CN1276062A - 摄像机引导系统 - Google Patents

Abstract

一个用于引导诸摄像机的系统要求一台GNSS(全球卫星导航系统)接收机,一个惯性测量装置,以及诸其它的帮助确定诸实体特别是要拍摄的诸目标的位置和姿态的传感器。

Description

摄像机引导系统

本发明涉及一种如在权利要求1的开头部分中描述的摄像机引导系统。

我们已经从同一位申请人的专利申请书中知道了用于引导诸摄像机的系统，如专利申请书PCT/IB94/00431中描述的那种系统，在该专利申请书中一个特殊的实施例需要GPS(全球定位系统)系统，以便获得一个目标的位置数据，一台装架在一个平台上的摄像机瞄准这个目标，并将这些数据表示在一个与这个平台连在一起的坐标系中。

使用已经表明在某些情形中多个GPS接收机，或更一般地诸GNSS(全球卫星导航系统)系统，这些系统包括诸常规的GPS和诸其它的GPS型系统，可能有与某种麻烦相关联的诸缺点。于是，当例如，由三个一组位于一个实体上的GNSS接收机确定这个实体的姿态时，处理由这些GNSS接收机发射的数据需求很高的计算能力，与此同时每个实体有三个GNSS接收机的结构对系统提出了不适当的稳定性要求。上述的专利申请书对诸惯性导航系统的辅助使用作了总结，这些惯性导航系统由例如诸惯性测量装置(IMU)组成，每个IMU又由三个加速测量仪和三个陀螺仪组成，这些陀螺仪测量诸角速度，它们对诸GNSS接收机的工作起到补充作用，特别是在诸很差的接收条件在一个短时间内对诸GNSS信号的接收产生消极影响的情形中是如此。

我们已经发现这些以后简称为诸IMU的惯性测量装置的明智的使用能够有助于在诸实体，即目标或诸目标，平台或诸平台，或者中继站或中继站正以某个速度在三维空间中移动的诸情形中，简化用于引导诸摄像机的系统的工作。于是，可用在权利要求1指出专利特征的部分中描述的方法解决上面提到的问题。

我们能够确定仅装备一台GNSS接收机和一个IMU的，更一般地称为一个实体的一个目标，一个摄像机，平台或中继站的姿态，如果这个实体正以足够的速度在三维空间中的任意路径上移动的话。速度仅仅必须大到足以允许IMU能够适当地工作即可，而且与实体的轨道一样不需要预先规定。这样一个系统在功能上可与一个用于确定姿态的包含若干个GNSS接收机的系统相比较，但是在这里我们用同一台接收机测量在三维空间中的若干个不同的位置。虽然由这台接收机进行的诸位置测量是在诸时间间隔中实施的，但是我们用IMU来精确地测量在由这台GNSS接收机作出的诸位置测量之间实体位置中的相对变化。这允许计算出与实体连在一起的坐标系相对于与地连在一起的GNSS坐标系的定向。这就是说确定与正在移动的实体连在一起的坐标系相对于与地连在一起的坐标系的诸欧拉角，以另一种方式说明了实体的精确的姿态。

IMU的诸测量受到误差即所谓的漂移误差的损害，但是通过调整分开两个GNSS测量的诸间隔的持续时间到所要的精度，可以容易地校正这些误差。这些更精确的GNSS测量使得在每个间隔的终端控制这些漂移误差成为可能。

在本发明的一个特定的实施例中，诸实体或诸运载工具的轨道不是任意的，而是被限定在已知的和编成目录的边界内，就像例如一个汽车竞赛环路的轨迹那样。在这样一个情形中，可以由信息处理装置将轨迹的诸边界和它的三维地形，包括例如高度的诸变化，诸小山，诸桥梁，和更特殊地诸隧道的穿过预先记录下来。因此，可以通过对由IMU记录的诸三维加速度和诸转动进行校正来确定仅装备一个IMU并在这些已知的和预先记录的边界内移动的一个运载工具或实体的位置和姿态。而且，这种校正过程也有足够的信息去计算IMU的诸加速测量仪和它的诸陀螺仪的诸漂移误差。为了得到真正的精确的结果，仅仅需要运载工具或实体偶尔接近诸轨道边界，如在上述情形中的轨迹的边缘。更精确地说，当运载工具或实体擦过轨迹的边缘时，由表面擦碰的变化引起的诸振动立即由IMU识别出来并由信息处理装置将它们用于更新轨迹边界的准确定位。于是，在这样一种当路线是已知的并被编成目录时的情形中，一个由每个运载工具或实体仅有一个IMU而没有GNSS接收机组成的结构可能是足够了。然而，我们知道在一场汽车竞赛的情形中，当诸运载工具的路线包含诸隧道，或更一般地包含适合于诸信号混响或显示出诸“多路径”特性的诸部分时，诸GNSS系统的性能会降低。有诸非常高的建筑物或诸桥梁时的情形就是如此。于是由IMU发射的数据对于由信息处理装置进行实体的连续的准确定位是极其重要的。

