁质外壳不适合使用在潮湿和具有腐蚀性的环境中。
可靠性
云台可靠性的衡量指标依据其平均故障(间隔)时间MTBF、平均修理时间MTTR、平均无故障时间MTTF以及动开关的极限次数等方面的数据。
基本类型
云台按其安装环境、安装方式、工作电压、负载大小等方面被具象为不同种类的云台。
通用型、特殊型云台
根据使用环境分为通用型和特殊型。通用型是指使用在无可燃、无腐蚀性气体或粉尘的大气环境中,又可分为室内型和室外型。最典型的特殊型应用是防爆云台。
室内、室外型云台
按使用环境分为室内型和室外型,主要区别是室内云台,抗环境干扰能力较弱;而室外云台具有防潮防雨功能,密封性能好,防水、防尘,负载大。
室外云台与室内云台大体一致,只是由于室外防护罩重量较大,使云台的载重能力必须加大。同时,室外环境的冷热变化大,易遭到雨水或潮湿的侵蚀。因此室外云台一般都设计成密封防雨型。另外室外云台还具有高转矩和扼流保护电路以防止云台冻结时强行起动而烧毁电机。在低温的恶劣条件下还可以在云台内部加装温控型加热器
室内使用的云台的要求不高,云台的使用环境的各项指标主要针对室外使用的云台。其中包括使用环境温度限制、湿度限制、防尘防水的IP防护等级。一般室外环境使用的云台温度范围为-20℃至+60℃,如果使用在更低温度的环境下,可以在云台内部加装温控型加热器使温度下限达-40℃或更低。湿度指标一般为95%不凝结。
防爆云台
防爆云台用于煤矿、化工厂、油田等有爆炸性气体的场合。防爆云台可与防爆型防护罩配合使用。
侧装、吊装云台
按安装方式分为侧装和吊装,吊装云台安装在天花板上;侧装云台安装在墙壁上。
侧装云台,温布利和曼富图都有生产,是很受鸟类摄影师欢迎的品牌,它们有助于在三脚架上平衡相机和沉重的镜头,使其更便于操作使用。
轻载、中载、重载、防爆云台
按照承载重量分为轻载云台、中载云台和重载云台。
云台的最大负载是指垂直方向承受的最大负载能力。摄像机的重心(包括防护罩)到云台工作面距离为50mm,该重心必须通过云台回转中心,并且与云台工作面垂直,这个中心即为云台的最大负载点,云台的承载能力是以此点作为设计计算的基准。如果负载位置安装不当,重心偏离回转中心,增大了负载力矩,实际的载重量将小于最大负载量的设计值。因此云台垂直转动角度越大,重心偏离也越大,相应的承载重量就越小。
云台的载重量是选用云台的关键,如果云台载重量小于实际负载的重量不仅会使操作功能下降,而且云台的电机、齿轮也会因长时间超负荷损坏。云台的实际载重量可从3kg到50kg不等,同一系列的云台产品,侧装时的承载能力要大于顶装,高速型的承载能力要小于普通型。
普通形、球形、三维云台
按外形比较常见普通型云台、三维云台和球形云台,球形云台是把云台安置在一个半球形、球形防护罩中,除了防止灰尘干扰图像外,还隐蔽、美观、快速。球形云台单手操控就可以调整方向;三维云台没有那么敏捷,不过定位更精确,可以更细微地调整方向。这两种设计分别满足了两种不同的个性化偏好,尤其是由齿轮控制的球形云台,可以进行更细微的调整、精确度可达到毫米级。除此之外,市场上还有一种混合式球形云台,它将球形机械装置与齿轮控制的平移、倾斜装置结合,以满足各种刁钻拍摄角度的需要而设计的。
水平、全方位云台
按照可以运动功能分为水平云台和全方位(全向)云台。
云台根据其回转的特点可分为只能左右旋转的水平旋转云台和既能左右旋转又能上下旋转的全方位云台。
全方位云台内部有两个电机,分别负责云台的上下和左右各方向的转动。其工作电压的不同也决定了该云台的整体工作电压,一般有交流 24V、交流220V及直流12V。当接到上、下动作电压时,垂直电机转动,经减速箱带动垂直传动轮盘转动;当接到左、右动作电压时,水平电机转动并经减速箱带动云台底部的水平齿轮盘转动。
