Svstéme de <,uida'_e de caméra.
La présente invention concerne un svstéme de ~~uida!;e de caméra tel que décrit dans le preambule de la revendication 1 I1 est connu des svstémes de yuida~~e de cameras tel que le svsteme décrit dans la demande PCT/IB9.~/00-I31, du mème déposant. dans laquelle une lorme panieuliére W
realisation fait appel à des systèmes GPS (Global l'ositioninV~ Svstemsl dans le but d~aequérir les données de position d'une c:ibl~. jette cible étant vise par une caméra montée sur une plateforme. exprimees dans un svstéme de coordonnees lié a cette plateforme.
L~usaue a montré que dans certains cas. une pluralité de récepteurs GPS, uu plus «énéralement de systèmes GNSS (Global Navi~,ation Satellite Svstem), ces svstémes incluant les GPS classiques et d'autres svstème~ de type GPS. pouvait présenter des inconvénients liés à une certaine lourdeur. En etiet. lorsque l'assiette d'un objet est déterminée par un ensemble de par exemple trois récepteurs GNSS situés sur cet objet.
le traitement des données émises par ces récepteurs G\SS nécessite une brande puissance de calcul. en mème temps que la conü~;uration à trois récepteurs G~'SS par objet confère au svstéme une ri~_idité défavorable. La demande précitée décrit Sommairement l'utilisation complémentaire de svstémes de navigation inertielle.
constitués par exemple d'unités de mesure inertielle uu I1U ( Ineniai Measurement L~nitl constitués chacune de trois accéléromètres et de trois ~=vroscopes. ces derniers mesurant les vitesses an!~ulaires. qui complémentent l'action des récepteurs GNSS.
notamment dans le cas uù de mauvai,es mnditiuns de réception afTectent nés=ativement et pour une courte duree la réception des signaux GNSS
II a cté découvert qu~une utilisation judicieuse de ces unites de mesure inertielle_ abréviées ci-après l~lUs, pouvait contribuer à simplifier le fonctionnement du svstéme de ~~uida~e de cameras dans les cas où les objets. c-a-d la uu les cibles. la ou les plateformes. ou la ou les stations-relais. se déplacent avec une certaine vitesse dans l'espace à trois dimensions. .-ainsi le probléme evoque plus haut est resolu par les moyens décrits dans la partie caractérisante de ia revendication I
L'assiette d'une cible, d'une caméra, plateforme ou station-relais, appelé
plus généralement objet. équipé de seulement un récepteur GNSS et un IMU peut être déterminée à condition que cet objet se déplace avec une vitesse suffisante sur un trajet quelconque de l'espace tridimensionnel. La vitesse doit simplement ètre suffisante pour perlrtettre un bon fonctionnement de l'IMU. mais n'a pas besoin d'ëtre prédéfinie, pas plus que la trajectoire de l'objet. Un tel système est fonctionnellement comparable à un svstéme de détermination d'assiette comprenant plusieurs récepteurs GNSS, mais le mème récepteur est ici utilisé pour mesurer plusieurs positions différentes dans l'espace tridimensionnel. Alors que les mesures de position par ce récepteur sont faites à des intervalles de temps, l'IMU est utilisé pour mesurer avec précision l'évolution relative de la position de l'objet entre les mesures de position par ce récepteur GNSS.
Ceci permet le calcul de l'orientation du repère de coordonnées (ié à l'objet par rapport au repère de coordonnées GNSS lié au sol, c'est-à-dire la détermination des angles d'Euler du repère de coordonnées lié à l'objet mobile par rapport au repère de coordonnées üé au sol, autrement dit de l'assiette précise de l'objet.
Les mesures de l'IMU sont entachées d'erreurs dites erreurs de dérive, mais ces erreurs peuvent être facilement corrigées en adaptant la durée des intervalles séparant deux mesures GNSS à la précision requise. Ces mesures GNSS, plus précises, permettent de maitriser ces erreurs de dérive à la fin de chaque intervalle.
