JP2015114358A - 画像揺れ防止装置及びカメラシステム - Google Patents

Abstract

【課題】撮像素子の種類によらず、画像揺れが防止された良好な画像が得られ、カメラの小型化及びＰｏＥを用いたシステム化が容易となる画像揺れ防止装置を提供する。
【解決手段】）カメラ部(CM)をパン動作させる第１のモータ(Mp)と、カメラ部(CM)をチルト動作させる第２のモータ(Mt)と、カメラ部(CM)に取り付けられた加速度センサ(9)と、パン動作及びチルト動作を実行していない状態で、カメラ部(CM)に加速度が生じた場合、加速度センサ(9)から出力されたセンサ信号(SN2)に基づいてカメラ部(CM)に生じた加速度を減少させるよう第１のモータ(Mp)及び第２のモータ(Mt)の動作を制御する制御部(20)と、を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、画像揺れ防止装置及びカメラシステムに係り、特に、パンチルト動作可能とされた撮像カメラの画像の揺れを防止する画像揺れ防止装置及びカメラシステムに関する。

パン動作，チルト動作，及びズーム動作を遠隔操作できるいわゆるＰＴＺカメラ(以下、単にカメラとも称する)を用いた監視用のカメラシステムが知られている。
各動作には、駆動源としてモータが用いられる。特にパン動作及びチルト動作用のモータには、高速応答及び高精度の位置決めが可能なＤＤ（ダイレクトドライブ）モータが採用される場合が多い。

カメラシステムにおいて、カメラが屋外の鉄塔などに設置されていると、風に揺すられたときに画像揺れが生じる。また、幹線道路沿いや機械設備の近傍に設置されていると、車両の走行や機械の動作により常に振動が与えられて定常的な画像揺れが生じる。
これらの画像揺れは、ズームレンズの高倍率化により、近年、顕著に認識されるようになっており、画像揺れが大きい場合、監視作業の妨げになる場合がある。

そこで、画像揺れを防止するための工夫が種々提案されている。特許文献１には、カメラにセンサを設けてそのカメラの揺れを検出し、検出した揺れを補正するように、レンズ若しくは撮像素子を動かす光学式補正、又は撮像素子からの画像切り出し位置を動かす電子式補正、を実行して画像の揺れを補正することが記載されている。

特開２００９−１３９８２７号公報

ところで、近年、撮像素子としてＣＣＤセンサに替えてＣＭＯＳセンサが用いられるようになってきている。ＣＭＯＳセンサは、ローリングシャッタ方式のため、画像揺れを、撮像素子からの画像切り出し位置を動かす電子式補正で補正すると、動作条件によっては画像の歪みが生じ、良好な画像が得にくい。

一方、レンズや撮像素子を動かす光学式補正で補正する場合、レンズを経て撮像素子に達する光束の位置や角度が変化する。そのため、レンズの特性が最高となる中央領域以外の領域を多用することになり、高画質の良好な画像を得にくい。また、レンズや撮像素子の移動量を大きくとれないので、揺れが大きい場合に十分な補正ができず、良好な画像を得にくい。また、レンズ内に駆動機構を配置するスペースが必要であり、カメラの小型化に限界が生じる。また、駆動機構の動作により消費電力が増加し、カメラがＰｏＥ（Power over Ethernet)（登録商標）でシステム化されている場合には、電力の余裕度が低下しＰｏＥシステム化が難しい、など、撮像素子の種類によらない問題が生じる。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、撮像素子の種類によらず、画像揺れが防止された良好な画像が得られ、カメラの小型化及びＰｏＥを用いたシステム化が容易となる画像揺れ防止装置及びカメラシステムを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は次の構成を有する。
１） カメラ部(CM)をパン動作させる第１のモータ(Mp)と、
前記カメラ部(CM)をチルト動作させる第２のモータ(Mt)と、
前記カメラ部(CM)に取り付けられた加速度センサ(9)と、
前記パン動作及び前記チルト動作を実行していない状態で、前記カメラ部(CM)に加速度が生じた場合、前記加速度センサ(9)から出力されたセンサ信号(SN2)に基づいて前記カメラ部(CM)に生じた加速度を減少させるよう前記第１のモータ(Mp)及び前記第２のモータ(Mt)の動作を制御する制御部(20)と、
を有する画像揺れ防止装置(GB)である。
２） カメラ部(CM)と、前記カメラ部(CM)をパン動作させる第１のモータ(Mp)と、前記カメラ部(CM)をチルト動作させる第２のモータ(Mt)と、前記カメラ部(CM)に取り付けられた加速度センサ(9)と、を有するカメラ(1)と、
前記カメラ(1)に接続されて前記前記第１のモータ(Mp)及び前記第２のモータ(Mt)の動作を制御する制御装置(20)と、
を有して構成され、
前記制御装置(20)は、前記パン動作及び前記チルト動作を実行していない状態で、前記カメラ部(CM)に加速度が生じた場合、前記加速度センサ(9)から出力されたセンサ信号(SN2)に基づいて前記カメラ部(CM)に生じた加速度を減少させるよう前記第１のモータ(Mp)及び前記第２のモータ(Mt)の動作を制御するカメラシステム(51)である。

