CN100461834C

CN100461834C - 可旋转可变焦摄像机的控制装置

Info

Publication number: CN100461834C
Application number: CNB2005100734434A
Authority: CN
Inventors: 黑川弘国
Original assignee: University of Aizu
Current assignee: University of Aizu
Priority date: 2004-05-25
Filing date: 2005-05-24
Publication date: 2009-02-11
Anticipated expiration: 2025-05-24
Also published as: JP2005341060A; US7675542B2; US20050264655A1; CN1703078A; JP4593172B2

Abstract

本发明提供了一种伴随着摄像机方向的改变，能够迅速地得到所希望的拍摄范围的摄像机控制装置。其具备：存储器，其保存表示拍摄面的虚拟拍摄面坐标数据，该拍摄面包含作为摄像机的拍摄对象的多个被摄体；显示装置，其显示上述摄像机所拍摄的图像；以及指示装置，其在上述显示装置所显示的图像上指示上述摄像机应当朝向的方向。求出从摄像机开始在指示装置所指示的方向上延伸的直线与保存在存储器中的虚拟拍摄面相交的交点的坐标，计算摄像机和交点之间的距离。事先将包含作为拍摄对象的多个被摄体的虚拟拍摄面保存到存储器中，在改变摄像机的方向时，可以求出从摄像机开始延伸的直线与虚拟拍摄面相交的交点，计算摄像机和交点之间的距离。

Description

可旋转可变焦摄像机的控制装置

技术领域

本发明涉及遥控摄像机以及用在电视会议和实时远程讲义等场合的可旋转可变焦摄像机的控制技术。

背景技术

在专利文献1记载的监视装置中，遥控操作者用鼠标在显示器中的图像上指定放大范围后，系统会据此计算出摄像机镜头的所需视场角和方向，并通过控制装置操作摄像机。

在专利文献2记载的摄像机控制方法中，在图像显示器上同时显示摄像机送来的视频图像和从其中抽出的1张静止图像。可用鼠标在静止图像上指定其中1点作为摄像机的新拍摄中心点，来改变拍摄方向。另外，可用鼠标按动显示器画面上的水平/垂直方向按钮和变焦位置按钮，来操作摄像机。

【专利文献1】(日本)特开平7-274150

【专利文献2】(日本)特开2003-134382

在本发明以前的技术中，摄像机和每个拍摄对象之间的距离不同，所以，在改变拍摄方向(即切换拍摄对象)时，拍摄范围(即，摄像机所拍摄的场面的大小)要发生变化。为得到切换前的拍摄范围，必须调整变焦位置。另外，焦点调整要依靠操作者的目视或利用摄像机本身的测距功能来测距，并进行运算。

但是，上述方法在操作上要花费时间：将拍摄方向变到所定的拍摄对象后，还要再调整变焦位置才能得到所期待的拍摄范围。因此、需要有一种方法，使拍摄方向改变后能迅速得到所期待的拍摄范围。

发明内容

本发明的摄像机控制装置由下列部件和装置构成：

·存储器，用于保存虚拟拍摄面(该摄像机的拍摄对象空间的3维抽象信息)的数据；

·显示器，用于显示该摄像机所摄图像；

·指示器，用于在该显示器所示图像上指示该摄像机的拍摄方向；

·距离计算装置，先求出与该指示器所示拍摄方向平行且通过该摄像机位置的直线在虚拟拍摄面上的交点，然后得出该交点和该摄像机位置间的距离；以及

·变焦位置计算装置，根据由所述距离计算装置求得的所述距离，算出为得到预定的拍摄范围而需要的变焦位置，

所述变焦位置计算装置根据下面的式子，算出变焦位置：

z＝k_z*r+z₀

其中，k_z和z₀为常数，r为所述距离，z为所述变焦位置。

根据本发明的方法，事先作出包括全部拍摄对象的虚拟拍摄面，将其数据保存在存储器中。拍摄方向变更时，求出新方向下的通过摄像机位置的直线和虚拟拍摄面的交点，进而得出摄像机到该交点的距离。根据该距离的值，算出变焦位置调整量以保证拍摄范围不变。同时算出焦点调整量。

