JP2008136099A - 追尾撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 パン或いはチルト機構の回転機構の固定側と回転側にリード線やフレキシブル基板で配線するとため以下の課題がある。
（１）パン或いはチルトを３６０°以上無制限に回転制御できない
（２）配線による回転角度位置による制御性の劣化がある
（３）配線の捻れによる負荷トルクが発生する
（４）配線の金属疲労によって装置寿命が短くなる。
【解決手段】 上記課題にして以下の解決手段を提供する。
（１）パン或いはチルト回転機構の固定側と可動側の間にロータリートランスを設ける。
（２）ロータリートランスを通過させるために帯域制限を行うエンコーダとデコーダを設ける。
（３）パン或いはチルト回転を一定速度で回転させる追尾サーチ手段を設ける。
（４）パン或いはチルト回転機構の一方に無限回転手段、他方に有限回転手段を設ける。
【選択図】 図７

Description

本発明は、画像処理により検出した追尾目標を所定の位置、例えば画面中央になるように撮像方向を変えて追尾する撮像装置と追尾手段に関するものである。

従来から、略直交したパン及びチルト機構を用いた撮像装置で注目する被写体を検出し、その位置が画面中央或いは特定の場所になるように撮像方向を制御・追尾する撮像システムが提案されている。このような撮像追尾システムでは、追尾する被写体の位置と所定の撮像領域のずれ量が少なくなるようにパン及びチルト機構を制御している。図15はこの処理を説明するフローチャートである。Ｓ５１は処理の開始であり、装置への電源ＯＮや使用者の指令等がこれにあたる。Ｓ５２はパンやチルト機構を例えば回転中心に移動させる等の初期化ステップである。Ｓ５３は注目する被写体の特徴から追尾目標を検出する追尾目標検出ステップである。Ｓ５４は追尾目標位置と撮像方向、即ち、パンとチルト方向の偏差を算出し、パンとチルト機構に応じた制御信号を算出する制御量算出ステップである。Ｓ５５はＳ５４からの制御信号に応じて動作するパンとチルトの機構駆動ステップであり、Ｓ５４とＳ５５でフィードバック制御系を成すことが多い。Ｓ５３からＳ５５のステップを繰り返すことにより、被写体の追尾撮像が可能となる。

パン機構或いはチルト機構の何れにおいても、回転駆動であるため、機構の固定側と回転側に分かれる。また、この固定側と回転側の間に信号や電力の伝達が必要なる。通常はリード線やフレキシブル基板等で信号や電力の伝達が行われてきた。また、リード線やフレキシブル基板等を使用しない方法としてロータリートランスを用いる方法が特許参考文献の開示されている。この参考文献では１次元撮像デバイスと光学系を回転走査し、管内部のような場所を撮像する。この信号伝達にロータリートランスを用いている。
特開平１１-１２２５２６号公報

上記のリード線やフレキシブル基板を用いる従来例では、パン或いはチルト機構の回転機構の固定側と回転側にリード線やフレキシブル基板で配線しているため、配線に変形や過度な応力を与えていた。このため配線の抵抗トルクに打ち勝つためのトルクを発生する必要があり、駆動機構の剛性を高めるために大きく高価になる傾向があった。更に回転角度を大きく取ると配線が断線するため回転角度が制限されていた。

通常、リード線やフレキシブル基板等の配線の導電部材は銅などの金属からなっている。金属に繰り返し応力が働くことにより、金属疲労により断線が生じる。

また、特許文献１に開示されている従来例では、管の内部を１次元センサで回転走査するため、非常に限定された撮像環境のみでしか使用できない。

したがって、この発明の目的とするところは、パン或いはチルト機構の固定側と可動側の配線を省き、撮影環境に左右されない撮像範囲の広い撮像装置を提供することにある。更に目標物に対して自在且つ広範囲に追尾できる追尾撮像装置を提供する。