本発明によれば、撮像素子の種類によらず、画像揺れが防止された良好な画像が得られ、カメラの小型化及びＰｏＥを用いたシステム化が容易になる、という効果を奏する。

本発明の実施の形態に係るカメラシステムの実施例のカメラシステム５１を説明するためのシステム全体図である。 カメラシステム５１に用いられているカメラ１を説明するための斜視図である。 本発明の実施の形態に係る画像揺れ防止装置の実施例である画像揺れ防止装置ＧＢを説明するためのブロック図である。 カメラ１に設けられているカメラ部ＣＭの揺れを説明するための図である。 画像揺れ防止装置ＧＢを説明するための別のブロック図である。

本発明の実施の形態に係る画像揺れ防止装置及びカメラシステムを、好ましい実施例により、図１〜図５を参照して説明する。

説明する実施例は監視用のカメラシステム５１である。カメラシステム５１は、図１に示されるように、ドームカメラＤＣに搭載されたＰＴＺカメラであるカメラ１と、カメラ１に有線又は無線で接続された制御装置２０と、を有して構成されている。
カメラ１のパン動作，チルト動作，及びズーム動作は、制御装置２０によって制御される。監視動作の制御状況やカメラ１で撮影した画像（動画像、静止画像を含む）などは、制御装置２０に接続された画像表示装置３０に表示される。
また、動作や処理の指示は、作業者によって、制御装置２０に接続された入力装置３１を介して入力される。

制御装置２０は、演算部２１，モータ駆動部２６，パンチルト動作解析部２７，及び記憶部ＭＲを有している。
また、カメラシステム５１において、加速度センサ９，演算部２１，モータ駆動部２６，パンチルト動作解析部２７，記憶部ＭＲ，並びに，モータＭｐ及びモータＭｔにより画像揺れ防止装置ＧＢが構成される。

図２は、カメラ１を説明するための外観斜視図である。説明上、図２に示される矢印の方向を上下左右前後の各方向として規定する。

カメラ１は、撮像レンズ２及び撮像レンズ２の結像を電気信号に変換する撮像素子Ｓを有する本体部３と、本体部３の左右両側にそれぞれ連結された一対の支持ブラケット４と、本体部３と支持ブラケット４とに上下両側でそれぞれ連結され球殻の一部を呈する一対のベースフレーム５と、を有している。ベースフレーム５は、ヒートシンクとしても機能する部材であり、広い表面積を得るために凹凸を有する球殻状とされている。
すなわち、撮像レンズ２と本体部３と一対の支持ブラケット４と一対のベースフレーム５とは、カメラ部ＣＭとして一体化されている。
撮像素子Ｓからの信号は画像信号ＳＮ１（図１参照）としてカメラ部ＣＭから出力され、制御装置２０に向け送られる。

カメラ部ＣＭは、左右に配置された一対の支持プレート６により、軸線ＣＬ１回りに回動自在に支持されている。この回動は、一方の支持プレート６に取り付けられたＤＤモータであるモータＭｔの駆動により行われる。
一対の支持プレート６は、上方においてトッププレート７に連結されている。トッププレート７は、モータＭｐの出力軸（ロータ側）に連結されている。このモータＭｐのハウジング（ステータ側）は、ドームカメラＤＣ側の取り付けプレート８に固定される。
すなわち、トッププレート７にカメラ部ＣＭが軸線ＣＬ２まわりに回動可能に支持されている。この回動は、ＤＤモータであるモータＭｐの駆動により行われる。
モータＭｔ及びモータＭｐの駆動は、制御装置２０によって制御される。

