JP4515884B2 - カメラスタビライザ目標位置補正方法 - Google Patents

Description

本発明は、ヘリコプタなどの航空機の機体に搭載され、撮影対象の目標物に関する経度緯度などの位置情報が予め与えられたとき、カメラの視軸をその位置に自動追尾させる機能を備えるカメラスタビライザに関し、特に予め与えられたその目標位置が実際の目標位置からずれているときに、自動追尾対象を実際の目標位置に漸次補正することを可能にするカメラスタビライザ目標位置補正方法に関する。

報道用ヘリコプタ等の航空機から飛行中も対象物を安定に撮影するために、ＴＶカメラ等のカメラは通常カメラスタビライザに搭載する。カメラスタビライザは、３軸の自由度を有するジンバルを備える。該ジンバルの台座は、航空機の所定位置に固定される。ジンバルには、カメラと、カメラの視軸の方向を検出するジャイロとが搭載される。ジンバルの各軸の角度はジンバル角として検知される。

地図などから撮像対象の位置を目標位置として入力し、また航空機の位置をＧＰＳ（Global Positioning System）で取得すれば、カメラ視軸が指向するべき方向（目標方向）が計算できるので、カメラの視軸方向をジャイロで検知することにより、目標方向とカメラ視軸方向との差を追尾誤差として計算し、追尾誤差を最小にする制御ループを構成することにより、航空機の飛行中にもカメラ視軸を目標位置に自動的に指向させる位置追尾が可能である。

特許文献１（特開２００１−３５９０８３）には、位置追尾をする撮像装置が開示されている。この撮像装置は、被写体の絶対位置（緯度、経度、標高）を入力する位置入力手段を備える。その位置入力手段は、被写体の絶対位置（緯度、経度、標高）を地図から取得し、その絶対位置をするキーボード、或いは被写体自身から無線で送信される被写体の絶対位置を受信する受信手段でなる。この撮像装置では、その位置入力手段で被写体の絶対位置を入力し、ヘリコプタ等の移動体の位置をＧＰＳで入力し、移動体の進行方向を進行方向検出手段で検出し、撮像方向変更部でカメラの撮像方向を求め、カメラの回転角度を制御し、カメラ視軸を被写体に自動的に追尾させる。

しかしながら、地図などから取得できる目標位置のデータは、緯度、経度および高度で表されるが、データの精度は高くないのが一般的であるから、航空機（移動体）が目標位置に近づくと、撮像対象の位置と地図などから取得した目標位置との誤差によりカメラの視界から撮像対象が外れることが多い。また、撮像対象が高いビルディングの屋上である場合があるが、ビルディングの高さは地図には通常記載されていないので、そのような高層建造物の上部位置を撮像対象とするときは、やはり撮像対象の位置と地図などから取得した目標位置との誤差によりカメラの視界から撮像対象が外れ易い。また、高度のデータが記載されていない地図も多いので、高度のデータは入力できないこともあり、同様に撮像対象がカメラの視界から外れ易い。

目標位置を正確に測定し、しかる後にその目標位置にカメラ視軸を自動的に追尾することを可能にする視軸制御装置が特許文献２（特開２００１−１６９１７１）に開示されている。この視軸制御装置は、撮像装置と、撮像装置の視軸が目標位置を指向するように制御する制御手段と、視軸を目標に向ける視軸操作器と、移動に伴う複数の地点で目標方向を移動量とから目標位置を演算する演算手段とを備える。このような構成により、特許文献２の視軸制御装置は、緯度、経度および高度の不明な目標をも捕捉する。地図など既存の位置データを要せずして目標の自動追尾を可能にするために、少なくとも２つの地点から目標物をカメラで捕捉し、各地点で捉えた目標物の方向と、各地点間の距離とから目標位置のデータを演算により算出している。