以下が解決しようとする課題である。

（１）パン或いはチルトを３６０°以上無制限に回転制御できる無限回転手段を提供する。

（２）配線による回転角度位置による制御性の劣化を無くす。

（３）配線による捻れ負荷トルクを排除する。

（４）配線の金属疲労による断線を無くして、装置の寿命を延ばす。

本発明の目的を達成するために、例えば本発明の追尾撮像装置は以下の構成を備える。

所定の光学系から構成され画像を取得する撮像手段と、上記撮像手段の撮像信号から追尾目標を検出する追尾目標検出手段と、上記追尾目標を機械的に撮像方向を変化させて追尾するための水平方向に回転するパン制御手段及び垂直方法に回転するチルト制御手段と、追尾目標と撮像方向のずれ量が小さくなるように制御する追尾撮像装置において、上記パン制御手段或いはチルト制御手段の回転機構の回転側と固定側の間にロータリートランスを備え、該ロータリートランスを介して、パン或いはチルトの駆動制御とカメラ制御手段を備える。

直流成分或いは低周波成分を除去しロータリートランスへ供給する信号変換手段と、ロータリートランスを介した信号を変換前の信号に戻す逆変換手段を備える。

パン制御手段の信号、チルト制御手段の信号、カメラ制御手段の信号、撮像手段の撮像信号、交流電源の何れかを重畳する手段を更に備える。

パン或いはチルト手段の回転側或いは固定側の一方に交流電力源、他方に交流電力を直流電力に変換する整流手段を備え、前記交流電力はロータリートランスを介して供給する手段を備える。

所定の光学系から構成され画像を取得する撮像手段と、上記撮像手段の撮像信号から追尾目標を検出する追尾目標検出手段と、上記追尾目標を機械的に撮像方向を変化させて追尾するための水平方向に回転するパン制御手段及び垂直方法に回転するチルト制御手段と、追尾目標と撮像方向のずれ量が小さくなるように制御する追尾撮像装置において、追尾目標が検出されない場合は追尾目標を検出するためにパン或いはチルトを所定の速度で回転させる追尾サーチ手段を備える。

パン或いはチルトの一方或いは両方に無限回転手段を備える。

追尾サーチ手段が動作している場合、所定区間のみ速度を変える手段を備える。

パン或いはチルトの一方で支持構造体で撮影が遮蔽される区間のみパン或いはチルトの回転速度を大きくする手段を備える。所定の光学系から構成され画像を取得する撮像手段と、上記撮像手段の撮像信号から追尾目標を検出する追尾目標検出手段と、上記追尾目標を機械的に撮像方向を変化させて追尾するための水平方向に回転するパン制御手段及び垂直方法に回転するチルト制御手段と、追尾目標と撮像方向のずれ量が小さくなるように制御する追尾撮像装置において、パン或いはチルト撮影方向の変化手段の一方に無限角回転手段、他方に有限回転手段備える。

有限回転手段に可動ミラーの回転制御手段を備える。

本発明によれば、以下の効果がある。

（１）パン或いはチルトが３６０°以上無制限に回転し、回転角度位置による制御の制約がない。

（２）配線がないことにより、耐久性が向上する。

（３）配線による負荷トルクが発生しないので、回転駆動機構系を小さく、廉価にできる。

以下添付図面を参照して、本発明を好適な実施形態に従って詳細に説明する。

パンとチルトの回転機構の両方、或いは一方に回転側と固定側の間へロータリートランスを設けた本発明の構成と特徴について説明する。本発明の撮像装置の機構形態は、パン駆動機構にチルト機構が搭載させるものと逆のチルト駆動機構にパン機構が搭載される２種類がある。一般的に前者のパン駆動機構にチルト機構を搭載する形態が多く、以後はこの形態で説明する。尚、後者のチルト機構にパン機構を搭載する形態においても、本発明の本質は何ら変わるものではない。

（第１実施例）
第１実施例では、パンとチルトの回転機構の両方に固定側と回転側の間にロータリートランスを設けて信号或いは電力を受け渡しする構成で、パン或いはチルトが夫々３６０°以上無制限に回転可能な実施例について図１から図７を用いて説明する。

図１から図５は本発明の機構を示す図である。追尾撮像装置の被写体側から見て図１は正面図、図２は平面図、図３は右側面図、図４は左上正面斜視図、図５は左下背面斜視図である。図６はロータリートランスの断面図、図７は第１実施例の全体構成を示すブロック図である。

