JP2021522539A - 自動カメラヘッド及び操作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】自動カメラの操作精度を改良する。
【解決手段】本発明は、映像カメラのパン及びチルトを行う自動カメラヘッドである。当該自動カメラヘッドは、カメラの対物レンズのリング制御において作動すべく作られた、少なくとも１つのリングアクチュエータを備える。リング制御は、ズームと、絞りと、焦点との１つであり、リングアクチュエータは、リング制御に適用されたトルクを意味する信号を運ぶトルク計測ユニットを備える。

Description

本発明は、ロボット化されたカメラを用いて自動的に動く物体を撮影するシステムに関する。

ロボット機器に取り付けられたカメラを使用して動く物体を自動的に撮影するように設計されたアルゴリズムは、動的に変化するシーンで、人間の操作者と同じ性能を達成するのに苦労している。
目に見える主要な問題は次のとおりである。
ａ）カメラの「ロボットみたいな」の動き、
ｂ）不必要な動き、
ｃ）１シーンへの遅すぎる反応、
ｄ）人間に明らかなものへの不適応、
ｅ）カメラのマイクに拾われてロボット部品の運動音がわかること

本発明の課題は、以下の事項による。

プロの自動カメラは、カメラをパン及びチルトするアクチュエータに加えて、例えば、カメラの光学系の設定を制御すべく接続されている１つ又はいくつかのアクチュエータを備えるものがある。当該カメラの光学系の設定とは、例えば、レンズの口径（絞り）、焦点距離（ズーム）、又は集束距離、又はカメラ又はカメラに接続された対物レンズのその他の意味のある設定のようなことである。そのようなアクチュエータは、そのような制御の従来の形態を指して「リングアクチュエータ」と呼ばれることが多い。そしてこの慣行に、以下の説明及び特許請求の範囲は従うが、本発明は、リング形状ではない「リングアクチュエータ」が制御に作用する変形を含んでよいものとする。

リング制御の精密作動は、しばしば、従来の自動カメラの弱点である。本発明の重要な側面は、自動カメラの操作の精度にある。

本発明によると、これらの課題は、ここに記載されるとともに特許請求の範囲のシステムによって達成される。

特に、既知の解決策の制限の分析から、本発明は生じている。当該制限とは、パン及びチルトに関するのみならず、焦点、ズーム及び絞りにおける対物レンズの調整のために、従来技術の自動カメラヘッドではカメラの動きが制御できていないところに認識されている制限である。

本発明は、例示及び図示される実施形態の説明を用いて、よりよく理解されるであろう。

図１は、本発明の一態様によるカメラヘッドの図を示す。 図２ａは、焦点、絞り、又はズームなどの対物レンズの動作変数を設定するためのリングアクチュエータを示す。 図２ｂは、焦点、絞り、又はズームなどの対物レンズの動作変数を設定するためのリングアクチュエータを示す。 図３は、Ｌ字型のパンプラットフォーム、ハンドル、及び安全スイッチを備えたカメラヘッドを含む本発明の変形例を示す。 図４は、取り外し可能なリギングプラットフォームを備えたカメラヘッドを示す。 図５は、構成要素（ｃｏｓｔｉｔｕｅｎｔｓ）で分けたリギングプラットフォームを示す。

図１が示すように、本発明は、映像カメラをパン及びチルトする自動カメラヘッド（雲台）に関し、これは、三脚などの固定支持体、可動プラットフォーム、又は、自動ロボットかもしれない車両に搭載可能な、基部２０を備える。三脚のペデスタルの高さは、適切な自動制御によって設定可能である。

基部２０は、パン軸線６１を中心に回転可能な「パンプラットフォーム」とも呼ばれる中間要素３０を取り付けている。回転はモータ２５により決定され、回転角はエンコーダにより正確に捕捉されて読み取られる。

本発明の重要な態様によれば、モータ２５は、タイミングベルトなしでパンプラットフォーム３０を直接駆動するブラシレスＤＣ（直流）モータである。この解決手段には、静かであることと、非常に高速な回転速度が可能であるという有利点がある。モータは、モータを任意の角度でロックする可能性を含め、速度と角度位置の両方でロボットを制御できる特別な電子駆動部によって駆動される。変形例では、ブラシレスＤＣモータは、ひずみ波歯車又は別の低バックラッシュ低減を介してパンプラットフォーム３０を駆動する。