カメラで撮像したい目標の近傍の地理情報を経度、緯度及び高度で表し、その地理情報を三次元地理データとして予め記憶しておき、航空機の現在位置をＧＰＳで取得し、カメラ及びジャイロをジンバルに搭載し、ジャイロでカメラの姿勢を安定化するとともに、カメラの方向（カメラの視軸の方向）を撮像制御ユニット３５で制御し、地表面における目標位置を検知する位置特定方法は特許文献３（特開平８−２８５５９０）の図５及び段落００１９−００２２に開示されている。そのジンバル及びジャイロはカメラスタビライザに相当する。この位置特定方法では、撮像位置から目標物を見たときのカメラ視軸と、予め記録した地理情報で表される地表面との交点から目標物の位置を特定するので、目標物の位置が三次元的に特定されると特許文献３には記載されている。

また、特許文献４（特開２００４−８０５８０）には、カメラ雲台の視軸が目標を指向するように目標物を追尾する別の方法が開示されている。この方法では、ヘリコプタ等の移動体に目標物の直上を通過させ、その時の移動体の位置を目標物の位置として取得し、その後に、移動体の任意の位置でカメラ雲台の視軸を目標物に指向し、このときの移動体の位置、高度および視軸の俯角を取得し、これらから移動体と目標物との高度差を算出し、また移動体の位置、高度および機首方位角に基づき移動体から目標物を指向する方位角および俯角を算出し、方位角および俯角を指令視軸角度とし、指令視軸角度に基づいてカメラ雲台の視軸を目標に指向するようにしている。

特開２００１−３５９０８３ 特開２００１−１６９１７１ 特開平８−２８５５９０ 特開２００４−８０５８０

報道用ヘリコプタにカメラスタビライザを装備し、そのカメラスタビライザにカメラを搭載し、火災現場などの報道対象をそのカメラですばやく安定に自動的に撮像したいという要請は強い。上述のように、カメラスタビライザに搭載したカメラの視軸を目標物に指向させる装置や方法は従来から提案されている。

特許文献1に記載の撮像装置では、目標（被写体）位置のデータは、地図から緯度、経度及び標高のデータを読み取り、そのデータをキーボードから入力するか、または被写体から被写体自らの位置データが送信され、それを撮像装置の受信機で受信する。そこで、この特許文献1の撮像装置では、カメラ搭載の航空機が目標物に近接しても目標物をカメラの視野内に捕らえ続けられるか否か、即ち近接目標の自動追尾の可否は、地図から読み取る被写体の位置データの精度または被写体から送信される被写体自身の位置データの精度に依存する。

しかしながら、地図から読み取り得る被写体の位置データはかなり大まかであるから、その位置データに依存した特許文献1の撮像装置による位置追尾では、カメラ搭載の航空機が目標物に近接したとき目標物をカメラの視野内に捕らえ続けることは難しい。また、ビルディングの高さのデータは地図には通常記載されていないので、目標物がビルディングの屋上や中間階にあるとき、目標位置データにおける高度の要素は欠けるから、近接目標の自動追尾は難しい。

特許文献２に記載の視軸制御装置では、少なくとも２つの地点から目標物をカメラで捕捉し、それらの地点で得た目標物の方向と各地点間の距離とから目標位置のデータを演算により算出するから、まず目標物付近に到達し、それを発見するまでは人の観察に依存し、さらに発見後に少なくとも２回にわたってカメラで目標物を捕らえる必要がある。そこで、この特許文献２の視軸制御装置では、目標物の発見と、カメラによる少なくとも２回の目標物の捕捉までは、自動追尾はできないから、目標物の撮像までに時間を要し、また航空機に搭乗して空中から視覚により目標物を探し出す能力は熟練度に依存するから安定的に目標物を撮像することが困難である。

