JP2011203057A - 飛翔体用距離測定装置及び飛翔体位置測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 鳥類等の飛翔体までの距離及び位置を簡易に測定する。
【解決手段】 望遠レンズ２０，２１が装着された２台のカメラ１０，１１を支持台３０上に所定距離離間して支持し、好ましくは操作しやすいように０．５〜２ｍの範囲で離間して支持し、２台のカメラ１０，１１を同期して水平方向及び鉛直方向に回転動作させることができる構成である。２台のカメラ１０，１１を備え、常に同期して操作できるため、２台のカメラ１０，１１の光軸間距離、焦点距離、及び視差を用いて飛翔体までの離間距離を容易に求めることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鳥類などのように、空中を決まった軌道を描くことなく予測不可能な動きをする飛翔体までの距離を測定する飛翔体用距離測定装置、並びに、この飛翔体用距離測定装置を利用して飛翔体の位置を測定する飛翔体位置測定装置に関する。

特許文献１には、空港等への鳥類の飛来を防止するに当たって、複数台のカメラを用いて鳥類の位置を特定する技術が開示されている。各カメラ相互間の距離について、特許文献１には具体的な記載はないが、１００ｍ以上（通常１ｋｍ〜５ｋｍの範囲）離れて飛行する飛翔体の位置情報を得るためには、例えば、４ｋｍ四方の領域を撮影できるように焦点距離の極めて短い超広角レンズ（例えば、３５ｍｍ判換算で２８ｍｍ未満）を装着した２台のカメラを遠距離（通常６０ｍ〜６ｋｍ）離して設置し、ステレオ撮影を行っている。

特開平１０−４８５８号公報

特許文献１に示された技術の場合、飛翔体を撮影可能なカメラの設置場所を遠距離離れた位置に２箇所確保する必要がある。しかし、山間部などでは、このような撮影条件を満たす場所を２箇所確保することが困難な場合も多い。また、飛翔体が鳥類などの場合には、予定の撮影対象領域から外れた領域を飛行することも多く、その場合に、カメラの設置場所を遠距離離れた位置で新たに２箇所確保することは容易ではない。さらに、遠距離離れているため、撮影装置はもとより、操作に要する作業人員も、１台のカメラで撮影する場合の２倍必要となる。

カメラ１台で飛翔体の２次元画像を撮影し、その画像情報と飛翔体までの距離を組み合わせることで飛翔体の位置情報を得ることが考えられるが、この場合には、飛翔体までの実際の距離を如何にして測定するかが課題となる。離間距離の簡易な測定手段として、典型的にはレーザー距離計を用いることが考えられる。

レーザー距離計を用いる場合、鳥類などの飛翔体は一定の軌道ではなく予測不可能な動きをするため、その距離を測定する際には、接眼レンズをのぞきながら鳥類の動きに合わせてレーザーを照射する必要がある。しかし、正しいアイポイント位置を保ちながら予測不可能な動きをする鳥類に所定時間に亘りレーザーを照射し続けることは困難である。その一方、動いている鳥類の距離データを逐次記憶していく場合、飛翔体の追尾のためには、観測者は接眼レンズをのぞき続ける必要があるため、測定結果を瞬時に把握できるように、接眼レンズ内に距離データがデジタル表示されるものが望ましい。しかし、接眼レンズ内に表示される測定結果を、飛翔体の追尾を続けながら、短い時間間隔で人手により筆記し記録していくことは非常に面倒であり、また、測定時間が日中数時間に亘ることも多く、そのような長時間に亘って記録していくことは尚更困難な作業である。この手間をなくす簡易な手段としては、レーザー距離計に専用の記憶部を設けることが考えられるが、そのためには、市販のものが使用できないため、専用のレーザー距離計を新たに開発する必要があり、非常にコストがかかる。

本発明は上記に鑑みなされたものであり、簡易な構成で安価に入手可能であり、予測不可能な動きをする飛翔体の距離を容易に測定できる飛翔体用距離測定装置を提供することを課題とする。また、本発明は、この飛翔体距離測定装置を用いると共に、２次元画像を得るための１台のカメラを併用することで、飛翔体の位置情報を簡易な構成で取得でき、設置作業、撮影作業の容易化を図ることができる飛翔体位置測定装置を提供することを課題とする。