Dans une forme particulière de réalisation de l'invemion. la trajectoire des objets ou véhicules n'est pas quelconque. mais est inscrite dans des limites connues et répertoriées, comme par exemple la piste d'un circuit automobile de compétition. Dans un tel cas, les limites de la piste et sa topographie tridimensionnelle, comprenant par exemple des variations d'altitude. des franchissements de cois, ponts, et plus spécialement tunnels. peuvent étre pré-enregistrées par les moyens de traitement d'informations. Dés lors, la position et l'assiette d'un véhicule ou objet équipé
simplement d'une IMU, et se déplaçant dans de telles limites connues et pré-enre~: istrées, peuvent être déterminées par corrélation des accélérations tridimensionnelles et des rotations enregistrées par l'IMU. Ce processus de corrélation dispose par ailleurs de suffisamment d'informations pour étalement calculer les erreurs de dérive des accéléromètres de l'IMU et de ses gyroscopes. Il est simplement r ~
nécessaire, pour obtenir des résultats vraiment précis, que le véhicule ou objet s'approche de temps à autre des limites de trajectoire, comme le bord de la piste dans lé cas précité. Plus précisément. lorsque le véhicule ou objet frôle le bord de la piste, les secousses provoquées par le changement de revètement sont immédiatement décelées par i'IMU et utilisées par les moyens de traitement d'informations pour ratraichir le repérage de la limite de piste. C'est ainsi qu'une configuration constituée par seulement une IMU par véhicule ou objet. sans récepteur GNSS, peut être suffisante dans un tel cas uù le parcours est connu et répertorié. Toujours dans ie cas d'une course automobile, on sait que la perfbrmance des systèmes GNSS se dérade lorsque le parcours des véhicules comprend des tunnels, ou plus généralement des parties se prètant à des réverbérations de signaux. ou présentant des caractéristiques de ~'multipath". C'est le cas avec des bàtiments de ~rande hauteur ou des ponts Les données transmises par l'IMU sont alors essentielles pour le repérage continu de l'objet par les moyens de traitement de l'information.
Dans une forme particulière de réalisation de l'invention, s'appliquant au cas précédent où la trajectoire des objets ou véhicules est inscrite dans des limites connues, l'initialisation du système peut ètre facilitée et rendue plus rapide si tes moyens de traitement de l'information est approvisionnée en indices complémentaires r d'orientation, par exemple par des signaux émis par une cellule photo-électrique disposée sur la trajectoire. L'emplacement de la cellule est enregistrée dans les mémoires des moyens de traitement de l'information, et les signaux , émis par la cellule chaque fois qu'un véhicule ou objet donné passe devant cette cellule, permettent alors au systéme de suivre avec certitude l'évolution de la position du véhicule ou objet.
Dans une forme particulière de réalisation de l'invention, s'appliquant particulièrement aux cas où les objets doivent pouvoir évoluer à basse vitesse ou mème s'arrèter sans compromettre l'efficacité du systéme, des capteurs de rotation de roue ou d'organes de direction sont disposés sur tes objets pour fournir aux moyens de traitement de l'information des données supplémentaires. Par contre, lors d'évolutions à
brande vitesse ces capteurs sont désactivés. ou leur données sont ignorées, parce que les dérapages fréquents des roues introduisent des erreurs aléatoires et donc dif~tciles à
corriger Dans une forme particulière de réalisation de l'invention. s'appliquant en particulier au fonctionnement en milieu confine comme les sports ou compétitions de salle, les satellites GNSS peuvent ètre remplacés par des pseudo-satellites, communément appelés depuis peu ''pseudolites", qui sont montés à proximité immédiate du plafond de la salle. Ces pseudolites ont des fonctionnalisés comparables aux satellites GNSS et peuvent ei~icacement fournir aux plateformes et caméras les données nécessaires à la prise de vue sur les cibles, par l'intermédiaire des moyens de traitement d'informations Dans une forme particulière de réalisation de l'invention, les cameras sont au moins au nombre de deux, et les moyens de traitement d'informations ont Ia capacité
d'analyser les images tümées. Cette capacité permet au système de fonctionner en s'atFranchissant de la nécessité, pour les objets, de fournir constamment des données pour le calcul de leur position et assiette par les moyens de traitement d'informations.