特許文献３に記載された位置特定方法では、撮像位置から目標物を見たときのカメラ視軸と、予め記録した三次元地理データで表される地表面との交点から目標物の位置を特定する。そこで、特許文献３の位置特定方法では、三次元地理データが必須である。また特許文献３の位置特定方法では、目標物をカメラで捕らえてから目標位置を演算により取得するから、まず目標物を発見し、カメラで目標物を捕捉する必要があり、前記特許文献２に記載の視軸制御装置と同様に、目標物の撮像までに時間を要し、また航空機に搭乗して空中から視覚により目標物を探し出す能力は熟練度に依存するから安定的に目標物を撮像することが困難である。

特許文献４に記載された追尾方法では、目標物の直上および他の任意の位置でカメラにより目標物に捕捉することにより、移動体から目標物を指向する方位角および俯角を算出し、方位角および俯角を指令視軸角度とし、指令視軸角度に基づいてカメラ雲台の視軸を目標に指向するようにしているので、やはり前記特許文献２に記載の視軸制御装置と同様に、目標物の撮像までに時間を要し、また航空機に搭乗して空中から視覚により目標物を探し出す能力は熟練度に依存するから安定的に目標物を撮像することが困難である。

そこで、本発明は、地図などから取得する目標位置の精度が低いことが原因で、カメラ搭載の航空機が目標物に近接したときに目標物をカメラの視野内に捕らえ続けられなくなったときも、目標位置を補正できるカメラスタビライザ目標位置補正方法の提供にある。

本発明のカメラスタビライザ目標位置補正方法は、地図などから取得する目標位置の精度が低いときにも、カメラスタビライザによる近接目標自動追尾能力の向上を可能とする。また、本発明のカメラスタビライザ目標位置補正方法は、目標物がビルディング等の建造物の屋上や中間階にあり、目標位置データにおける高度の要素が欠けるときも、カメラスタビライザによる近接目標自動追尾能力を向上する。更に、本発明のカメラスタビライザ目標位置補正方法は、地図などから取得する目標位置の精度が低いことが原因で、カメラ搭載の航空機が目標物に近接したときに目標物をカメラの視野内に捕らえ続けられなくなり、撮像対象物を視覚により直接に捕捉できないときでもカメラによる目標物の自動捕捉を可能にし、ひいては航空機が目標の方向に飛行を始めてから目標物の撮像開始までの時間を短縮し、またその撮像開始までの時間をカメラの操作者の熟練度に拘わらす一定にすることができる。

前述の課題を解決するために本発明は次の手段を提供する。

（１）目標位置Ｐと自らの位置Ｎとが与えられたとき、カメラの視軸Ｌを目標位置Ｐに自動的に指向する位置制御追尾方式のカメラスタビライザであって、初回の目標位置Ｐ１が地図で、また自らの位置ＮがＧＰＳでそれぞれ与えられ、視軸Ｌを移動させる操作者の操作を入力する操作部を備え、該操作に応じ視軸Ｌが制御されるカメラスタビライザに適用されて、視軸Ｌを初回の目標位置Ｐ１に指向しており、かつ撮像対象物の位置Ｑがカメラで捕捉できる第１の捕捉位置Ｎ１で該操作を与えることにより、撮像対象物の位置Ｑに視軸Ｌを指向し、第１の捕捉位置Ｎ１から撮像対象物の位置Ｑを指向するカメラの視軸Ｌ２上であって初回の目標位置Ｐ１に最も近い点を第２の目標位置Ｐ２として演算により求め、更に必要に応じて、視軸Ｌを第２の目標位置Ｐ２に指向しており、かつ撮像対象物の位置Ｑがカメラで捕捉できる第２の捕捉位置Ｎ２で該操作を与えることにより、撮像対象物の位置Ｑに視軸Ｌを指向し、第２の捕捉位置Ｎ２から撮像対象物の位置Ｑを指向するカメラの視軸Ｌ３上であって第２の目標位置Ｐ２に最も近い点を第３の目標位置Ｐ３として演算により求め、以後必要に応じて同様に、目標位置を補正することにより、撮像対象物の位置Ｑに漸次近接するように目標位置Ｐを補正するカメラスタビライザ目標位置補正方法。