云台都有水平、垂直的限位栓,云台分别由两个微动开关实现限位功能。当转动角度达到预先设定的限位栓时,微动开关动作切断电源,云台停止转动。限位装置可以位于云台外部,调整过程简单,也可以位于云台内部,通过外设的调整机构进行调整,调整过程相对复杂。但外置限位装置的云台密封性不如内置限位装置的云台。
交流定速、直流变速云台
按照工作电压分为交流定速云台和直流高变速云台。
云台的转动速度是衡量云台档次高低的重要指标。云台水平和垂直方向是由两个不同的电机驱动的,因此云台的转动速度也分为水平转速和垂直转速。由于载重的原因,垂直电机在启动和运行保持时的扭矩大于水平方向的扭矩,在加上实际监控时对水平转速的要求要高于垂直转速,因此一般来说云台的垂直转速要低于水平转速。
交流云台使用的是交流电机,转动速度固定,一般为水平转动速度为4°/秒~6°/秒,垂直转动速度为3°/秒~6°/秒。一些商家会生产出交流型高速云台,可以达到水平15°/秒,垂直9°/秒,但同一系列云台的高速型载重量会相应降低。
直流型云台大都采用的是直流步进电机,具有转速高、可变速的优点,十分适合需要快速捕捉目标的场合。其水平最高转速可达40°~50°/秒,垂直可达10°~24°/秒。另外直流型云台都具有变速功能,所提供的电压是直流0°至36°V之间的变化电压。变速的效果由控制系统和解码器的性能决定,以使云台电机根据输入的电压大小做相应速度的转动。常见的变速控制方式有两种,一种是全变速控制,就是通过检测操作员对键盘操纵杆控制的位移量决定对云台的输入电压,全变速控制是在云台变速范围内实现平缓的变速过渡。另外一种是分档递进式控制,就是在云台变速范围内设置若干挡,各档对应不同的电压(转动速度),操作前必须先选择所需转动的速度档,在对云台进行各方向的转动操作。
顶装、侧装云台
按照负载安装方式分为顶装云台和侧装云台。
云台的转动角度尤其是垂直转动角度与负载(防护罩/摄像机/镜头总成)安装方式有很大关系。云台的水平转动角度一般都能达到355°,因为限位栓会占用一定的角度,但会出现少许的监控死角。当前的云台都改进了限位装置使其可以达到360°甚至365°(有5°的覆盖角度),以消除监控死角。用户使用时可以根据现场的实际情况进行限位设置。例如安装在墙壁上的壁装式,即使云台具有360°的转动角度,实际上只需要监视云台正面的180°角度,即使转动到后面方向的180°也只能看到安装面(墙壁),没有实际监控意义。因此壁装式只需要监视水平180°的范围,角装式只需监视270°的范围。这样避免云台过多地转动到无需监控的位置,也提高了云台的使用效率。
顶装式云台的垂直转动角度一般为+30°至-90°,侧装的垂直转动角度可以达到±180°,不过正常使用时垂直转动角度在+20°至-90°即可。
L形、U形云台
L形云台也称“悬臂”云台,U形云台称为“叉式”云台。L形和U形云台适用于带长焦镜头的相机。由于其旋转轴位于相机重心上方,因此当相机安装在云台上时,重心较低。当云台处于放松状态时,相机不会翻倒。
固定、电动云台
固定云台适用于监视范围不大的情况,在固定云台上安装好摄像机后可调整摄像机的水平和俯仰的角度,达到最好的工作姿态后,只要锁定调整机构就可以了。电动云台适用于对大范围进行扫描监视,它可以扩大摄像机的监视范围。
电动云台高速姿态是由两台执行电动机来实现,电动机接受来自控制器的信号精确地运行定位。在控制信号的作用下,云台上的摄像机既可自动扫描监视区域,也可在监控中心值班人员的操纵下跟踪监视对象。
其他云台
全景云台