上記した課題を解決するため、本発明の飛翔体用距離測定装置は、飛翔体を撮影する２台のカメラと、前記２台のカメラのそれぞれに装着される望遠レンズと、前記２台のカメラを所定間隔をおいて支持し、２台のカメラを同期して水平方向及び鉛直方向に回転動作させる支持台と、前記２台のカメラにより前記飛翔体を撮影し、２台のカメラの光軸間距離、焦点距離、及び視差から、前記飛翔体までの離間距離を算出する距離算出手段とを有することを特徴とする。

前記２台のカメラは、相互間の間隔が、０．５〜１ｍの範囲となるように前記支持台に支持されていることが好ましい。また、この飛翔体用距離測定装置は、離間距離２００〜４０００ｍを飛行する鳥類の撮影用であり、前記望遠レンズとして、焦点距離３００〜１０００ｍｍの範囲のものが装着されていることが好ましく、さらには、離間距離１０００〜２０００ｍを飛行する鳥類の撮影用であり、前記望遠レンズとして、焦点距離５００〜８００ｍｍの範囲のものが装着されていることがより好ましい。なお、前記２台のカメラは、前記飛翔体の離間距離の範囲内で各光軸が交差する姿勢で前記支持台に装着されていることが好ましい。

また、本発明の飛翔体位置測定装置は、上記した飛翔体用距離測定装置と、前記飛翔体用距離測定装置によって離間距離を測定する飛翔体の２次元画像を取得するカメラと、前記飛翔体用距離測定装置から得られる前記飛翔体の離間距離データと、前記カメラにより得られる前記飛翔体の２次元画像とを用いて、前記飛翔体の位置情報を求める飛翔体位置演算手段とを具備することを特徴とする。２次元画像を取得するカメラにはズームレンズが装着されていることが好ましい。

本発明の飛翔体用距離測定装置は、望遠レンズが装着された２台のカメラを支持台上に所定距離離間して支持し、好ましくは操作しやすいように０．５〜１ｍの範囲で離間して支持し、２台のカメラを同期して水平方向及び鉛直方向に回転動作させることができる構成である。２台のカメラを備え、常に同期して操作できるため、２台のカメラの光軸間距離、焦点距離、及び視差を用いて飛翔体までの離間距離をレーザー距離計を用いることなく容易に求めることができる。また、カメラに付設のモニタ画面を利用して飛翔体を追尾できるため、追尾作業も容易である。

風力発電装置の風車への影響や空港への影響を調べる場合、観測対象となる飛翔体は主として鳥類であり、２００〜４０００ｍの範囲が離間距離となる。また、ここで使用するカメラはあくまで離間距離の算出用であって、飛翔体の位置を直接測定するものではないため、それほど高解像度のものでなくてよく、比較的安価に入手可能なものでよい。従って、２００〜４０００ｍの離間距離に適した望遠レンズを、安価なカメラに装着して利用すれば、安価に入手可能な距離測定装置とすることができる。

また、本発明の飛翔体位置測定装置は、上記した飛翔体用距離測定装置を用いているため、飛翔体の２次元画像を撮影する超広角レンズを備えた高精度のカメラの画像情報と組み合わせることにより、飛翔体の位置情報を簡易な構成で求めることができる。

図１は、本発明の一の実施形態に係る飛翔体用距離測定装置の全体構成を示した概念図である。 図２は、上記実施形態に係る飛翔体用距離測定装置の要部を示した斜視図である。 図３は、上記実施形態に係る飛翔体用距離測定装置によって飛翔体までの離間距離の求め方を説明するための図である。 図４は、本発明の飛翔体位置測定装置の一の実施形態に係る全体構成を示した図である。 図５は、図４に示した飛翔体位置測定装置のカメラで撮影される画像の一例を示した図である。 図６は、飛翔体の高度の求め方を説明するための図である。 図７（ａ），（ｂ）は、飛翔体の所定時間の連続撮影を行って飛行高度及び飛行軌跡を求める方法を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１及び図２は、本発明の一の実施形態に係る飛翔体用距離測定装置１を示す図であり、これらの図に示すように、飛翔体用距離測定装置１は、カメラ１０，１１と、望遠レンズ２０，２１と、撮影したデータを用いて距離を算出する距離算出手段５０を備えて構成されている。