En particulier et à titre d'exemple, lorsque les cibles se déplacent sur un trajet compris essentiellement dans un plan, c'est-à-dire sur deux dimensions et non plus trois, l'une des caméras peut ètre positionnée assez loin de ce plan. Les moyens de traitement d'informations analysent les images filmées par cette caméra. dont la position est connue par les moyens de traitement d'informations. Il est alors possible de reconnaitre une ou plusieurs cibles par analyse d'images et entreprendre une estimation de leur position dans le plan considéré, mème si ces cibles n'émettent pas directement d'informations sur leur position ou leur déplacement. Cette estimation peut être affinée de façon similaire par une ou plusieurs autres caméras, plus proches des cibles, dont la position est également connue par les moyens de traitement d'informations. On peut ~râce à de telles capacités d'analyse d'image faire fonctionner le système même avec des cibles non coopérantes. c'est-à-dire ne révélant pas directement leur position.
On va maintenant expliquer de façon plus détaillée le fonctionnement particulier des pseudoütes GNSS dans une manifestation ou évènement sportif en salle. Des sources de signaux électromagnétiques sont disposés sur les pseudofites, eux-même fixés à
proximité immédiate du plafond de la salle, par exemple à ia manière de plafonniers.
Lors de mesures d'assiette et de position par pseudolites GNSS, la distance séparant ces diverses sources de signaux électromagnétiques de récepteurs, ou points de a T I
réception, ou transmetteurs de ces signaux est mesurée et sert de hase aux calculs des moyens de traitement de l'information, visant à déterminer la position de ces récepteurs ou points de réception.
La vitesse des signaux concernés est proche de la vitesse de la lumiére. et la distance parcourue par un signal est évaluée à l'aide du temps mis par ce signal pour parcourir la distance de la source ou d'un transmetteur à un récepteur ou point de réception.
En pratique. on s'assure d'une certaine redondance dans les mesures. Ceci permet d'améliorer la précision des mesures par des calculs de moyennes, et éventuellement d'éliminer les mesures erronnées par des tests de plausibilité connus en soi Dans certains cas, notamment pour des applications en salle impliquant des distances courtes entre les sources. transmetteurs et récepteurs, on peut utiliser d'autres technologies que les ondes électromagnétiques pour mesurer les distances. Les ultrasons peuvent constituer une première alternative. Une autre possibilité
est d'utiliser des capteurs à déroulement de til, tels que décrits par exemple dans la demande de brevet suisse n° 19 9 6 25 3 8 /9 6 du mème déposant, déposée le 17 octobre 1996. Un tel capteur à déroulement de til est constitué d'un tambour, d'un 6l mince enroulé sur ce tambour, dont l'axe de rotation est muni d'un ressort de rappel et relié à un capteur d'angle. Au fur et à mesure que le til est tiré par l'objet dont on veut mesurer le déplacement, le tambour tourne d'un certain angle, angle qui est mesuré par le capteur et fournit une mesure du déplacement. Lorsque la force qui éloignait l'objet diminue. le ressort de rappel maintient le fil tendu. De tels capteurs à
déroulement de fil présentent des caractéristiques de précision remarquables et tout-à-fait satisfaisantes pour les besoins de Ia présente invention. Un exemple en est donné
dans ia brochure PT-OOl-B de la Société Space ,4ge Control, 38850 ?Oth Street East, Palmdale. Californie.
Le fonctionnement du système va maintenant ëtre décrit par référence au dessin ci-annexé, dans lequelr la figure 1 représente une cible filmée par une caméra sur sa plateforme et - la figure ? représente une forme de réalisation avec au moins deux caméras et des cibles non coopérantes.
Le systéme représenté à ia figure 1 comprend une cible S, équipée d'un récepteur GNSS, filmée par un ensemble constitué d'une caméra et d'une plateforme 7. Cet ensemble comprenant la plateforme 7 se déplace sur une trajectoire tri-dimensionnelle 1. La plateforme 7 est équipée d'un récepteur G~JSS et d'un IMU (non représentés) Pendant son mouvement, au moins trois positions 3, -l et 5 sur fa trajectoire sont mesurées par rapport au repère '' de coordonnées GNSS.