電動機の速度と波動歯車装置の減速比は、希望するパン角速度を考慮して選択される。典型的な一実現化では、最大パン速度は１８０度／秒でよい。これは３０００ｒｐｍのモータ速度及び１００÷１の減速で達成可能であるが、これは本発明の必須の特徴ではない。減速率は２０÷１から２００÷１の間でなされるとしてもよい。

中間要素３０は、図１に示されるような「Ｕ」形状、又は「Ｌ」形状、又は任意の他の適切な形状を有しよい。「Ｕ」字型は、優れた剛性の実現のため、２つのベアリング間の傾斜プラットフォームをジャーナル軸受できるようにする。
「Ｌ」字型は軽量で持ち運びに便利となる。Ｌ字型パンプラットフォームを含む実施形態は、図３を参照してさらに開示される。

エンコーダは、１回転あたり少なくとも１００ｋ（１０万）ポイント、又は同等に、１６ビットよりも優れた解像度、できればそれ以上の解像度を生成する。１９ビット及び２０ビットのエンコーダは、１回転あたりそれぞれ５０万以上、１００万以上のコードを生成し、満足のいく結果を提供してきた。この結果は、１つ又は複数の高解像度ＡＤＣ（アナログ信号をデジタルデータに変換するコンバータ）により、エンコーダによって生成された２つの直交正弦波アナログ信号をデジタル化し、特別にプログラムされたＦＰＧＡでの必要な三角関数の計算を行う、正確な補間器によって得られる。しかしながら、補間器には他の構造もありえる。エンコーダの速度は、エラーなく最大速度でパンプラットフォームの動きをキャプチャするのに十分な速くなくてはならない。

好ましくはモータ２５及び中間要素を支持する軸部は、ケーブルの配線を簡素化するために中空である。

パンプラットフォーム３０は、パン軸線６１に直交するチルト軸線６５の周りを回転可能なカメラ保持部４０に取り付けられている。従来、パン軸線は鉛直であり、チルト軸線は水平である。そして本開示では、「水平」及び「鉛直」という用語は、本発明のカメラヘッドが作動しているときに、パン軸線及びチルト軸線の従来の位置を示すために使用される。しかしながら、本発明はこの配置に限定されず、実際、基部２０は、軸線６０が傾斜するように傾斜したプラットフォームに取り付けることもあろう。

チルト軸線６５の周りの回転は、１つ又は２つのモータ３５によって保証され、ここでも、チルト角は、高速エンコーダによって読み取られる。パン軸線に関しては、チルトモータ又はモータ３５は、好ましくは、中空軸部を備え、カメラ保持部を直接駆動する、又は適切な減速の波動歯車を介して駆動するＤＣブラシレスモータである。チルト軸線の公称速度は、基本的にパン軸線の速度と同じか、わずかに遅い場合がある。瞬間チルト角は、パン軸線上のエンコーダの分解能に匹敵する分解能、例えば、１回転あたり１０万コード、好ましくは１回転あたり少なくとも１００万コードと、適切な速度とを有する高精度エンコーダによって読み取られる。

パン軸線とチルト軸線に直交する、ロール移動用の３番目の軸も追加してもよい。シネマトグラフィーでは意図的なロールの動きはめったに使用されないため、ロール軸線の主な目的は位置決め誤りの補正である。したがって、ロール軸線の角度制限、速度、及び動的特性は、パン軸線及びチルト軸線の特性よりもかなり低くなる可能性がある。

図２ａ及び図２ｂは、クランプ１２５によってカメラ保持部４０又はカメラ自体に固定され、ギア１３０によってカメラの対物レンズ上のリング上で動作するリングアクチュエータに関する。このアクチュエータの目的は、光学対物レンズの可能なリング制御、典型的には絞り、焦点、又はズーム制御に作用することである。