機構を説明する図１から図５に示した符号について説明する。１は本撮像装置の画像を撮像するためのカメラモジュールである。このカメラモジュールの光学系は複数のレンズで構成され、その射出瞳位置は後述するパンとチルト回転軸上又は近傍に配置することが望ましい。２は本撮像機構部を固定するためのメインフレームであり、所定の装置や施設に固定する。また、オフィスや家庭等の建築物の天井や壁に配置することも可能である。本発明の図中では、固定するための装置や施設を省いて示している。３はチルト機構をパン方向で３６０°以上に制約なく回転させるためのパン回転軸である。４はパンを回転駆動するためのモータであり、固定側の４Sと回転側の４Rから構成される。モータ４はブラシレスDCモータであり、固定側４Sはコイル、回転側４Rはマグネットで構成される。尚、パンの回転駆動は減速機を用いたような他の構成やブラシレスＤＣモータ以外の方式でも問題ない。５はロータリートランスであり、５Rは回転側、５Sは固定側である。６はパン方向へ回転させるチルト機構を保持するためのチルトフレームである。７と８はカメラモジュールをチルト方向で３６０°以上に制約なく回転させるためのチルト回転軸である。９はカメラモジュール１を支えるためのカメラフレームで、これを介してチルト方向に回転駆動する。１０はモータでモータ４と同様に固定側１０Sと回転側１０Rから構成される。１１は５と同様なロータリートランスで固定側１１Sと回転側１１Rから構成される。このようにロータリートランスを用いて配線を省くことによりパンのモータ５とチルトのモータ１０は３６０°以上無制限に回転することができる。例えばパンの角度が２７０°程度の従来例では略９０°程度が撮影の死角となり設置する上での制限になっていた。

図６はロータリートランスの説明のためのロータリートランス１１の断面図である。ロータリートランスは図６に示すように固定側１１Sと回転側１１Rの二つの部材より構成される。１１Ｒ−ＣＲと１１Ｓ−ＣＲはフェライト等の磁性材料であるコア、１１Ｒ−ａ、１１Ｒ−ｂ，１１Ｒ−ｃ，１１Ｓ−ａ，１１Ｓ−ｂ，１１Ｓ−ｃは夫々のコアに設けられた溝に巻かれたコイルである。コイルはコア溝の底面に穴（不図示）を設け引き出される。１１R-CR固定側１１Sと回転側１１Rは略同様に形状をなし、数十μｍのギャップを設ける。このギャップにより機会的な結合は無いが、磁気的には１１Ｓ−ａと１１Ｒ−ａ、１１Ｓ−ｂと１１Ｒ−ｂ、１１Ｓ−ｃと１１Ｒ−ｃがトランスとして結合する。この結合を夫々チャンネルと呼ぶ。通常のトランスのように巻き線数を変えると、それに応じた昇圧比が得られる。

図７の全体構成のブロック図に関して詳細に説明する。図中２１は画像の中から人の顔等の追尾目標を抽出しその位置を検出するための追尾目標検出部である。追尾目標を抽出する方法に関してはテンプレートマッチングを応用したもの等、多数が提案実施されている。２２は制御量算出部であり、追尾目標検出部２１の検出値とパン或いはチルトの回転角を比較し、適正な制御量を演算する。制御演算算出部にはパンの回転角の制御量を求めるパン演算部２３、チルト演算部２４、カメラモジュール１を制御する撮像制御部２５が含まれる。２６はパン演算部２３の演算結果に従うパン回転駆動部で前述した回転機構やモータを含む。２７と２８はロータリートランスに信号を通過させるためのエンコーダである。ロータリートランスは電磁気的には交流回路であり、通過させるために直流或いは周波数の低い帯域を除去する手法が取られる。代表的なものは８ビットから１０ビット信号へ変換し、所定のテーブルにより信号のスペクトラムを制限する。２９はデコーダであり、前述した変換、例えば８ビットから１０ビットへの変換の逆を行い、通常のデータ形式へ戻す。このようにロータリートランスを通過させるためには、エンコーダとデコーダが一般的には必要となる。３０は交流電力源であり、ロータリートランス５を介してパン機構に搭載される駆動部や処理部への電源供給を行う。交流電力源の周波数は他の信号に対してクロストークが小さくなるような周波数にする。ロータリートランスは信号や電力ごとにチャンネルがあり、ロータリートランス５の場合は５ａから５ｄの４チャンネルとなる。図に示すようにＣＨａは電力用、ＣＨｂはチルト回転制御信号、ＣＨｃはカメラモジュールの制御信号、ＣＨｄはカメラモジュールの映像信号用として割りあてられる。３１はパン回転部の上に機構的に載っているチルト回転部である。３２はチルト回転部を駆動するに交流電力源３０からの電力を直流電源に変換する整流部で、ロータリートランス５の回転側の回路電源を賄う。３３はチルト演算部の結果に応じて制御されるチルト回転駆動部である。３４と３５は必要に応じてロータリートランス１１に送るための信号増幅等を行う増幅器である。場合によっては増幅器３４と３５を設けない。１１ａと１１ｂはロータリートランス１１に設けられたチャンネルである。１１ａはカメラモジュール１の映像信号用で１１ｂはカメラモジュールの制御用である。カメラモジュール１は被写体を映像信号に変換する映像信号部１ａとカメラモジュールの絞りやフォーカスを制御する制御部１ｂから構成される。