（２）目標位置Ｐと現在の自らの位置Ｎとが与えられたとき、カメラの視軸Ｌを目標位置Ｐに自動的に指向する位置制御追尾方式のカメラスタビライザであって、視軸Ｌを移動させる操作者の操作を入力する操作部を備え、該操作に応じ視軸Ｌが制御されるカメラスタビライザに適用され、撮像対象物の位置Ｑに漸次近接するように目標位置Ｐを補正するカメラスタビライザ目標位置補正方法において、
前回の目標位置Ｐの座標を
Ｐ（Ｘｐ， Ｙｐ， Ｚｐ）
現在位置の座標Ｎを
Ｎ（Ｘｎ， Ｙｎ， Ｚｎ）
前記カメラスタビライザが座標Ｎにあって、カメラが視軸Ｌを位置Ｑへ指向することにより前記撮像対象物を捕捉したとき、カメラの視軸ＬのベクトルＶを
Ｖ（Ｘｖ， Ｙｖ， Ｚｖ）
とすると、助変数ｔを与えることにより、視軸Ｌを

なる式で表し、
補正後の目標位置は、視軸Ｌ上であって、前回の目標位置に最も近い点とし、
視軸ＬのベクトルＶを法線とするとともに、前回の目標位置Ｐを通る平面Ｓを仮想し、
平面Ｓを、
Ｘｖ・（ｘ−Ｘｐ）＋Ｙｖ・（ｙ−Ｙｐ）＋Ｚｖ・（ｚ−Ｚｐ）＝０・・・・・（２）
と表し、
式（１）で表される視軸と式（２）で表される平面Ｓとの交点の座標Ｔを補正後の目標位置の座標とし、式（１）と式（２）の連立方程式を助変数ｔに関し、

と解き、式（３）及び式（１）により、座標Ｔを、
（Ｘｖ・ｔ＋Ｘｐ， Ｙｖ・ｔ＋Ｙｐ， Ｚｖ・ｔ＋Ｚｐ）・・・・・・・（４）
なる式（４）で求める
ことを特徴とするカメラスタビライザ目標位置補正方法。

上述の本発明によれば、地図などから取得する目標位置の精度が低いことが原因で、カメラ搭載の航空機が目標物に近接したときに目標物をカメラの視野内に捕らえ続けられなくなったときも、目標位置を補正できるカメラスタビライザ目標位置補正方法を提供できる。

本発明のカメラスタビライザ目標位置補正方法は、地図などから取得する目標位置の精度が低いときにも、カメラスタビライザによる近接目標自動追尾能力の向上を可能とする。また、本発明のカメラスタビライザ目標位置補正方法は、目標物がビルディング等の建造物の屋上や中間階にあり、目標位置データにおける高度の要素が欠けるときも、カメラスタビライザによる近接目標自動追尾能力を向上する。更に、本発明のカメラスタビライザ目標位置補正方法は、地図などから取得する目標位置の精度が低いことが原因で、カメラ搭載の航空機が目標物に近接したときに目標物をカメラの視野内に捕らえ続けられなくなったときも、視覚に依存することなくカメラによる目標物の自動捕捉を可能にし、ひいては航空機が目標の方向に飛行を始めてから目標物の撮像開始までの時間を短縮し、またその撮像開始までの時間をカメラの操作者の熟練度に拘わらず短縮できる。

次に、本発明のカメラスタビライザ目標位置補正方法の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施の形態のカメラスタビライザ目標位置補正方法を適用したカメラスタビライザを示すブロック図である。このカメラスタビライザ１０は、目標位置補正計算部１、目標位置保持部２、追尾ジンバル角計算部３、ジンバル角制御部４、カメラ５、慣性装置６および操作部７でなる。ジンバル角制御部４はジンバル機構を有する。カメラ５の筐体及び慣性装置６の筐体は互いに固定され、カメラ・慣性装置一体構造をなす。カメラ・慣性装置一体構造は、ジンバル角制御部４のジンバル機構に搭載されている。カメラスタビライザ１０には、地図１１から目標位置１１１が入力され、またＧＰＳ（Global Positioning System）１２から現在位置１１２が入力される。カメラスタビライザ１０を操作する操作者１３による操作１１３は、操作部７のジョイスティック（操作入力レバー）に対する手動操作入力である。このカメラスタビライザ１０は、ヘリコプタに搭載されている。