在本发明的一个特定的实施例中，我们将本发明应用到上面的诸实体或诸运载工具的轨道被限定在诸已知的边界内的情形，如果例如由一个安排在轨道上的光电管发射的诸信号将诸定向的补充指数提供给信息处理装置，则我们能够较容易地做到并较快地实施系统的初始化。在信息处理装置的诸存储器中记录下光电管的位置，于是，无论何时一个给定的运载工具或实体在这个光电管前面经过时，由光电管发射的诸信号能够使系统精确地跟踪在运载工具或实体的位置中发生的诸变化。

在本发明的一个特定的实施例中，我们特别地将本发明应用到诸实体必须能够以低速度在四周移动或者甚至没有兼顾系统的效用就停止的诸情形，为了将附加的数据提供给信息处理装置，我们将诸轮子或诸驾驶部件的转动的诸传感器安装在诸实体上。另一方面，当诸高速移动时，因为诸轮子经常发生侧滑，从而引入难以校正的诸随机误差，所以使得这些传感器失去效用或使它们的数据被忽略。

在本发明的一个特定的实施例中，我们特别地将本发明应用到在一个限定的环境，例如诸移动或竞赛大厅内的工作，在该实施例中我们能够用诸伪卫星，近来一般地将它们称为“伪星(pseudolites)”，代替诸GNSS卫星，并将它们安装在最接近大厅天化板的地方。这些伪星有与诸GNSS卫星可比较的诸功能度，并能够通过信息处理装置有效地将为截获关于诸目标的图像所需的数据提供给诸平台和诸摄像机。

在本发明的一个特定的实施例中，诸摄像机在数量上至少有两台，信息处理装置有分析拍摄的诸图像的能力。这种能力能使系统在关于诸实体不需要通过信息处理装置连续地提供用于计算它们的位置和姿态的数据的情况下就能工作。特别是并作为一个例子，当诸目标正沿着一条基本上位在一个平面中的路径移动时，也就是说是在两维而不是三维的情形中，能将诸摄像机中的一个放置在离开这个平面相当远的地方。信息处理装置分析由这台摄像机拍摄的诸图像，该摄像机的位置通过信息处理装置是已知的。于是，即便这些目标不直接发射关于它们的位置或它们的移动的信息，但是通过对诸图像的分析和估算它们在相关平面中的位置，也能够识别一个或多个目标。能用一个或多个其它的摄像机，这些摄像机更接近诸目标，它们的位置通过信息处理装置也是已知的，以类似的方式改善这个估算。利用这些图像分析能力，甚至对诸不合作的目标，就是说不直接显示它们的位置的诸目标，也能使系统进行工作。

我们现在将更详细地对在一个室内运动事件或演出中GNSS的伪星的特殊工作进行说明。将诸电磁信号的诸源安装在伪星上，而伪星本身则例如以诸天化板照明灯的方式固定在最接近大厅天化板的地方。当用GNSS的伪星测量姿态和位置时，我们测量诸电磁信号的这些不同的源与诸接收机或诸接收点，或这些信号的诸发射机分开的距离，并将该距离用作在诸信息处理装置的诸计算中的一个基础，其目的在于确定这些接收机或接收点的位置。

诸相关信号的速度接近光速，用这个信号从源或从一个发射机传播到一个接收机或接收点的距离所需的时间计算该信号传播的距离。实践中，我们查明在诸测量中的某个多余信息。这使通过诸平均值的诸计算改善诸测量的精度并随意地通过本来已知的诸似是而非性的试验消除诸错误的测量成为可能。在某些情形中，特别是对于涉及在诸源，诸发射机和诸接收机之间的诸短距离的诸室内应用，能用不同于诸电磁波的诸技术测量诸距离。超声能成为一个第一种选择。另一种可能性是用如在1996年10月17日归档的同一申请人的瑞士专利申请书No.1996 2538/96中描述的，诸非绕线型传感器。这样一个非绕线型传感器由一个磁鼓和绕在这个磁鼓周围的一条细线组成，用一个恢复弹簧装配该磁鼓的心轴并将它连接到一个角传感器。当我们想要测量其位移的该实体拉动该导线时，磁鼓转动某个角度，该角度由传感器测量出来并提供位移的一个测量。当引起实体移动离开的力减弱时，恢复弹簧保持导线处于拉紧的状态。这些非绕线型传感器显示出诸值得注意的精确的特性，对于本发明的诸需要来说这些特性是完全令人满意的。在来自Space AgeControl公司，38850 20th Street East，Palmdale，California (加利福尼亚州Palmdale市东第20街38850号)的小册子PT-001-B中给出了它的一个例子。

现在我们将参照附在这里的诸图对系统的工作方式进行描述，其中：

-图1表示一个由一台在它的平台上的摄像机拍摄的目标，和

-图2表示一个有至少两台摄像机和诸不合作目标的实施例。

表示在图1中的系统包括一个装备有一台GNSS接收机的目标8，一个由一台摄像机和一个平台7组成的装置拍摄该目标8。包括平台7的这个装置在一条三维轨道1上移动。平台7装备有一台GNSS接收机和一个IMU(它们中无论哪一个都没有在图中表示出来)。当它移动时，相对于GNSS坐标系2测量在轨道上的至少三个位置3，4和5。