カメラ１０，１１は、例えば、ＣＣＤ撮像素子を備えたカメラやＣ−ＭＯＳ撮像素子を備えた動画記録できるカメラ（ビデオカメラ）から構成される。連続撮影するため通常は動画記録できるものがよいが、微小時間間隔で連続して静止画を記録できるものであってもよい。なお、このカメラ１０，１１は、後述する鳥等の飛翔体の正確な位置を特定することを目的とするものではなく、概略の距離を測定することを目的とするものであるため、撮像素子の解像度が比較的低く安価に入手可能なもの、例えば、センサーサイズ１／３インチ、水平画素数約８００、約４０万画素のものでよい。

また、カメラ１０，１１は、撮影した飛翔体の画像を表示するモニタ画面１０ａ，１１ａを備えているものが好ましい。モニタ画面１０ａ，１１ａを備えていることにより、観測者はこのモニタ画面を見ながら鳥等の飛翔体を追尾できる。

カメラ１０，１１は、支持台３０に所定間隔をおいて支持される。支持台３０は、２台のカメラ１０，１１を所定間隔をおいて支持できるものであればよい。本実施形態では、図１及び図２に示したように、両端付近にカメラの固定部を有する板状体３１と、板状体３１を所定高さに支持できると共に、該板状体３１を水平方向及び垂直方向に回転操作できる脚部３２を有するものを用いている。板状体３１にカメラ１０，１１が固定されるため、脚部３２に対して板状体３１を水平方向又は垂直方向に回転動作させれば、カメラ１０，１１がその動きに従って水平方向又は垂直方向に回転動作することになる。

板状体３１に取り付けられるカメラ１０，１１の相互間の間隔は、０．５〜１ｍの範囲とすることが好ましい。これ範囲を上回る間隔とすると、板状体３１及び脚部３２を含む支持台３０が大型化し、持ち運びや設置場所に不便を来し、この範囲を下回る間隔とすると、測定精度の誤差が大きくなる。

望遠レンズ２０，２１は、カメラ１０，１１のそれぞれに装着されて使用される。ここで、風力発電装置の風車への影響や空港への鳥類による影響を調べる場合、観測対象となる鳥類に対して、２００〜４０００ｍ離れた位置から観測するのが通常である。従って、この離間距離での観測に適した望遠レンズ２０，２１としては、焦点距離３００〜１０００ｍｍのものが好ましい。焦点距離１０００ｍｍを超える場合には望遠レンズが長くなり、これを２台のカメラ１０，１１に装着すると、鳥の追尾を行うための水平方向又は垂直方向への回転操作が行いにくくなる。焦点距離が短すぎる場合には、距離測定の誤差が大きくなる。観測対象が鳥類の場合、離間距離１０００〜２０００ｍで観測することが最も多いため、その離間距離に適した焦点距離５００〜８００ｍｍの望遠レンズ２０，２１を用いることがより好ましい。

支持台３０に取り付けられる２台のカメラ１０，１１（望遠レンズ２０，２１）は、それぞれの光軸が平行となるように取り付けても良いが、飛翔体の離間距離の範囲内で各光軸が交差する姿勢で装着されることが好ましい。これにより、平行にセットした場合よりも計測範囲を奥行き方向に深く計測することができる。

距離算出手段５０は、コンピュータに設定されたコンピュータプログラムから構成され、２台のカメラ１０，１１の光軸間距離、焦点距離、及び視差から、鳥類等の飛翔体までの離間距離を算出する。具体的には、図３に示したように、一方のカメラ１０の画像の中心点から鳥類までの画素数（ｘＬ）と他方のカメラ１１の画像の中心点から鳥類までの画素数（ｘＲ）とを求め（中心点を零として図３左方向を正にとると、ｘＬの値は正、ｘＲの値は負）、両者の差（ｘＬ−ｘＲ）を求め、これにカメラの１画素あたりの長さαを掛ける。カメラ１０，１１の光軸間距離をＢ、カメラ１０，１１（望遠レンズ２０，２１）の焦点距離をｆとすると、鳥類までの離間距離Ｌは、Ｌ＝Ｂ×（ｆ／（α（ｘＬ−ｘＲ）））で求められる。