カメラ部ＣＭには、三軸の加速度センサ９が備えられている。加速度センサ９は、重力方向を含めて互いに直交する三方向の加速度を検出し、センサ信号ＳＮ２（図１参照）として出力する。センサ信号ＳＮ２は、カメラ部ＣＭから画像信号制御装置２０に向け送られる。

上述の構成により、カメラ１は、ドームカメラＤＣに取り付けられた状態で、モータＭｐの駆動によりパン動作（矢印ＤＲ１参照）が実行され、モータＭｔの駆動によりチルト動作（矢印ＤＲ２参照）が実行される。
また、ドームカメラＤＣから制御装置２０に対し、画像信号ＳＮ１及びセンサ信号ＳＮ２が送られる。

次に、設置されたドームカメラＤＣに対して外部から力が加わり、カメラ部ＣＭに揺れが生じる場合の、画像揺れ防止装置ＧＢによる制御について、図３〜図５を主に参照して説明する。
画像揺れ防止装置ＧＢの演算部２１は、前処理部２２，揺れ解析部２３，補正信号生成部２４，後処理部２５，及びパンチルト動作解析部２７を有している（図５参照）。
まず、パンチルト動作を実行していないときにカメラ部ＣＭに揺れが生じる場合について説明する。

ドームカメラＤＣやそれを支える支柱などの支持部材に、例えば風圧による力が付与されることで、支持部材がドームカメラＤＣと共に揺れる。この揺れの開始は、カメラ部ＣＭに備えられた加速度センサ９により三軸の加速度成分の変化として、センサ信号ＳＮ２に含まれ、制御装置２０に向け送られる。

制御装置２０に入来したセンサ信号ＳＮ２は、演算部２１で処理される。
演算部２１では、前処理部２２において増幅，フィルタリング，及びＡ／Ｄ変換等の処理が施されて、揺れ解析部２３に送られる。

揺れ解析部２３は、加速度センサ９からのセンサ信号ＳＮ２を常時監視している。この監視において加速度の発生が検出されたら、その検出内容を加速度情報α１とし、その加速度情報α１から、軸線ＣＬ２に直交する方向（パン方向）の揺れ加速度成分Ｙｐと、軸線ＣＬ１に直交する方向（チルト方向）の揺れ加速度成分Ｙｔと、を求める。
この揺れ加速度成分Ｙｐ，Ｙｔは、カメラ部ＣＭにおける揺れを生じさせる加速度のパン方向及びチルト方向それぞれの成分である。

揺れ解析部２３が求めた揺れ加速度成分Ｙｐ，Ｙｔに基づいて、補正信号生成部２４は、その加速度を相殺するようにパン動作及びチルト動作を実行するための相殺加速度情報ｎα１を生成する。
相殺加速度情報ｎα１は、原則、加速度情報α１の加速度成分の符号を反転して生成される。すなわち、補正信号生成部２４は、揺れ加速度成分Ｙｐ，Ｙｔの符号を反転して補正加速度成分−Ｙｐ，−Ｙｔを生成する。
そして、補正加速度成分−Ｙｐ及び補正加速度成分−Ｙｔに対応した回動動作をモータＭｐ，Ｍｔで実行させるための動作信号ＳＮ３を生成する。

動作信号ＳＮ３は、後処理部２５によるＤ／Ａ変換等の処理を経て、モータドライバであるモータ駆動部２６送られる。モータ駆動部２６は、動作信号ＳＮ３に基づいて生成したモータ駆動信号ＳＮ３ｐ，ＳＮ３ｔによりモータＭｐ，Ｍｔを駆動する。

このように、制御装置２０は、パンチルト動作を実行していないときには、カメラ部ＣＭに生じた加速度に基づいて、その加速度から生じる揺れを可能な限り相殺するパン動作及びチルト動作を行うようにモータＭｐ，Ｍｔをクローズドループ制御する。モータＭｐ，Ｍｔの回転は、図示しないＦＧセンサから出力されるＦＧ信号によりそれぞれ制御装置２０にフィードバックされる。

図４は、カメラ１に揺れが生じた場合のカメラ部ＣＭの揺れの時間経過を、画像揺れ防止装置ＧＢの制御有無で比較するための図である。縦軸は揺れの振幅であり、横軸は時間ｔである。
図４において、画像揺れ防止装置ＧＢでの制御を行っていない場合が一点鎖線ＬＮ１で示され、制御を行った場合が実線ＬＮ２で示されている。カメラ１には同じ外力が付与されている。

