CA2306432A1 - System de guidage de camera - Google Patents

Abstract

Un système de guidage de caméras fait appel à un récepteur GNSS (Global Navigation Satellite System), à une unité de mesure inertielle, ainsi qu'à d'autres capteurs aidant à déterminer la position et l'assiette d'objets et en particulier des cibles à filmer.

Description

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.

Claims (10)

Revendications

1. Système de guidage de caméra, comprenant une pluralité d'objets pouvant être une ou plusieurs cibles, une ou plusieurs caméras supportées par une ou plusieurs plateformes, ainsi qu'une ou plusieurs stations-relais, ce système permettant d'acquérir des signaux vidéo d'au moins une desdites cibles, au moyen d'au moins une des dites caméras supportée par une desdites plateformes, ces signaux vidéo étant transmis par les stations-relais vers une station de réception, ces objets se déplaçant avec une certaine vitesse dans un espace à trois dimensions, et l'un au moins de ces objets étant équipé d'un récepteur GNSS et d'un IMU permettant le pointage automatique de la ou des caméras vers la ou les cibles grâce à des moyens de traitement d'informations en provenance des objets, caractérisé en ce que plusieurs mesures de position sont effectuées par l'ensemble constitué d'un GNSS et d'un IMU, ces mesures étant effectuées à des intervalles de temps et permettant de calculer d'une part la position de l'objet et d'autre part les angles d'Euler déterminant l'orientation et l'assiette de l'objet.

3. Système selon revendication 1, dans lequel l'intervalle de temps séparant deux mesures par le récepteur GNSS est adapté en fonction des erreurs de dérive de l'IMU
tels que constatées par le système de traitement d'informations.

3. Système selon revendications 1 ou 2, dans lequel la trajectoire de certains des objets est comprise dans des limites connues et stockées dans les moyens de traitement d'informations, permettant le calcul de position et d'assiette sans utiliser un récepteur GNSS.

4. Système selon revendication 3, caractérisé en ce que les cibles sont les concurrents d'une course automobile et en ce que son initialisation est rendu plus rapide par l'approvisionnement des moyens de traitement d'informations en indices complémentaires d'orientation.

5. Système selon revendication 4, caractérisé en ce que des capteurs de rotation de roues ou d'organes de direction des concurrents de la course automobile fournissent des données supplémentaires aux moyens de traitement d'informations.

6. Système selon revendication 1, 2 ou 3, dans lequel l'objet est équipé de moyens de mesure de pression barométrique ou altimétrique, permettant aux moyens de traitement d'informations de mieux calculer la position et l'assiette de l'objet.

7. Système selon revendications 1, 2, 3 ou 6, dans lequel l'objet est équipé
d'un magnétomètre capable de mesurer l'orientation du champ magnétique terrestre par rapport à l'objet, permettant aux moyens de traitement d'informations de mieux calculer la position et l'assiette de l'objet.

8. Système selon revendications 1 et 3, dans lequel les moyens de traitement d'informations ont des capacités d'analyse d'images, et dans lequel les cibles se déplacent dans un espace essentiellement plan tel que vu par une ou plusieurs caméras en position éloignée, permettant ainsi la détermination de la position et de l'assiette de cibles non coopérantes.

9. Système selon revendication 8, dans lequel les cibles sont tes concurrents d'une course automobile, et dans lequel au moins une caméra en position éloignée est embarquée dans un aéronef survolant la course et interagit avec au moins une autre caméra pour le repérage et le suivi de cibles non coopérantes.

10. Système selon revendication 1, dans lequel la position et l'attitude d'un objet sont calculés à l'aide de au moins six mesures de distances entre au moins trois points situés sur l'objet et au moins trois autres points ayant des positions connues, ces distances étant mesurées par des capteurs à déroulement de fil, et/ou des ultrasons, et/ou des signaux électromagnétiques.