歯車１３０の角度もまた、適切なエンコーダによって読み取られるか、又は歩数カウントによって推定される。好ましくは、リング制御部は、リング上の機械的トルクを読み取って利用可能にする、トルク測定ユニットを備える。トルク測定ユニットは、適切な機械的センサーであってもよく、あるいはほかに、トルクは、モータ１５０の電気的動作変数から導き出されてもよい。リングの動きに必要な速度は、一般に、ズーム及びパンに必要な速度よりも遅く、リングアクチュエータは、タイミングベルト１６０、ギアボックス、又は別の適切な構成などの減速手段を備えることがある。電子ユニット１８０は、モータ１５０を駆動し、エンコーダと接続するように構成されている。

重要なのは、パン−チルト動作と対物リングの制御は、エンコーダによって測定された角度にアクセスする制御部（図示なし）のタスクである。本発明の好ましい一変形において、制御部は、アクチュエータがパン−チルトアクチュエータ又はリングアクチュエータに応じて、アクチュエータの運動の物理的限界を決定する較正モードを有する。リングがその許容範囲の限界まで押されたということを通知する増加を検出すべく、それぞれのモータを動かし、トルクを監視しすることで、当該物理的限界を決定するか、あるいは、トルクが直接読み取られない場合は、エンコーダからアクチュエータの物理限界を記録することで、当該物理的限界を決定する。

さらなる較正段階では、制御部は、各アクチュエータ、特にズームリングの設定と対物レンズの視野との間のマップを決定する。これは、リングのそれぞれの望ましい位置で、カメラヘッドのパンと、チルトとの少なくとも一方を行っているときに、同じシーンの２つ又は複数の画像撮影によって行われる。カメラヘッドの角度は連続的又は段階的に変更可能であり、各画像がキャプチャされる角度はエンコーダによって正確にわかる。

自動ビジョンソフトウェアは、各画像内の特徴を特定して、異なるパン／チルト設定において取得された画像にわたって、特定された特徴を組みにするべく、較正のこのステップにおいて使用される。このようにして、ソフトウェアは、角度の変化とリングの設定ごとに画像内の主要な特徴の変位を決定可能であるため、ズームリングの設定ごとに視野とピクセルと角度の関係を再構築できる。このマッピングは、自動追跡システムで使用され、画像の２Ｄ画素ではなく、物理的な３Ｄ空間での追跡の問題を処理する。

この機能は、ロボット手段による視野の正確な制御を可能にするため、特に有利である。特に、リング設定と焦点距離の間の非線形性は、自動的に明らかにされて修正される。

較正は、異なる焦点設定で撮影された画像を自動分析し、ピントが合っている重要特徴の距離を決定することで、焦点リングにも拡張可能である。これは、距離が事前にわかっている点を含む画像を撮影するか、他の適切な手段で重要特徴の距離を決定することによって取得可能である。カメラが、カメラドリー、可動プラットフォーム、又は自動ペデスタルに取り付けられている場合、重要特徴の距離は、既知の距離だけ離れた２つの異なる位置から撮影された２つの画像間の視差シフトによって決定可能である。

焦点リング角度と焦点距離の間のマッピングは、絞りの異なる設定に対して繰り返される。

自動較正は、動的変数の決定及び調整を含むことがある。これらは、カメラ保持部に取り付けられた映像カメラにより、パン回転軸及び／又はチルト回転軸の角度を変更することと、角度の変更中の映像データのキャプチャすることとによる。振動、ジャーキネス、ダンピングなどの動的変数を抽出すべく、処理部は映像データを分析して、カメラ／カメラヘッド組立体の動的モデルを適応させる場合もあり、キャプチャされた映像データに基づいてパン回転軸線及び／又はチルト回転軸線の動的変数の許容範囲を決定する。

重要なのは、上記の自動較正は、カメラリグを再調整又は変更するたび（例えば、レンズを変更した後、テレプロンプターやその他の付属品を追加した後）に実行されることである。好ましくは、完全に自律的な動作のために、較正を決定するソフトウェアリソースは、完全に又は部分的に自動ヘッドファームウェアに埋め込まれている。