本実施形態では、カメラ１０，１１のモニタ画面１０ａ，１１ａに、飛翔体の画像が表示されるため、観測者はその表示される画像を見ながら飛翔体としての鳥類を追尾する。そして、図３に示したように、２台のカメラ１０，１１に捉えられた２枚の鳥類の画像から視差を求め、上記式により鳥類までの離間距離Ｌを求める。この際、仮にレーザー距離計で距離を測定する場合には、飛翔体を接眼レンズ内の中心（画像中心）に合わせる必要があるが、本実施形態では、視差を利用するため、カメラ１０，１１で得られる画像中のいずれかの範囲に鳥類等の飛翔体が捕らえられれば良く、飛翔体の追尾作業が容易である。

本実施形態によれば、飛行範囲（観測位置からの離間距離）が限られた鳥類等の飛翔体の撮影に合わせた精度の市販のカメラ１０，１１、望遠レンズ２０，２１を用い、それらを支持台３０にセットして用いることで、簡易で安価な距離測定装置を構成でき、飛翔体の距離測定用として適している。従って、この飛翔体用距離測定装置に、鳥類等の飛翔体の２次元位置情報を得る高精度のカメラ１台と組み合わせれば、高精度のカメラ２台を使用してステレオ撮影する従来の手法よりも安価な飛翔体位置測定装置とすることができると共に、従来のように、２台のカメラを遠距離離れた位置に設置する必要もないため、機材の運搬、測手作業の容易化を図ることができる。

次に、図４に基づき本発明の飛翔体位置測定装置５００の実施形態について説明する。飛翔体位置測定装置５００は、上記した飛翔体用距離測定装置１と、飛翔体の２次元画像を得るカメラ５１０とを組み合わせたものである。

カメラ５１０は、例えば、ＣＣＤ撮像素子を備えたカメラやＣ−ＭＯＳ撮像素子を備えたカメラから構成される。このカメラ５１０は、飛翔体の２次元位置を正確に求めるものであるため、焦点距離の極めて短い超広角レンズ（例えば、３５ｍｍ判換算で２８ｍｍ未満）を備え、１００万画素以上の高精度のものが用いられる。カメラ５１０は連続撮影するため通常は動画記録できるものがよいが、微小時間角で連続して静止画を記録できるものであってもよい。カメラ５１０の設置点は、鳥類等の飛翔体が飛行する領域が撮影できる場所が選択される。なお、カメラ５１０により撮影する際に、飛翔体と共に、高さが既知の固定物体、例えば、地面や建築物の屋上等を同一画面内に含めることができる場所にカメラ５１０が設置されると、後述のように飛翔体の高度を求めるのに役立つ。

カメラ５１０のレンズとしては単焦点のものを使用することもできるが、単焦点レンズでは、鳥などのように撮影対象が常時移動する物体の場合、最適な望遠性や画角を持つレンズの選択、交換の手間などがかかるという問題がある。そのため、ズームレンズ５１１を用いることが好ましい。この場合、ズームレンズ５１１のプロファイルとして必要となる、タル型、糸巻き型などの歪み情報とカメラの画素の変換係数（１／ｐｉｘｅｌ）は次のようにして求める。すなわち、ズームレンズ５１１を調整して、ある焦点距離ｆで撮影対象である鳥等の飛翔体の撮影を実施した後、この焦点距離ｆで所定のキャリブレーションターゲットを用いて現場で求めるようにする。なお、予備計測などを行うことによって、予め目的の飛翔体を撮影する際の焦点距離ｆが判明している場合には、その焦点距離ｆを用いて飛翔体の撮影前にキャリブレーションを行うこともできる。