また、前述したチルト演算部や撮像信号は重畳或いは時系列的にロータリートランスを通すことでロータリートランスのチャンネル数を減らすことができる。

図７を用いて第１実施例の動作として、パン制御、チルト制御、カメラ制御及び映像信号の流れを説明する。パン制御は追尾目標検出部２１によって追尾目標と位置が検出される。その追尾位置に応じて制御量算出部２２内のパン演算部２３でパン機構を駆動するための制御量を演算し、パン回転駆動部２６に信号を送り、パン駆動が制御される。チルト制御はパンと同様にチルト演算部で制御量が演算する。その演算結果をエンコーダ２７で変換した後にロータリートランス５のＣＨｂを経由してチルト回転駆動部３３へ信号を送り制御する。カメラの絞りやズーム等の制御は撮像制御部２５より演算し、エンコーダ２８によって変換した信号をロータリートランス５のＣＨｃを経由しチルト回転部３１の増幅器３４へ送られる。増幅３４で増幅した信号はロータリートランス１１のＣＨｂを経由しカメラ１の制御部１ｂに信号が伝わり、カメラ１の制御が行われる。カメラ１で撮像した映像信号は映像信号部１ａでエンコーダ２７と同様の変換が行われロータリートランス１１のＣＨａを経由して増幅器３５に送られる。増幅した信号はロータリートランス５のＣＨｄを経由して、デコーダ２９で逆変換を行い追尾目標検出部２１へ映像信号を供給する。

以上説明したように、機構の回転側と固定側の間にロータリートランスを設けて信号或いは電力を伝達することにより、機構の固定側と回転側の配線を省くことができる。結果として回転機構の回転角の制約、つまり無制限に回転できる。配線の負荷がなくなり装置の小型化になると同時に、断線が原因となる故障や寿命低下が生じない。

（第２実施例）
例えば、第１実施例で説明した形態で図１の状態の天地を逆にして所定の部屋の天井に備え付ければ部屋のなかのほとんどを見渡せることができる。主に監視用途として好適である。第２実施例では、本発明の特徴である３６０°以上回転できる特徴を活かした追尾目標の抽出と追尾動作について説明する。

図８は第２実施例の動作を説明するフローチャートである。図中Ｓ１は動作開始ステップであり、電源投入やリセット動作がこれにあたる。Ｓ２はカメラモジュール１によって映し出された画像から追尾目標を検出するための追尾目標抽出ステップである。抽出される追尾目標は異なり、例えば見守り用途であれば特定人物であり、監視用途であれば不審者となる。Ｓ３は追尾目標の抽出の有無を判別する追尾目標抽出判別ステップである。在ると判別されるとＳ４、無いと判断されるとＳ６へ分岐する。Ｓ４は抽出した目標を追尾する追尾動作ステップである。追尾動作は追尾目標とその位置を検出しながら、パン或いはチルト機構を駆動させて略画面中央に追尾目標を撮影することである。Ｓ５は追尾目標が存在或いは見失っていないかを検出する追尾目標検出判別ステップである。Ｓ５で追尾目標があると判断されるステップ４とでループを構成する。Ｓ５で追尾目標が無いと判断されるＳ６へ分岐する。