全景云台是区别于普通云台的高端拍摄设备,如曼富图的 303SPH 云台就属于全景云台。称其为全景云台的主要原因在于此类云台都具备两大功能:首先,可以调节相机节点在一个纵轴线上转动;其次,相机可以在水平面上水平旋转,以实现在三维空间中的固定位置进行拍摄,确保相机拍摄的图像可以使用景观设计师软件进行组装,用于三维全景。
全景云台有一个360°刻度的横轴,可以安装在三脚架上,安装相机的支架部分可以水平旋转360°。全景云台的支架也可以移动前方的相机,从而达到适应不同相机宽度的最优效果。由于相机的宽度会影响“全景”三脚架头部节点的位置,因此可以调整相机的水平移动位置。
液压云台
液压云台适用于带长焦镜头的相机和摄像机,因为油压的阻尼作用可以防止相机快速滑动,也可以使摄像机在拍摄过程中旋转更平滑。
齿轮云台
齿轮云台适合使用大型专业相机,可以更精确地调整和定位。
性能指标
载重
云台的载重是云台工作电机功率的直接反映,不能超过云台的载重规定。否则,解码器无法正常工作。
承重
与云台的载重一样,为适应安装不同的摄像机及防护罩,云台的承重应是不同的。应根据选用的摄像机及防护罩的总重量来选用合适承重的云台。
工作电压
云台的工作电压主要有AC24V和AC22O 两种,使用时特别注意,否则解码器会烧毁。
响应速度
变速云台的水平旋转速度一般0°~32°/s,垂直旋转速度在0°~16°/s左右。在一些高速摄像系统中,云台的水平旋转速度高达480°/s以上,垂直旋转速度在120°/s以上。恒速云台的水平旋转速度一般在3°~10°/s,垂直速度为4°/s左右。
旋转角度
一般的云台可以进行上下90度、左右360度的旋转。智能云台无旋转角度限制。
主要用途
云台的应用范围很广,各种特殊行业也对云台产品有一定的需求。在其发明国苏联被广泛应用于摄影宣传片。除此之外,适用于不同的使用环境,云台产品具有多种针对性功能使用的专用云台,例如水下型、高温型、低温型、防腐型和防爆型等。这类具有针对性的专用云台在所用材料、防护等级、防护方法等方面要求严格,必须达到相应的行业特殊标准。
摄影宣传
云台可以用于广告、新闻和人像等的拍摄。因其性能,一般三维云台适合拍摄广告,可以准确地调整上、下、左、右的角度;球形云台可以快速调整和定位,适合一些新闻摄影和人像摄影。
无人驾驶
无人驾驶车系统可以操作回转云台,整摄像头方位,传输信号。
航空拍摄
无人机航拍云台是用于无人机上支撑相机的载荷平台,它主要利用增稳技术来抵消机身和外部因素引起的振动,稳定相机的拍摄姿势,实现稳定的拍摄效果。航拍云台主要分为固定航拍云台、三轴稳定补偿航拍云台和两轴/单轴稳定补偿式航拍云台。姿态稳定控制和传动是航空摄影云台的关键技术。
从广义上讲,航空摄影是指在天空中拍摄的所有照片和视频。曾于第二次世界大战期间,被用于在飞机上捕捉地面上的地形、军事信息和其他信息。2012年之前,大多数用于军事用途的固定翼无人机都使用固定翼摄像机,这些摄像机垂直朝向地面,没有运动补偿等稳定画面的装置。2012年前后,消费级无人机首次出现时,无人机常用的航拍平台也是固定式航拍平台,它将相机和飞机固定在一起,并在航拍过程中调整飞机的角度以调整视角。固定式航空摄像头可以降低成本、减轻重量、节省电力,从而缩短飞行时间,但航空照片的图像质量较差且无法改变视角。
监控摄像
水平方向和垂直方向均可手动调节的云台,常被用于商场、电梯、收费亭或公共汽车的车厢等公共场所,一般采用吸顶式安装。
多为一体化球形云台,也被称为球形摄像机,它将摄像机、电动变焦镜头解码器、万能字符发生器、CPU处理芯片、储存芯片等集成于一体,并且在外设有密封的球形防护罩。
云台安装类型