好ましい実施形態では、本発明の自動カメラヘッドは、モジュラープラットフォームを備え、当該プラットフォームは、カメラに取り付け可能であり、カメラ保持部に解除可能に接続されるオフラインリグプラットフォーム用のものである。カメラとレンズのアクチュエータは、工具なしでパン−チルトユニットのカメラ保持部に簡単に取り付ける可能なリグプラットフォームに取り付けて固定可能である。

図３に見られる別の変形によれば、本発明の自動カメラヘッドの中間要素３０は、パンモータに接続された水平アーム及びチルトモータに接続された鉛直アームを備えた「Ｌ」字形であり、ハンドル８２は、鉛直アームの上端にある。有利なことに、ハンドル８２は、手が届きやすく、全体の重心より上にあるため、カメラヘッドを容易に持ち上げ及び運搬可能である。

好ましくは、カメラヘッドは、コンピュータ又はコンピュータのネットワークに接続可能であり、外部システムから受信した指示に従って、パン軸線及びチルト軸線と、リングアクチュエータとの少なくとも一方を駆動するように配置された通信インタフェースを有する。好ましい変形例では、カメラヘッドは、ボタン８５などの入力装置を有し、入力装置は、モータがゼロトルクモードに置かれる手動状態にカメラヘッドを設定するように配置されている。

手動状態では、全ての自動移動が禁止され、通信インタフェースから受信した全ての指示が無視又は一時停止される。パン軸線及びチルト軸線と、カメラの他の自由度とは同様に、停止されているか、手動で移動可能となっていてもよい。ボタン８５は安全機能であり、好ましくは同格の視覚的フィードバック、例えば、カメラヘッドが手動状態にあるときに信号を送るボタン内又はボタンの近くの明かりと組み合わせて、安全に接近できるようになっている。

重要なことに、ボタン８５は、システム全体の電源を切ったりリセットしたりすることなく、したがって、現場での映像化セットアップでは望ましくない既存の較正状態を失うことなく、カメラに近づき、必要な手動調整の実行を可能にする。

図４と図５は、カメラヘッドに取り付けられるオフラインのリグプラットフォームと、その構成要素が分解されたものとを示す。リグ（ｒｉｆｆｉｎｇ）プラットフォームは、支持体９１上で直線的に摺動するように配置された摺動部９２を備える。摺動部９２及び支持体９１上の一対の嵌合アリ溝面、又は協調面の同様の配置は、これらの２つの部分の間の滑らかな相対運動を確実にする。支持部９１はチルトプラットフォーム４０に取り付ける可能であり、摺動部９１は、映像カメラ（図示せず）を受け入れて保持するスロット、穴、又は他の適切な取り付け点を有する。

リグプラットフォームは、端部キャップ９４によって平行構成に保持された２つのバー９５を備えた延長部を備え、延長部が端部キャップ９４に正確にはめ込まれる。バー９５は、それぞれのクランプ１２５によって１つ、２つ、又はそれ以上のリングアクチュエータを取り付けるために使用される（図２ｂを参照）。スペーサ９３は、必要に応じて、具体的には対物レンズの直径に応じて、バー９５とカメラの光軸との間の垂直距離を変更するために、変更可能であるか、又は他の互換性のあるスペーサに積み重ね可能である。

有利なことに、支持部９１は、カメラヘッドに恒久的に取り付けられる唯一の部分である。一方で、摺動部２９は、関連するバー９５と共に、容易にスライドして入れたり、スライドして出したり可能であり、つまみねじ９７によって固定可能になっている。このようにして、対物レンズの選択、カメラへの取り付け、リングアクチュエータの装備、及びレンズとの係合の操作は、実験室又は別の便利な場所で、セット一式ではなくリグプラットフォーム上で実行可能である。

２０ 基部
２５ パンアクチュエータ、パンモータ及び減速機
３０ 中間要素、パンプラットフォーム
３５ チルトモータと減速機
４０ カメラ保持部、パンプラットフォーム
６１ パン軸線（鉛直方向）
６５ チルト軸線（水平方向）
８２ ハンドル
８５ 安全ボタン（上書きする指示）
９１ 支持部
９２ 摺動部
９３ スペーサ
９４ 端部キャップ
９５ バー
９７ つまみねじ
１２０ リングアクチュエータ
１２５ クランプ
１３０ 歯車
１５０ モータ
１６０ 減速機
１８０ 電子基板