飛翔体位置測定装置５００は、撮影した飛翔体の位置を求めるためのコンピュータプログラムである飛翔体位置演算手段５２０を有している。飛翔体位置演算手段５２０は、飛翔体用距離測定装置１から得られる飛翔体の距離データと、カメラ５１０により得られる飛翔体の２次元画像上の位置情報とを、それぞれの測定時刻をもとにマッチングさせ、飛翔体の位置情報（地図上の位置情報、高度も含めた位置情報）を求める。なお、飛翔体位置演算手段５２０と上記した飛翔体用距離測定装置１の距離算出手段５０は、同じコンピュータに設定されていても良いし、異なるコンピュータに設定されていても良い。

本実施形態によれば、カメラ５１０によって、所定の飛翔体を捉えたならば撮影を開始し、同時に飛翔体用距離測定装置１によりカメラ５１０の設置点から当該飛翔体までの離間距離Ｌを測定する。飛翔体位置演算手段５２０は、飛翔体用距離測定装置１から得られる飛翔体の距離データと、カメラ５１０により得られる飛翔体の２次元画像上の位置情報とを、それぞれの測定時刻をもとにマッチングさせる。例えば、カメラ５１０により撮影した所定時刻における２次元画像において、図５に示したように中心点から飛翔体までの離隔画素数（ｐｉｘｅｌ）Ｘを求める。さらに、Ｘを水平方向成分Ｘｘ（ｐｉｘｅｌ）および垂直方向成分Ｘｙ（ｐｉｘｅｌ）に分ける。一方、この画像データの測定時刻における飛翔体までの距離Ｌを飛翔体用距離測定装置１から得る。

この距離Ｌに、上記したようなキャリブレーションにより求めた使用したレンズ（ズームレンズ）の変換係数（１／ｐｉｘｅｌ）を掛け、さらに、この変換係数とＸｘおよびＸｙをそれぞれ掛けると、中心点から飛翔体までの水平方向および垂直方向の実際の距離が求められる。そして、（Ｘｘ×Ｘｘ＋Ｘｙ×Ｘｙ）の平方根から、中心点及び飛翔体間の実際の距離が求められる。従って、カメラ５１０の設置点の地図上の座標が既知であれば、カメラ５１０の仰角と飛翔体用距離測定装置１により測定される距離Ｌとにより中心点の座標を求め、さらに、中心点及び飛翔体間の実際の距離から、飛翔体の地図上の位置が求められる。

また、図６に示したように、カメラ５１０によって、目的とする飛翔体と共に、高さが既知の固定物体（例えば、地面）が同じ画面に入るように撮影するころにより、飛翔体の高度Ｈが求められる。すなわち、飛翔体と固定物体（地面）が共に撮影された画像データから、飛翔体及び固定物体（地面）間の離隔画素数（ｐｉｘｅｌ）を求める。そして、この画像データの測定時刻における飛翔体までの離間距離Ｌを飛翔体用距離測定装置１から得る。

この離間距離Ｌに、上記したようなキャリブレーションにより求めた使用したレンズ（ズームレンズ）の変換係数（１／ｐｉｘｅｌ）を掛け、さらに、飛翔体及び固定物体（地面）間の離隔画素数（ｐｉｘｅｌ）を掛けると、飛翔体及び固定物体（地面）間の実際の距離（飛行高度）Ｈが求まる。この距離（飛行高度）Ｈは、固定物体が、飛翔体の下方に位置する地面であればそのまま飛翔体の飛行高度として採用されるが、固定物体が、例えば、高さが既知の鉄塔や建物の頂部である場合、その頂部までの高さに両者間の距離を足して、飛行高度が求められることになる。カメラから固定物体と飛翔体までの距離が異なる場合、固定物体が飛翔体までの距離にあった場合を仮定して、固定物体の高さを補正すれば良い。なお、固定物体が飛翔体の上方に位置している場合でも、両者間の距離を固定物体の高さから差し引き等することで飛行高度は算出可能である。