Ｓ６はカメラモジュールをパンとチルトの両方向又は一方向を回転させるカメラ回転ステップであり、ステップＳ２へ戻る。以上のステップを繰り返すことで、カメラモジュールの画角や回転角度限界に左右されることなく、所定領域全ての追尾撮影が可能となる。

第1実施例の機構のように２軸が回転する構成では、一方が支持部材のため、撮影の死角になってします。第１実施例ではチルト側に撮影死角が生じてしまう。この死角の間の撮影が無意味になってします。図９はこの死角撮影に対応し、カメラ回転ステップ６のチルトの回転制御速度を示した図である。縦軸がチルトの目標回転速度、横軸がチルトの回転位置角度である。本図において水平が0°で、α１からα２の間がチルトの死角撮影区間である。このように死角撮影区間の速度を大きくとることで、死角撮影時間が短縮し有効な撮影時間を大きく取れる。

（第３実施例）
第１実施例では、パンとチルトの両方が３６０°以上回転する形態について述べた。天井や壁等に設置する場合、撮像立体角は全球をカバーする必要なく半球で十分の場合が多い。本実施例では半球程度を撮影できる装置に関して提案する。

図１０から図１４は本発明の機構を示す図である。追尾撮像装置の被写体側から見て図１０は正面図、図１１は平面図、図１２は左側面図、図１３は左上正面斜視図、図１４は左下背面斜視図である。

機構を説明する図１０から図１４に示した符号について説明する。尚、第１実施例と同様のものについては同一の符号とし説明を割愛する。４１はカメラモジュール１１と同様であるが取り付け方向が図のように異なる。４２はチルトフレーム６と同様なチルトフレームで形状が異なる。４３はカメラモジュールをチルト方向に回転させる代わりに設けられる反射ミラーである。反射ミラー４３の回転角の２倍がチルト角となる。ここで具体的な例で反射ミラー回転角について述べる。撮影立体角を半球以上カバーするためには、パンを３６０°以上、チルトは９０°以上必要となる。カメラモジュールの画角を４０°にすると５０°のチルトが必要になる。反射ミラーを用いるとこの半分の２５°程度の回転角で現実的と言える。４４は回転ミラー４３を回転支持するミラー回転軸であり、アーム４５と回転角センサ３６も支持する。４７はマグネット、４８はコイルとであり、４８のコイルに電流を流すことでアーム４５を介しミラー回転軸４４に回転力が伝達される。センサ４６の回転角を参照しながらコイル４８の電流或いは電圧を制御することで所定のチルト角が制御できる。

このように回転ミラーを用いることで、撮像立体角で半球程度のものが容易に構成できる。ロータリートランスのギャップは数十μｍ程度と高精度な組み立てが必要で、エンコーダとデコーダの回路も必要なため、高価になりやすい。このように回転ミラーを数十度程度回転する構成にすれば、ロータリートランスも１組で成り立ち廉価に構成できる。

第1実施例の機構正面図 第1実施例の機構平面図 第1実施例の機構右側面図 第1実施例の機構左上正面斜視図 第1実施例の機構左下背面斜視図 ロータリートランスの断面図 第1実施例の全体構成ブロック図 第２実施例の動作フローチャート 第２実施例のチルト回転速度目標図 第３実施例の機構正面図 第３実施例の機構平面図 第３実施例の機構右側面図 第３実施例の機構左上正面斜視図 第３実施例の機構左下背面斜視図 従来例のフローチャート