云台分为两种类型,一种为半固定式手动云台,这种云台是采用四个螺栓将云台底板固定在建筑物梁、屋架或自制的钢支架上,使云台保持水平,将云台固定好以后,旋松底板上面的三个螺母,可以调节摄像机的水平方位。这种手动云台的摄像机固定面板上有若干个固定孔,可以供多种摄像机及其防护罩使用。手动云台除了半固定式以外,还有悬挂式手动云台和横臂式手动云台。这两种云台的特点是将手动云台与悬吊支架、壁装支架制作成为一体化产品,安装简单,使用方便,适用于轻型监视用固体摄像机的安装。
另一种类型的半固定云台,它可以与各种壁装架和吊装架配套使用,也可以装在建筑物的梁或屋架上。这种云台调整灵活方便,只须紧固螺钉即行。
云台品牌
云台的知名品牌有瑞士的阿卡(ARCA,原来译成“雅佳”),韩国的脚印(Markins),中国的冈仁波齐峰等世界一流品牌。除此之外还有 ASRRSFLMSUNWAYFOTO、深圳捷信信驰咨询有限公司曼富图、富托克朗、温布利、竖力等品牌。
ARCA
阿卡(ARCA)最开始为仙娜做了SINAR-NOMRA(仙娜诺玛)的原型机也即仙娜第一代大画幅照相机的原型机。后来阿卡开始真正制作自己的大画幅照相机。经过三到四代机型的变革,发展成为现在的阿卡品牌。阿卡所有系列从基础型号到最高级型号都是三轴YAW-FREE设计(三轴不脱轨)脱离了只有高级型号机器才拥有三轴YAW-FREE设计(三轴不脱轨)的大画幅照相机制造的传统,它分为M和F两个系列。
Markins
韩国的Markins云台体积更小巧,稳定性、承重性也比较高。Q3是Markins最小的球台,它的自重为385g,承重则达到了30kg。球体操作顺滑,转动顺畅,容易控制。主旋钮橡胶设计为18%灰度,可作为灰卡使用。球体采用高难度阳极抛光处理,比不锈钢还要硬30%。快装板内置水平仪,并拥有专利弹簧保险钉,以防止机器意外滑落。
冈仁波齐
冈仁波齐精密制造的传动件,使得力矩传递额外细致清晰,能将半锁紧状态分细到能精确地定量控制的程度。NB1、NB2系列能达到113mm/360度,NB3 系列也达到94mm F/360 度。用户可以微细地调整球体锁紧摩擦力,使之刚好能平衡相机停留在任何位置的相机的重量。并且,还能通过阻尼位置记忆旋钮锁定已调好的位置以防止操作失误造成的危害。
捷信
捷信的球型云台,共两个系列:中央球台和侧向球台。其侧向球台最大的优点是随时随地都可以90°倒成直拍。
曼富图
曼富图的云台有很多种款式,基本款的云台是球型云台48x系列和三维云台141系列。曼富图141RC三维云台使用顺畅、快速方便,各轴分别由单独的锁柄控制,实现精确的构图。它除了具备141的基本功能外,还标配快装板和辅助安全锁,以确保使用的安全。
Kirk
美国的Kirk外形和Arca Swiss相似,但并不是类似的球体悬浮结构,也没有采用椭球设计,但它的快装系统同样使用“Arca-swiss type”快装板。
参考资料
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目录
概述
发展历程
产品概述
载重
控制方式
转动角度
齿轮间隙
扭矩
承载方式与安装方式
辅能
IP保护等级
可靠性
基本类型
通用型、特殊型云台
室内、室外型云台
防爆云台
侧装、吊装云台
轻载、中载、重载、防爆云台
普通形、球形、三维云台
水平、全方位云台
交流定速、直流变速云台
顶装、侧装云台
L形、U形云台
固定、电动云台
其他云台
全景云台
液压云台
齿轮云台
性能指标
载重
承重
工作电压
响应速度
旋转角度
主要用途
摄影宣传
无人驾驶
航空拍摄
监控摄像
云台安装类型
云台品牌
ARCA
Markins
冈仁波齐
捷信
曼富图
Kirk
参考资料