ディジタル形式の三次元の地図データを電子的に記憶する手段としては、例えば、前述の特許文献３の図５および段落２１に記載されている三次元地理データ記憶装置があるが、図１の地図１１としては、同様な構成の三次元または二次元の地理データ記憶装置に記憶されたディジタル形式の地図データを用いることができる。また、自動車に搭載されている自動車ナビゲーションシステム（カーナビと通称される地図表示装置）にはディジタルデータで地図情報が記憶されているが、地図１１は、そのナビゲーションシステムにおけるものと同様な形式で記憶されている地図情報でも差し支えない。自動車ナビゲーションシステムと同様な形式で記憶されたディジタルデータの地図情報であれば、自動車ナビゲーションシステムにおける地図表示装置と同様な地図表示装置に地図を表示させ、地図上の目標物をカーソルで指定することにより、目標物の緯度および経度を読み出し、その緯度および経度を目標位置１１１として、目標位置保持部２へ提供することができる。この目標位置１１１は、カメラ５で撮像しようとする目標物の位置を表す。地図１１は、紙に描かれた地図であっても差し支えない。地図１１が紙に描かれているとき、目標位置１１１は、操作者１３により地図１１から目視により読み取られる緯度、経度及び高度であり、キーボードにより目標位置保持部２へ入力される。このキーボードは、図１では図示されていないが、地図１１に含まれることになる。

ＧＰＳ１２は、カメラスタビライザ１０を搭載するヘリコプタに搭載されており、このヘリコプタの位置を検出し、該ヘリコプタの位置をカメラスタビライザ１０の現在位置１１２として出力する。現在位置１１２はカメラスタビライザ１０の緯度、経度および高度のデータでなる。カメラスタビライザ１０とＧＰＳ１２との距離は、カメラスタビライザ１０と目標物（撮像対象物）との距離に比べてはるかに小さいから、ＧＰＳ１２で検出したヘリコプタの位置をカメラスタビライザ１０の位置とみなして差し支えないのである。

図１のカメラスタビライザ１０の各構成要素の作動を次に説明する。目標位置補正計算部１は、補正前目標位置１０２ａ、カメラスタビライザ１０の現在位置１１２、カメラ視軸方向１０６及び補正指示１０７ｂを入力し、補正指示１０７ｂの入力があったときだけに補正後目標位置１０１を演算し、補正後目標位置１０１を目標位置保持部２へ出力する。目標位置補正計算部１における補正後目標位置１０１の計算については後に数式を使って詳述する。

目標位置保持部２は、カメラスタビライザ１０を立ち上げた当初は地図１１から入力した目標位置１１１を記憶し、補正前目標位置１０２ａおよび目標位置１０２ｂとして出力する。その後に補正後目標位置１０１が供給されたときは、目標位置保持部２は、それまで記憶していた目標位置１１１を補正後目標位置１０１に置き換え、補正後目標位置１０１を新たな目標位置として保存し、補正前目標位置１０２ａおよび目標位置１０２ｂとして出力する。以後、新たな補正後目標位置１０１が供給される度に、それまで記憶していた目標位置を新たな補正後目標位置１０１で置き換え、新たな補正後目標位置１０１を新たな目標位置として保存するとともに、補正前目標位置１０２ａおよび目標位置１０２ｂとして出力する。