在本发明的1个方式中，摄像机控制装置还包含下列部件和装置：

·存储器，用于保存该摄像机的基本数据(拍摄对象空间中的摄像机位置3维坐标、非旋转状态时的拍摄方向、最大视场角及最小视场角)；

·拍摄角度计算装置，对于该方向指示器所指示的拍摄方向，利用该摄像机的现在拍摄角度、该存储器中的该基本数据，得出该摄像机的新拍摄角度。

另外，在本发明的1个方式中，拍摄角度计算装置具有横向拍摄角度变化量计算装置，该横向拍摄角度变化量计算装置：

·由现在的变焦位置值算出该显示器上的图像宽度所对应的该摄像机现在的横向视场角；

·由该图像宽度、该图像中心点到该指示器在该图像上所指示点的水平距离及前述视场角，得出该摄像机拍摄角度的横向变化量。

另外，在本发明的1个方式中，拍摄角度计算装置具有纵向拍摄角度变化量计算装置，该纵向拍摄角度变化量计算装置：

·由现在的变焦位置值算出该显示器上的图像高度所对应的该摄像机现在的纵向视场角；

·由该图像高度、该图像中心点到该指示器在该图像上所指示点的垂直距离及前述视场角，得出该摄像机拍摄角度的纵向变化量。

附图说明

图1是本发明的1个实施例中的摄像机控制装置的结构框图。

图2是虚拟拍摄面的一例。

图3是针对各种拍摄范围的显示器画面。

图4是视场角与变焦位置间的关系曲线。

图5是横向拍摄角度变化量计算用的概念图。

图6是纵向拍摄角度变化量计算用的概念图。

具体实施方式

这里用图来说明本发明的1个实施方式。图1为摄像机和摄像机控制装置的全体构成。比如，包含有摄像机11的摄像装置10设置在图2所示远程讲义用教室的前方上部，讲义播音室中的教师把教材投影在教室中的屏幕51上，一边讲课、一边通过摄像机11观察学生的反应。摄像机11设置在可旋转的云台上，该云台由控制器13驱动控制。另外，摄像机11内有可以遥控操作的变焦机构。该变焦机构亦由控制器13的控制信号操作。讲义播音室中设有摄像机控制装置20。在摄像机控制装置20的通信控制部21与摄像装置10的通信控制部15之间转送控制命令与图像数据。

摄像机控制装置20由计算机(通用个人电脑、工作站、小型计算机等)构成，控制计算由计算机内的程序来实现。计算机含有CPU、内存(RAM)、程序和数据保存用非易失性外部存储器、程序和数据输入用输入装置。

图1的摄像机控制装置20是该计算机所实现功能的功能模块图。摄像机11所摄的图像经过控制器13和通信控制部15被送向摄像机控制装置20的通信控制部21，由图像处理部23处理后显示在显示器25上。显示器25是计算机的显示装置，可以是CRT或液晶显示器。控制器13在向摄像机控制装置20发送图像数据时，将该图像的摄像数据(拍摄角度和变焦位置)一同送出。该数据作为摄像机的最新状态信息保存在存储器22中。

摄像机11的拍摄角度和变焦位置始终由摄像机控制装置20送给摄像装置10的控制信号来控制。

虚拟拍摄面

在本发明的1个实施方式中，比如在图2所示教室里，将每位就座学生的头部中心点53构成一个曲面(虚拟拍摄面)，将其数据事先保存在虚拟拍摄面存储器30中。图2中的虚拟拍摄面55是1个平面。如果教室是以讲台为中心的半圆形阶梯教室，则该虚拟拍摄面可为1个圆锥面的部分面。一般来说，虚拟拍摄面由1个或多个的2次解析曲面(平面、球面、圆柱面、圆锥面等)的部分面合成而成。

拍摄角度计算

显示器25连接有方向指示器27。方向指示器27的典型是鼠标。操作者在显示有摄像图像的显示器屏上点出摄像机11的新拍摄中心点后，摄像机方向变更的运算处理自动开始。下面详细解说该运算处理：

拍摄角度值计算部29根据方向指示器27的输入及摄像机状态存储器22中的摄像机11的现在拍摄角度值和变焦位置，计算出改变摄像机11拍摄方向所需要的拍摄角度横向变化量和纵向变化量。

首先，根据现在的变焦位置z，可由下式得出显示器上的图像宽度所对应的该摄像机现在的横向视场角：

a＝k_az+A_max (1)

这里：

k_a＝-(A_max-A_min)/Z_max

A_max：该摄像机的最大视场角

A_min：该摄像机的最小视场角

Z_max：该摄像机的最小视场角时的变焦位置(z的最大值)