与这些GNSS位置测量的同时，IMU也记录下平台经受的诸加速度，也相对于惯性坐标系6测量了诸点3，4和5的位置。信息处理装置用这些位置测量值(它们在数量上必须至少是6个)计算平台7的精确的位置和精确的姿态，也就是说它的相对于固定坐标系2的诸欧拉角。目标8的位置由它的GNSS接收机确定。

于是，从目标8的位置以及从平台7的位置和姿态，信息处理装置推导出摄像机相对于平台的诸指向角以及用于这台摄像机的变焦距数据，以便用所希望的聚焦在所有的时间中将目标8保持在摄像机的视场内。

图2表示一场由至少两台摄像机拍摄的汽车竞赛的特殊情形。将这些摄像机装载在一架在竞赛环路上空飞行的飞机9上，该环路在本情形中不包含诸隧道。信息处理装置(未在图中表示出来)包含用于对由这个摄像机拍摄的诸图像进行分析的诸能力并对诸目标10和11，这些是竞赛中的两位竞争者的位置作出一个估算。它们将用于导向最适当的目标，例如10的诸要素提供给第二台摄像机12，但是也可能根据例如来自专利申请书PCT/IB94/00431的已知的诸判据选择这个目标。第二台摄像机12也提供适合于用上述的诸分析能力进行处理的诸图像，这使改善选出的目标10的位置的精确定位和允许这台摄像机有令人满意的组帧成为可能。

商业上能够利用这种图像拍摄，特别是当将摄像机放置在认为太危险而不能使一位摄影师去冒生命危险的位置上，例如非常接近轨迹的地方时更需要利用这种图像拍摄。两台摄像机，依靠对与这些摄像机有关的诸图像进行分析的诸能力，在跟踪被认为是不合作的选出目标10时相互帮助是值得赞赏的。

Claims (10)

1.包括多个实体的摄像机引导系统，这些实体可以是一个或多个目标，由一个或多个平台支持的一台或多台摄像机以及一个或多个中继站，这个系统使利用由诸所述的平台中的一个支持的诸所述的摄像机中的至少一台，从诸所述的目标中的至少一个获取诸视频信号成为可能，这些视频信号是由诸中继站发射给一个接收站的，这些实体以某个速度在一个三维空间中移动，这些实体中的至少一个装备有一台GNSS接收机和一个IMU，依靠用于对来源于诸实体的信息进行处理的装置，GNSS接收机和IMU允许摄像机或诸摄像机自动地指向目标或诸目标，

这个系统的特征在于

由一台GNSS和一个IMU组成的装置实施若干个位置测量，这些测量是在诸时间间隔上进行的，并使得一方面计算实体的位置和另一方面计算确定实体的定向和姿态的诸欧拉角成为可能。

2.根据权利要求1的系统，其中将分开由GNSS接收机进行的两次测量的时间间隔用作如信息处理系统注意到的诸IMU漂移误差的函数。

3.根据权利要求1或2的系统，其中诸实体中的某一个的轨道位于存储在信息处理装置中的诸已知的边界中，这允许计算位置和姿态而不需用一台GNSS接收机。

4.根据权利要求3的系统，它的特征在于诸目标是在一场汽车竞赛中的诸竞争者和在于通过将定向的诸补充指数提供给信息处理装置，较快地实施系统的初始化。

5.根据权利要求4的系统，它的特征在于在汽车竞赛中诸轮子或用于控制诸竞争者车辆的诸部件的转动的诸传感器将附加的数据提供给信息处理装置。

6.根据权利要求1，2或3的系统，其中实体装备有用于测量气压或高度压力的装置，它能使信息处理装置较好地计算实体的位置和姿态。

7.根据权利要求1，2，3或6的系统，其中实体装备有一个能够测量地磁场相对于实体的定向的磁强计，它能使信息处理装置较好地计算实体的位置和姿态。

8.根据权利要求1和3的系统，其中信息处理装置有诸图像分析能力，并且其中诸目标在如由一个或多个放在远处的摄像机所看到的一个基本上是平面的空间中移动，于是这允许确定诸不合作目标的位置和姿态。

9.根据权利要求8的系统，其中诸目标是在一场汽车竞赛中的诸竞争者，和其中将至少一台放在远处的摄像机装载在一架在竞赛场地上空飞行的飞机上，并且该摄像机与至少一台其它的摄像机相互作用，以便准确定位和跟踪诸不合作的目标。

10.根据权利要求1的系统，其中一个实体的位置和高度用在位于实体上的至少三个点和有诸已知位置的至少其它的三个点之间的至少6个的距离测量值计算出来，这些距离是用诸非绕线型传感器，和/或诸超声信号和/或诸电磁信号测量出来的。