図４から明らかなように、画像揺れ防止装置ＧＢの制御により、カメラ部ＣＭの揺れは、ほぼ無くなっている。
すなわち、ドームカメラＤＣ全体としては、外部からの振動により揺れるものの、支持ブラケット４，支持プレート６，及びトッププレート７により支持されたカメラ部ＣＭの姿勢は、揺れを相殺させるパン動作及びチルト動作により、揺れのない場合からほとんど変化しないように制御されている。すなわち、カメラ部ＣＭが、天地水平方向を基準とする絶対姿勢を常に維持するように制御される。

次に、パン動作又はチルト動作の実行中に揺れが生じた場合の揺れ防止制御について説明する。
パン動作及びチルト動作の指示は、作業者により入力装置３１を介して入力される。入力装置３１は、入力された指示内容を、入力信号ＳＮ４として制御装置２０に向け出力する。
制御装置２０に入来した入力信号ＳＮ４は、パンチルト動作解析部２７に入力される。

パンチルト動作解析部２７では、指示されたパン動作及びチルト動作を実行した場合にカメラ部ＣＭに生じる加速度を加速度情報α２として求め、補正信号生成部２４に供給する。
加速度情報α２は、カメラ部ＣＭにおけるパン方向のパンチルト加速度成分Ｓｐ及びチルト方向のパンチルト加速度成分Ｓｔを含む情報である。

パンチルト動作解析部２７は、加速度情報α２を、カメラ部ＣＭを含むパンチルト動作で稼動する稼動部分の質量及び慣性モーメントなどの物理量と、パンチルト動作の指示内容、詳しくはパン動作及びチルト動作の、各動作量，各動作方向，及び各動作速度等の指示量と、から求める。稼動部分の質量や慣性モーメント等の物理量は、予め記憶部ＭＲに記憶されている。

補正信号生成部２４は、センサ信号ＳＮ２に基づいて揺れ解析部２３が生成した加速度情報α１から相殺加速度情報ｎα１を生成する。
次いで、補正信号生成部２４は、生成した相殺加速度情報ｎα１とパンチルト動作解析部２７からの加速度情報α２とを合算し、パン方向の補正加速度成分Ｓｐ−Ｙｐと、チルト方向の補正加速度成分Ｓｔ−Ｙｔと、を生成する。
そして、補正加速度成分Ｓｐ−Ｙｐ，Ｓｔ−Ｙｔに対応した回動動作をモータＭｐ，Ｍｔで実行させるための動作信号ＳＮ５を生成する。

動作信号ＳＮ５は、後処理部２５によるＤ／Ａ変換等の処理を経て、モータドライバであるモータ駆動部２６送られる。モータ駆動部２６は、動作信号ＳＮ５に基づいて生成したモータ駆動信号ＳＮ５ｐ，ＳＮ５ｔによりモータＭｐ，Ｍｔを駆動する。

このように、制御装置２０は、パンチルト動作実行中の場合、カメラ部ＣＭに生じた加速度及び入力装置３１から指示されたパンチルト動作で生じる加速度に基づいて、カメラ部ＣＭの外力による揺れを可能な限り相殺しつつ指示されたパン動作及びチルト動作を行うようにモータＭｐ，Ｍｔをクローズドループ制御する。
換言するならば、制御装置２０は、外部から指示されたパンチルト動作に基づく加速度に対しては、それを相殺又は減少させる補正をせず、揺れに起因する加速度に対してのみ、それを相殺するよう補正を行う。

これにより、カメラシステム５１においては、パンチルト動作を実行中に、外力によってカメラ１が揺れる状態になっても、カメラ部ＣＭが、その揺れの影響を受けずに天地水平方向を基準とする絶対パンチルト動作を実行するようにカメラ部ＣＭパン動作及びチルト動作が独立して制御される。

カメラシステム５１において、カメラ１のモータＭｐ，Ｍｔには、高分解能でｍＳｅｃ単位での高速制御が可能なＤＤモータを用いることが好ましい。これにより、ドームカメラＤＣに、通常の設置状態で生じ得る揺れの周波数（例えば数百Ｈｚ以下）に対し、その揺れをほぼ相殺するようにカメラ部ＣＭのパンチルト動作を行うことができる。従って、より良好な画像が得られる。