また、カメラ５１０で飛翔体を撮影する場合、所定時間、飛翔体を連続撮影することが好ましい。連続撮影する時間が長すぎると、変換係数（１／ｐｉｘｅｌ）の変化が大きくなり、測定精度が低下する。また、飛翔体（特に、鳥類）が旋回したりするなど飛行軌跡が安定しない。このため、変換係数がほぼ一定とみなせる時間内や、飛行軌跡が線形とみなせる時間内とすることが好ましい。例えば、図７（ａ）に示したように、カメラ５１０及び飛翔体用距離測定装置１から飛翔体までの距離を１ｋｍとした場合、その１０％、すなわち１００ｍの範囲で飛翔体（鳥類）が変位しても、変換係数（１／ｐｉｘｅｌ）の変化は飛行高度の測定精度に影響のない十分小さな範囲内に収まる。この場合、飛翔体である鳥類の飛行速度が１０〜２０ｍ／ｓ前後とすると、連続撮影の時間は５〜１０秒間に設定すればよい。撮影時間を５〜１０秒間にすることにより、その飛行軌跡は、図７（ｂ）に示したようにほぼ線形なものが得られる。

なお、この際に用いられるカメラ５１０の設置点から飛翔体までの離間距離は、変換係数がほぼ一定と見なせるため、連続撮影を開始した時点に測定した距離、連続撮影の終了時点の距離、その中間時点の距離、あるいは、それらの平均の距離等のいずれであってもよい。また、粒子追跡法（ＰＴＶ）の手法を応用し、飛翔体を粒子とみなして微小時間間隔で連続撮影すると共に、カメラ５１０の設置点から飛翔体までの距離もその度に測定し、逐次、飛翔体の位置及び飛行高度を求めることも可能である。

このように所定時間の連続撮影を行うと、飛行軌跡が１本の線になるため、飛翔体位置演算手段５２０の指令によって、ディスプレイやプリンタなどの表示装置に出力させれば、飛翔体の飛行軌跡を表示できる（図７（ｂ）参照）。また、例えば、２秒間隔で、５秒間の連続撮影を複数回行った飛行軌跡を出力すれば、飛翔体がある時間帯において水平飛行した後に旋回した、などといった解析が可能になり、例えば、鳥類の種類毎にこれらのデータを蓄積していけば、鳥類の種類の特定による飛行高度、飛行軌跡の予測に役立つ。

１ 飛翔体用距離測定装置
１０，１１ カメラ
２０，２１ 望遠レンズ
３０ 支持台
５０ 距離算出手段
５００ 飛翔体位置測定装置
５１０ カメラ
５１１ ズームレンズ
５２０ 飛翔体位置演算手段

Claims (7)

1. 飛翔体を撮影する２台のカメラと、
   前記２台のカメラのそれぞれに装着される望遠レンズと、
   前記２台のカメラを所定間隔をおいて支持し、２台のカメラを同期して水平方向及び鉛直方向に回転動作させる支持台と、
   前記２台のカメラにより前記飛翔体を撮影し、２台のカメラの光軸間距離、焦点距離、及び視差から、前記飛翔体までの離間距離を算出する距離算出手段と
   を有することを特徴とする飛翔体用距離測定装置。
2. 前記２台のカメラは、相互間の間隔が、０．５〜１ｍの範囲となるように前記支持台に支持されている請求項１記載の飛翔体用距離測定装置。
3. 離間距離２００〜４０００ｍを飛行する鳥類の撮影用であり、前記望遠レンズとして、焦点距離３００〜１０００ｍｍの範囲のものが装着されている請求項１又は２記載の飛翔体用距離測定装置。
4. 離間距離１０００〜２０００ｍを飛行する鳥類の撮影用であり、前記望遠レンズとして、焦点距離５００〜８００ｍｍの範囲のものが装着されている請求項３記載の飛翔体用距離測定装置。
5. 前記２台のカメラは、前記飛翔体の離間距離の範囲内で各光軸が交差する姿勢で前記支持台に装着されている請求項１〜４いずれか１に記載の飛翔体用距離測定装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１に記載の飛翔体用距離測定装置と、
   前記飛翔体用距離測定装置によって離間距離を測定する飛翔体の２次元画像を取得するカメラと、
   前記飛翔体用距離測定装置から得られる前記飛翔体の離間距離データと、前記カメラにより得られる前記飛翔体の２次元画像とを用いて、前記飛翔体の位置情報を求める飛翔体位置演算手段と
   を具備することを特徴とする飛翔体位置測定装置。
7. 前記カメラにズームレンズが装着されている請求項６記載の飛翔体位置測定装置。

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