参照图4，摄像机变焦位置最小时其视场角最大；变焦位置最大时其视场角最小。A_max、A_min和Z_max是摄像机的固有规格值，系统设定时由计算机输入装置(图中未示出)输入，保存到摄像机基本数据存储器28中。视场角a随变焦位置值的增加而减小。k_a是单位变焦位置值的视场角变化量。

下面参照图5说明拍摄方向变更用拍摄角度横向变化量的计算方法：

显示器25上图像的中心点是摄像机的现在拍摄方向。假设方向指示器27在该图像上指定了新拍摄中心点P。Ap为将拍摄中心点从现在变为P所需要的拍摄角度横向变化量。点O是为导出Ap计算式所设的假想点。

由点O到图像40左右两端的2条直线形成的角为横向视场角a。假设图像40的宽度为W、图像40的中心和点P间的水平距离为dw，由图5可得到下列式：

tan(a/2)＝W/2/R (2)

tan(Ap)＝dw/R (3)

由式(2)求得R，再将其代入式(3)，可得：

tan(Ap)＝(2dw/W)*tan(a/2) (4)

因此：

Ap＝tan^-1((2dw/W)*tan(a/2))

＝tan^-1(tan(a/2)*2dw/W) (5)

同样，参照图6，假设图像40高度为H、图像40的中心和点P间的垂直方向距离为dh，将拍摄中心点从现在变为P所需要的拍摄角度纵向变化量At可由下式得出：

tan((a*H/W)/2)＝H/2/R (6)

tan(At)＝dh/R (7)

a*H/W是由图像横向视场角a导出的图像纵向视场角。由式(6)求得R代入式(7)，可得：

tan(At)＝(2dh/H)*tan((a*H/W)/2) (8)

因此：

At＝tan^-1((2dh/H)*tan((a*H/W)/2))

＝tan^-1(tan(a*H/(2*W))*2dh/H) (9)

由拍摄角度值计算部29算出的Ap和At的值加上存储器22中的摄像机现在拍摄角度值后，分别送到方向控制部33和交点计算部31(见图1)。方向控制部33通过通信控制部21将其送到摄像装置10。

交点计算部31用直线与曲面的交点计算方法，求出在新拍摄方向上的摄像机与虚拟拍摄面的交点。具体方法如下：

虚拟拍摄面由1个或多个2次解析曲面构成。每个解析曲面都可由下面的一般式表现：

A*x²+B*y²+C*z²+D*xy+E*yz+F*zx+G*x+H*y+I*z+J＝0

其中，A，B，C，D，e，F，G，H，I，J为常数。

摄像机到该交点的直线可由下面式给出：

x＝a*t+x_c

y＝b*t+y_c

z＝c*t+z_c

a，b，c为直线方向常数，t(>＝0.0)为参数，点(x_c，y_c，z_c)为摄像机的位置坐标。将上记直线式代入上记解析曲面即得交点上的t值。将该t值代入上记直线式即得交点(x，y，z)的坐标值。

变焦位置计算

变焦位置计算部35从交点计算部31得到拍摄方向与虚拟拍摄面的交点后，算出摄像机到该交点的拍摄距离r。再利用r的值和下面的式，算出维持拍摄范围所需的变焦位置z：

z＝k_z*r+z₀

k_z和z₀为常数。k_z和z₀可用后述图3中A的用户界面和下面的方法推定：

(1)使摄像机指向一个拍摄对象，滑动变焦滑块45得到所期待的拍摄范围后，利用键盘或鼠标操作，将此时的变焦位置值z1(该值经由通信控制装置15和21送来，保存在摄像机状态存储器22中)和拍摄距离r1暂存。

(2)使摄像机指向另一个和前述对象有着不同的拍摄距离的拍摄对象，滑动变焦滑块45得到和前述有着同样的拍摄范围后，利用键盘或鼠标操作，将此时的变焦位置值z2(该值经由通信控制装置15和21送来，保存在摄像机状态存储器22中)和拍摄距离r2暂存。