上述のパンチルト動作実行中の揺れ防止制御は、上述の制御装置２０の構成及び手順に限定されるものではなく、適宜変形が可能である。
画像揺れ防止装置ＧＢは、カメラ部ＣＭからの画像の揺れを少なくとも減少させるものであればよく、さらには画像の揺れがゼロとなるよう制御できることが望ましい。

本発明の揺れ防止装置及びカメラシステムは、電子式ではなくカメラ部ＣＭ全体を移動させて揺れを防止するものであるから、撮像素子ＳがＣＭＯＳセンサであっても、画像の歪みが生じない。
また、光学式ではなくカメラ部ＣＭ全体を移動させて揺れを防止するものであるから、光束はレンズの特性が最高となる中央領域を通過する。これにより、高画質の良好な画像を得られる。
また、揺れ防止の動作に、パンチルト動作のために備えられた既存の構造を用いるため、移動量を大きくとることができる。そのため、揺れが大きい場合でも十分な補正ができる。
また、揺れ防止の動作に、パンチルト動作のために備えられた既存の構造を用いるため、レンズ内に駆動機構を配置するスペースが不要である。これにより、カメラの小型化が容易である。
また、揺れ防止の動作に、パンチルト動作のために備えられた既存の構造を用いるため、消費電力の増加が抑制される。これにより、電力余裕度の低下が最小限に抑制され、ＰｏＥシステム化が容易となる。

本発明の実施例は、上述した構成及び手順に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変形例としてもよい。

加速度センサ９は、パンチルト動作が一体的に行われる部材（カメラ部ＣＭ）に取り付けられていればよいが、部材の共振等の影響を排除し、取得する画像の揺れに影響する加速度を正確に検出するために、撮像レンズ２の光軸ＣＬにできるだけ近い位置に取り付けられているのが好ましい。具体的には、撮像レンズ２を保持するレンズ枠などである。

１ カメラ
２ 撮像レンズ
３ 本体部
４ 支持ブラケット
５ ベースフレーム
６ 支持プレート
７ トッププレート
８ 取り付けプレート
９ 加速度センサ
２０ 制御装置
２１ 演算部、 ２２ 前処理部、 ２３ 揺れ解析部
２４ 補正信号生成部、 ２５ 後処理部、 ２６ モータ駆動部
２７ パンチルト動作解析部
３０ 画像表示装置、 ３１ 入力装置、 ５１ カメラシステム
ＣＬ１，ＣＬ２ 軸線
ＣＭ カメラ部
ＤＣ ドームカメラ
ＧＢ 画像揺れ防止装置
ＭＲ 記憶部
Ｍｐ，Ｍｔ モータ
Ｓ 撮像素子
ＳＮ１ 画像信号、 ＳＮ２ センサ信号、 ＳＮ３，ＳＮ５ 動作信号
ＳＮ３ｐ，ＳＮ３ｔ，ＳＮ５ｐ，ＳＮ５ｔ モータ駆動信号
ＳＮ４ 入力信号
Ｓｐ，Ｓｔ パンチルト加速度成分
Ｙｐ，Ｙｔ 揺れ加速度成分
α１，α２ 加速度情報、 ｎα１ 相殺加速度情報

Claims (2)

1. カメラ部をパン動作させる第１のモータと、
   前記カメラ部をチルト動作させる第２のモータと、
   前記カメラ部に取り付けられた加速度センサと、
   前記パン動作及び前記チルト動作を実行していない状態で、前記カメラ部に加速度が生じた場合、前記加速度センサから出力されたセンサ信号に基づいて前記カメラ部に生じた加速度を減少させるよう前記第１のモータ及び前記第２のモータの動作を制御する制御部と、
   を有する画像揺れ防止装置。
2. カメラ部と、前記カメラ部をパン動作させる第１のモータと、前記カメラ部をチルト動作させる第２のモータと、前記カメラ部に取り付けられた加速度センサと、を有するカメラと、
   前記カメラに接続されて前記第１のモータ及び前記第２のモータの動作を制御する制御装置と、
   を有して構成され、
   前記制御装置は、前記パン動作及び前記チルト動作を実行していない状態で、前記カメラ部に加速度が生じた場合、前記加速度センサから出力されたセンサ信号に基づいて前記カメラ部に生じた加速度を減少させるよう前記第１のモータ及び前記第２のモータの動作を制御するカメラシステム。

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