符号の説明

１ カメラモジュール
２ メインフレーム
３ パン回転軸
４ パンのモータ
５ ロータリートランス
６ チルトフレーム
７，８ チルト回転軸
９ カメラフレーム
１０ モータ
１１ ロータリートランス
Ｓ１ 動作開始ステップ
Ｓ２ 追尾目標抽出ステップ
Ｓ３ 追尾目標抽出判別ステップ
Ｓ４ 追尾動作ステップ
Ｓ５ 追尾目標検出判別ステップ
Ｓ６ カメラ回転ステップ
２１ 追尾目標検出部
２２ 制御量算出部
２３ パン演算部
２４ チルト演算部
２５ 撮像制御部
２６ パン回転駆動部
２７，２８ エンコーダ
２９ デコーダ
３０ 交流電力源
３１ チルト回転部
３２ 整流部
３３ チルト回転駆動部
３４，３５ 増幅器
４１ カメラモジュール
４２ チルトフレーム
４３ 反射ミラー
４４ ミラー回転軸
４５ アーム
４６ 回転角センサ
４７ マグネット
４８ コイル
Ｓ５１ 処理の開始
Ｓ５２ 初期化ステップ
Ｓ５３ 追尾目標検出ステップ
Ｓ５４ 制御量算出ステップ
Ｓ５５ パンとチルトの機構駆動ステップ

Claims (10)

1. 所定の光学系から構成され画像を取得する撮像手段と、
   上記撮像手段の撮像信号から追尾目標を検出する追尾目標検出手段と、
   上記追尾目標を機械的に撮像方向を変化させて追尾するための水平方向に回転するパン制御手段及び垂直方法に回転するチルト制御手段と、
   追尾目標と撮像方向のずれ量が小さくなるように制御する追尾撮像装置において、
   上記パン制御手段或いはチルト制御手段の回転機構の回転側と固定側の間にロータリートランスを備え、該ロータリートランスを介して、パン或いはチルトの駆動制御とカメラ制御を行うことを特徴とする追尾撮像装置。
2. 請求項１の装置において、
   直流成分或いは低周波成分を除去した信号をロータリートランスへ供給する信号変換手段と、ロータリートランスを介した信号を変換前の信号に戻す逆変換手段を備えたことを特徴とする追尾撮影装置。
3. 請求項２の装置において、
   パン制御手段の信号、チルト制御手段の信号、カメラ制御手段の信号、撮像手段の撮像信号、交流電源のうちの何れかを重畳する手段を更に備えたことを特徴とする追尾撮影装置。
4. 請求項１の装置において、
   パン或いはチルト手段の回転側或いは固定側の一方に交流電力源、他方に交流電力を直流電力に変換する整流手段を備え、前記交流電力はロータリートランスを介して供給されることを特徴とする追尾撮影装置。
5. 所定の光学系から構成され画像を取得する撮像手段と、
   上記撮像手段の撮像信号から追尾目標を検出する追尾目標検出手段と、
   上記追尾目標を機械的に撮像方向を変化させて追尾するための水平方向に回転するパン制御手段及び垂直方法に回転するチルト制御手段と、
   追尾目標と撮像方向のずれ量が小さくなるように制御する追尾撮像装置において、
   追尾目標が検出されない場合は追尾目標を検出するためにパン或いはチルトの一方或いは両方を所定の速度で回転させる追尾サーチ手段を更に設けたことを特徴とする請求項１に記載の追尾撮影装置。
6. 請求項５の装置において、
   パン或いはチルトの一方或いは両方に無限回転手段設けたことを特徴とする請求項５に記載の追尾撮影装置。
7. 請求項５の装置において、
   追尾サーチ手段が動作している場合、所定区間のみ速度を変えることを特徴とする追尾撮影装置。
8. 請求項７の装置において、
   パン或いはチルトの一方で支持構造体で撮影が遮蔽される区間のみパン或いはチルトの回転速度を大きくすることを特徴とする追尾撮影装置。
9. 所定の光学系から構成され画像を取得する撮像手段と、
   上記撮像手段の撮像信号から追尾目標を検出する追尾目標検出手段と、
   上記追尾目標を機械的に撮像方向を変化させて追尾するための水平方向に回転するパン制御手段及び垂直方法に回転するチルト制御手段と、
   追尾目標と撮像方向のずれ量が小さくなるように制御する追尾撮像装置において、
   パン或いはチルト撮影方向の変化手段の一方に無限角回転手段、他方に有限回転手段を設けたことを特徴とする追尾撮像装置。
10. 請求項９の装置において、
    有限回転手段に可動ミラーを用いたことを特徴とする追尾撮像装置。

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