(3)将两次保存得到的数据代入上式，可得到以下结果：

z1＝k_z*r1+z₀

z2＝k_z*r2+z₀

从此2式即可得到k_z和z₀。k_z和z₀的推定处理只需一次。处理中使用的两个拍摄对象间的拍摄距离差越大，k_z和z₀的精度越高。

拍摄范围切换

图3中的A是显示器25上的画面。来自摄像机的远程讲义教室图像显示在图像画面40中。用户可以移动鼠标41，单击图像画面40上的任意一点，系统即用前述方法计算并改变摄像机的拍摄角度，使该点的图像处于整个图像的中心。本实施例中显示器25的画面上有“个人”、“小组”和“最大范围”3个按钮43。亦可使用键盘上的功能键来代替按钮43。

按下“个人”按钮后，系统即用前述方法计算并改变摄像机的变焦位置，使拍摄范围恰好是1个人的半身(如图3的B所示)。同样，按下“小组”按钮，使拍摄范围为2至3人(如图3的C所示)；按下“最大范围”按钮，使拍摄范围为摄像机的最大广角范围(如图3的D所示)。

以上说明了本发明的具体实施例。但本发明决不应被限定于这种实施例。

另外，以上对使用1台摄像机的情况作了说明，但决不限于此。本发明可用在多个摄像机同时使用的场合。此时虚拟拍摄面可以被多个摄像机共有。摄像机连动控制是虚拟拍摄面共有的1个例子。此时只对其中1台摄像机(操作摄像机)实施操作，即可使其它摄像机(连动摄像机)自动指向操作摄像机所要摄像的对象。其动作原理是：使连动摄像机都指向操作摄像机的拍摄方向和虚拟拍摄面的交点。此时各摄像机独自用变焦位置计算装置来维持各自的拍摄范围。因此用本方法一次操作即可从不同方向用不同的拍摄范围(即放大率)拍摄同一拍摄对象。

另外，以上对用指示器在显示器上指示拍摄方向的情况作了说明，但决不限于此。本发明可用在自动跟踪式摄像机的控制上。在自动跟踪过程中，摄像机可以根据现在的拍摄方向，用上述变焦位置计算装置来维持拍摄范围。

Claims

1.一种由下列部件和装置构成的可旋转可变焦摄像机控制装置：

存储器，用于保存虚拟拍摄面的数据，其中该虚拟拍摄面是该摄像机的拍摄对象空间的3维抽象信息；

显示器，用于显示该摄像机所摄图像；

指示器，用于在该显示器所示图像上指示该摄像机的拍摄方向；

距离计算装置，其先求出与该指示器所示拍摄方向平行且通过该摄像机位置的直线在虚拟拍摄面上的交点，然后得出该交点和该摄像机位置间的距离；以及

变焦位置计算装置，其根据由所述距离计算装置求得的所述距离，算出为得到预定的拍摄范围而需要的变焦位置，

所述变焦位置计算装置根据下面的式子，算出变焦位置：

z＝k_z*r+z₀

其中，k_z和z₀为常数，r为所述距离，z为所述变焦位置。

2.如权利要求1所述的摄像机控制装置，还包括下列部件和装置：

存储器，用于保存该摄像机的基本数据，其中所述基本数据包括拍摄对象空间中的摄像机位置3维坐标、非旋转状态时的拍摄方向、最大视场角及最小视场角；

拍摄角度计算装置，对于该方向指示器所指示的拍摄方向，利用该摄像机的现在拍摄角度、该存储器中的该基本数据，得出该摄像机的新拍摄角度。

3.如权利要求2所述的摄像机控制装置，其中

在所述拍摄角度计算装置中，具有横向拍摄角度变化量计算装置，该横向拍摄角度变化量计算装置：

由从摄像机发送的现在的变焦位置值算出该显示器上的图像宽度所对应的该摄像机现在横向视场角，并且

由该图像宽度、该图像中心点到该指示器在该图像上所指示点的水平距离及前述视场角，得出该摄像机拍摄角度的横向变化量。

4.如权利要求3所述的摄像机控制装置，其中

在所述拍摄角度计算装置中，具有纵向拍摄角度变化量计算装置，该纵向拍摄角度变化量计算装置：

由现在的变焦位置值算出该显示器上的图像高度所对应的该摄像机现在纵向视场角，并且

由该图像高度、该图像中心点到该指示器在该图像上所指示点的垂直距离及前述视场角，得出该摄像机拍摄角度的纵向变化量。

5.如权利要求1所述的摄像机控制装置，其中，所述虚拟拍摄面由1个或多个解析曲面的部分面合成而成。