Simultanément avec ces mesures de positions par GNSS, l'1MU enregistre lui aussi les accélérations subies par la plateforme, et mesure lui aussi la position des points 3, -~ et par rapport au repère inertiel 6.
Les moyens de traitement d'intbrmations utilisent ces mesures de position (qui doivent ëtre au nombre de six au minimum) pour calculer la position et l'assiette précises de la plateforme 7, c'est-à-dire ses angles d'Eider par rapport au repère fixe 2. La position de la cible 8 est déterminée par son récepteur GNSS.
Les moyens de traitement d'informations déduisent alors de la position de la cible 8, ainsi que de la position et assiette de la platefotirte 7, des angles de pointage de la caméra par rapport à la plateforme, ainsi que les données de zoom de cette caméra, pour garder en tout temps la cible 8 dans le champ de fa caméra avec la mise au point voulue.
La figure ? représente le cas concret d'une course automobile filmée par au moins deux caméras. L'une de ces caméras est embarquée dans un avion 9 survolant le circuit de course. qui dans le cas présent ne comprend pas de tunnels. Les moyens de traitement d'informations (non représentés) comprennent des capacités d'analyse des images filmées par cette caméra et effectuent une estimation de la position des cibles et 11, qui sont deux concurrents de la course. Ils fournissent à la seconde caméra I Z des éléments de vidage vers la cible la plus appropriée, par exemple 10, mais qui peut ètre choisie selon des critères connus en soi par exemple de la demande PCT/IB94/00431. La seconde caméra 12 fournit elle aussi des images susceptibles de Uraitement par les capacités d'anavse précitées, ce qui permet d'affiner le repérage de position de la cible choisie 10, et de permettre un cadrage satisfaisant de cette caméra.
Les prises de vues effectuées sont commercialement exploitables, particulièrement lorsque la caméra est située à un emplacement considéré comme trop dangereux pour risquer la vie d'un caméraman. comme par exemple à proximité immédiate de la piste On conçoit que les deux caméras, grâce aux capacités d'analyse d'images associées a ces caméras. s'entraident dans le suivi de la cible choisie 10 supposée non coopérante. Camera system, uida'_e.
The present invention relates to a camera system ~~ uida! E
described in the preamble of claim 1 It is known to yuida's systems of cameras such as the described system.
in the PCT / IB9. ~ / 00-I31 request from the same applicant. in which a lorme panieuliére W
realization uses GPS systems (Global positioning V ~ Svstemsl in the goal to equalize the position data of a c: ibl ~. throws target being targeted by a camera mounted on a platform. expressed in a system of coordinates linked to this platform.
The USA has shown that in some cases. a plurality of GPS receivers, uu more "Generally GNSS (Global Navi ~, ation Satellite Svstem) systems, these svstemes including conventional GPS and other GPS-type systems. could present disadvantages linked to a certain heaviness. In etiet. when the plate of a object is determined by a set of for example three GNSS receivers located on this object.
the processing of the data transmitted by these G \ SS receivers requires a brande computing power. at the same time as the conü ~; uration to three receivers G ~ 'SS by object gives the svstéme an unfavorable ri ~ _idity. The above application describes Briefly the complementary use of navigation systems inertial.
consisting for example of inertial measurement units uu I1U (Ineniai Measurement The nitl each consisting of three accelerometers and three ~ = vroscopes. these last measuring the annual velocities! which complement the action of receptors GNSS.
especially in the case of bad, the reception methods affect born = atively and for a short time the reception of GNSS signals It has been found that judicious use of these measurement units inertial_ abbreviated below the US, could help simplify the operation of the svstéme ~~ uida ~ e cameras in cases where objects. ie uu the targets. the where the platforms. or the relay station (s). move with some speed in three-dimensional space. .-thus the problem evoked above is solved by the means described in the characterizing part of claim I
The base of a target, camera, platform or relay station, called more generally object. equipped with only a GNSS receiver and an IMU can be determined provided that this object moves with sufficient speed on a journey any of the three-dimensional space. The speed just has to be sufficient for to allow the IMU to function properly. but doesn't need to be predefined, not more than the object's trajectory. Such a system is functionally comparable to a attitude determination system including multiple GNSS receivers, but the same receiver is used here to measure several different positions in three-dimensional space. While position measurements by this receiver are made at time intervals the IMU is used to measure accurately evolution relative position of the object between position measurements by this GNSS receiver.