Claims (10)

1. 基部（２０）と、
   基部（２０）に接続されていて、パン回転軸線（６１）について、基部（２０）に相対的に回転可能な、中間要素（３０）と、
   中間要素（３０）に接続されていて、パン回転軸線（６１）に垂直なチルト回転軸線（３５）について、中間要素（３０）に相対的に回転可能なカメラ保持部（４０）と、
   中間要素（３０）をパン回転軸線（６１）について動かすように作られているパンアクチュエータ（２５）と、
   カメラ保持部（４０）をチルト回転軸線（３５）について動かすように作られているチルトアクチュエータ（３５）と、
   を備える、映像カメラをパン及びチルトする自動カメラヘッドにおいて、
   パンアクチュエータ（２５）と、チルトアクチュエータ（３５）との少なくとも一方は、カメラ保持部を直接介して、又は、ひずみ波減速歯車を介して、中間要素を駆動する直流ブラシレスモータを備える
   ことを特徴とする、自動カメラヘッド。
2. カメラの対物レンズの制御において作動するように作られているリングアクチュエータ（１２０）を少なくとも１つ備え、
   リング制御は、ズームと、絞りと、焦点との１つである、請求項１に記載の自動カメラヘッド。
3. 較正処理を実行するように作られている制御ユニットを備え、当該較正処理は、
   リングアクチュエータによってリング制御を動かすステップと、
   リング制御の限界角度を決定するステップと、
   リング制御の複数位置における対物レンズの視野を決定するステップと、
   を備える、
   請求項２に記載の自動カメラヘッド。
4. リング制御に適用されるトルクを意味する信号を運ぶトルク計測ユニットを備える、請求項２に記載の自動カメラヘッド。
5. 対物レンズの視野を決定することは、
   異なる複数のパン角度と複数のチルト角度との少なくとも一方において、カメラによって、１シーンの第１画像と第２画像とを、少なくとも取ることと、
   第１画像及び第２画像内に、中心的な特徴を特定して組を作ることと、
   第１画像及び第２画像内の組にした中心的な特徴の分離に基づいて、視野を決定することと、
   を含む、請求項４に記載の自動カメラヘッド。
6. 基部と中間部との間のパン角度と、中間部とカメラ保持部との間のチルト角度との少なくとも一方を意味する信号を運ぶ角度エンコーダを備える、請求項１から５のいずれか一つに記載の自動カメラヘッド。
7. 動的較正処理を実施すべく作られた制御部を備え、当該動的較正処理は、
   パン回転軸線と、チルト回転軸線との少なくとも一方の角度変化を起こすステップと、
   カメラ保持部に搭載されている映像カメラによって、角度変化の間、映像データをキャプチャするステップと、
   キャプチャされた映像データに基づいて、パン回転軸線と、チルト回転軸線との少なくとも一方の、動的変数の許容範囲を決定するステップと
   を備える、
   請求項１から６のいずれか一つに記載の自動カメラヘッド。
8. 前記カメラに取り付け可能であり前記カメラ保持部に解除可能に接続される、取り外し可能なリグプラットフォームを備え、
   当該リグプラットフォームもまたリングアクチュエータを取り付けられて備える、請求項１から７のいずれか一つに記載の自動カメラヘッド。
9. 中間要素は「Ｌ」形状であり、パンモータに接続されている水平腕部と、チルトモータに接続されている鉛直腕部と、鉛直腕部の頂端部にあるハンドル（８２）とを備える、
   請求項１から８のいずれか一項に記載の自動カメラヘッド。
10. 当該カメラヘッドを手動状態に設定すべく作られている入力装置（８５）を備え、当該手動状態は、前記モータがトルクを生成せず、コミュニケーションインタフェースから受信された指示が無視される状態である、請求項１から９のいずれか一項に記載のカメラヘッド。

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