This allows the calculation of the orientation of the coordinate system (linked to the object compared GNSS coordinate coordinate system linked to the ground, i.e. the determination of angles Euler of the coordinate system linked to the moving object with respect to the system coordinates üé on the ground, in other words the precise base of the object.
IMU measurements are subject to errors known as drift errors, but these errors can be easily corrected by adjusting the duration of the intervals separating two GNSS measurements to the required accuracy. These more precise GNSS measurements allow to control these drift errors at the end of each interval.
In a particular embodiment of the invemion. the trajectory of objects or vehicles is not just any. but is registered within known limits and listed, for example the track of a racing circuit competition. In such a case, the limits of the runway and its three-dimensional topography, including by example of altitude variations. crossings of cois, bridges, and more specially tunnels. can be pre-recorded by means of treatment of information. From then on, the position and attitude of a vehicle or object team simply from an IMU, and moving within such known and pre-enre ~: istrées, can be determined by correlation of accelerations three-dimensional and rotations recorded by the IMU. This process of correlation also has enough information to spread out calculate mistakes of the IMU accelerometers and its gyroscopes. It is simply r ~
necessary, to get really accurate results, whether the vehicle or object occasionally approaches the trajectory limits, such as the edge of the track in the aforementioned case. More precisely. when the vehicle or object comes close to the edge of the track, the shaking caused by the change of coating is immediately detected by the IMU and used by the information processing means for reduce the location of the runway limit. This is how a configuration incorporated by only one IMU per vehicle or object. without GNSS receiver, can be sufficient in such a case where the route is known and listed. Always in this case of a car race, we know that the perfbrmance of GNSS systems is downgrade when the vehicle route includes tunnels, or more generally of parts which lend themselves to signal reverberations. or presenting characteristics of ~ 'multipath ". This is the case with tall buildings or bridges The data transmitted by the IMU is then essential for continuous tracking of the object by the means of information processing.
In a particular embodiment of the invention, applying to the case previous where the trajectory of objects or vehicles is within limits known, system initialization can be made easier and faster if your means of information processing is supplied with additional indices r orientation, for example by signals emitted by a photocell electric arranged on the trajectory. The cell location is saved in the memories of the information processing means, and the signals, emitted by the cell every time a given vehicle or object passes by this cell, then allow the system to follow with certainty the evolution of the position of the vehicle or object.
In a particular embodiment of the invention, applying particularly in cases where objects must be able to move at low speed or even stop without compromise the efficiency of the system, wheel rotation sensors or organs are arranged on your objects to provide the means for Treatment of information of additional data. However, during changes to brande speed these sensors are disabled. or their data is ignored, because the frequent skidding of the wheels introduces random errors and therefore dif ~ tciles to correct In a particular embodiment of the invention. applying in particular to operating in a confined environment such as sports or indoor competitions, the GNSS satellites can be replaced by pseudo-satellites, commonly recently called "pseudolites", which are mounted in the immediate vicinity of the ceiling of the room. These pseudolites have functionalities comparable to GNSS satellites and can effectively provide data and platforms to platforms and cameras necessary for the shooting on targets, through processing means of information In a particular embodiment of the invention, the cameras are at at least at number of two, and the information processing means have the capacity to analyze the tümed images. This capability allows the system to operate in overcoming the need for objects to constantly provide data for the calculation of their position and attitude by the processing means of information.
In particular and by way of example, when the targets move on a path included essentially in a plane, that is to say on two dimensions and no longer three, one cameras can be positioned far enough from this plane. The means of treatment of information analyze the images filmed by this camera. whose position East known by the information processing means. It is then possible to recognize one or more targets by image analysis and undertake an estimation of their position in the considered plane, even if these targets do not emit directly information about their position or movement. This estimate can to be refined similarly by one or more other cameras, closer to targets, including position is also known by the information processing means. We can ~ thanks to such image analysis capabilities make the system work even with non-cooperating targets. i.e. not directly revealing their position.
We will now explain in more detail the operation particular of GNSS pseudoütes in an indoor sports event or demonstration. Of sources electromagnetic signals are arranged on the pseudofites, themselves set to close proximity to the ceiling of the room, for example in the manner of ceiling lights.
When measuring attitude and position using GNSS pseudolites, the distance separating these various sources of electromagnetic signals from receivers, or points of at TI
reception, or transmitters of these signals is measured and used to hase the calculations of information processing means, aimed at determining the position of these receivers or reception points.
The speed of the signals concerned is close to the speed of light. and the distance traversed by a signal is evaluated using the time taken by this signal to Browse the distance from the source or transmitter to a receiver or point of reception.
In practice. we ensure a certain redundancy in the measurements. This allows to improve the accuracy of the measurements by means of averaging, and eventually to eliminate erroneous measurements by plausibility tests known per se In some cases, especially for indoor applications involving distances short between sources. transmitters and receivers we can use others technologies that electromagnetic waves to measure distances. The ultrasound may be a first alternative. Another possibility East to use unwinding sensors, as described for example in the Swiss patent application n ° 19 9 6 25 3 8/9 6 of the same applicant, filed on October 17, 1996. Such a scrolling sensor consists of a drum of a 6l thin wound on this drum, the axis of rotation of which is provided with a spring reminder and connected to an angle sensor. As the til is drawn by the object of which wants to measure the displacement, the drum turns by a certain angle, angle which East measured by the sensor and provides a measure of displacement. When the force who moved the object away. the return spring keeps the wire taut. Of such sensors to wire unwinding has remarkable precision characteristics and all-in made satisfactory for the needs of the present invention. An example in given in the PT-OOl-B brochure from Space Company, 4ge Control, 38850? Oth Street East, Palmdale. California.
The operation of the system will now be described with reference to the drawing.
this-annexed, in which FIG. 1 represents a target filmed by a camera on its platform and - the figure ? shows an embodiment with at least two cameras and non-cooperating targets.
The system represented in FIG. 1 comprises a target S, equipped with a receiver GNSS, filmed by a set consisting of a camera and a platform 7. This assembly comprising the platform 7 moves on a three-dimensional 1. Platform 7 is equipped with a G ~ JSS receiver and an IMU (not represented) During its movement, at least three positions 3, -l and 5 on the path are measured relative to the GNSS coordinate system ''.
Simultaneously with these position measurements by GNSS, the 1MU records also the accelerations undergone by the platform, and also measures the position of points 3, - ~ and with respect to the inertial frame 6.
The integration processing means use these position measurements (which have to be at least six in number) to calculate the position and the attitude precise of the platform 7, that is to say its Eider angles with respect to the fixed reference 2. The position of target 8 is determined by its GNSS receiver.
The information processing means then deduce from the position of the target 8, as well as the position and attitude of the platform 7, angles of pointing the camera relative to the platform, as well as the zoom data from this camera, to keep the target 8 in the field of the camera at all times with the setting on point wanted.
The figure ? represents the concrete case of a car race filmed by at less two cameras. One of these cameras is on board an airplane 9 flying over the circuit race. which in this case does not include tunnels. The means of information processing (not shown) include capabilities analysis images filmed by this camera and estimate the position targets and 11, who are two competitors in the race. They provide the second camera IZ of dump elements to the most suitable target, for example 10, but who can be chosen according to criteria known per se for example from the request PCT / IB94 / 00431. The second camera 12 also provides images likely to Processing by the abovementioned anavse capacities, which allows to refine the location of position of the chosen target 10, and to allow a satisfactory framing of this camera.
The shots taken are commercially exploitable, particularly when the camera is located in a location considered too dangerous for risking the life of a cameraman. as for example in the immediate vicinity of the track We can see that the two cameras, thanks to the image analysis capabilities associated with these cameras. help each other in monitoring the chosen target 10 assumed not cooperating.