追尾ジンバル角計算部３は、目標位置１０２ｂ、現在位置１１２、カメラ視軸方向１０６及び現在ジンバル角１０４ａを入力し、これらのデータに基づき、追尾ジンバル角１０３を演算し、追尾ジンバル角１０３をジンバル角制御部４へ出力する。追尾ジンバル角計算部３は、目標位置１０２ｂ及び現在位置１１２から、カメラ５の視軸が指向するべき方向を計算する。更に、追尾ジンバル角計算部３は、この指向するべきカメラ５の視軸方向と、カメラ５の現在の視軸方向を表すカメラ視軸方向１０６との差並びに現在のジンバル角を表す現在ジンバル角１０４ａから、追尾ジンバル角１０３を計算する。追尾ジンバル角１０３は、カメラ５の視軸が目標物を指向するために、ジンバル角制御部４におけるジンバル機構の各軸がとるべき角度である。追尾ジンバル角１０３は、ジンバル角制御部４へ供給され、ジンバル角制御部４のジンバル機構を制御し、適切に角度だけ視軸制御１０４ｂを行い、カメラ５で追尾しようとする目標物にカメラ５の視軸を自動的に指向させるための信号である。

ジンバル角制御部４は、ジンバル機構を有し、駆動コマンド１０７ａ又は追尾ジンバル角１０３に応じて視軸制御１０４ｂを行い、視軸制御１０４ｂによりジンバル機構の各軸を回転させ、カメラ５の視軸を制御する。視軸制御１０４ｂは、ジンバル機構各軸を回転させる機械出力であり、ジンバル機構各軸の角度によって定まる方向にカメラ５の視軸を制御する。ジンバル角制御部４は、駆動コマンド１０７ａの入力があるときは、駆動コマンド１０７ａだけに基づき視軸制御１０４ｂを行い、駆動コマンド１０７ａの入力がないときは、追尾ジンバル角１０３に基づき視軸制御１０４ｂを行う。また、ジンバル角制御部４は、ジンバル機構の各軸の角度を現在ジンバル角１０４ａとして検出し、現在ジンバル角１０４ａを追尾ジンバル角計算部３へ出力する。

カメラ５は、視軸を中心とする所定角度範囲の視野を有し、その視野内を撮像する手段である。カメラ５に一体に固定されている慣性装置６は、カメラ５の姿勢および方位角を検出し、この姿勢および方位角で表されるカメラ視軸方向１０６を生成し、目標位置補正計算部１および追尾ジンバル角計算部３へカメラ視軸方向１０６を出力する。操作部７は、操作入力レバーとしてジョイスティックを備え、操作者１３の手動操作をジョイスティックで入力し、その操作の大きさが閾値を越えたときは、その操作の大きさ及び方向に応じたデータを駆動コマンド１０７ａとして生成し、駆動コマンド１０７ａをジンバル角制御部４へ出力する。また、操作部７は、操作者１３の操作の大きさがその閾値を越えたときは、補正指示１０７ｂを生成し、補正指示１０７ｂを目標位置補正計算部１へ出力する。

次に、図１のカメラスタビライザ１０の作用を図２乃至図７を参照し、詳しく説明する。図２は、高層のビルディング２００の屋上の位置Ｑに撮像対象物があり、ビルディング２００の地上位置Ｐ１が地図１１で取得した目標位置１１１であるときに、ヘリコプタ１００に搭載したカメラスタビライザ１０におけるカメラ５の視軸がＬ１であることを表す模式図である。図２において（図３及び図４においても）、ＧＰＳから取得されるカメラスタビライザ１０の位置（ヘリコプタ１００の位置に実質上同じ）はＮ１である。カメラスタビライザ１０は、起動するとともに、地図１１から供給された目標位置１１１で表される地表上の目標位置Ｐ１及びＧＰＳから取得するカメラスタビライザ１０の現在位置１１２に基づき、カメラ５の視軸を地表上の目標位置Ｐ１へ自動的に指向させる自動追尾を開始する。ヘリコプタ１００から目標位置Ｐ１までの距離が大きいときは、カメラ５の視軸が目標位置Ｐ１を指向していても、撮像対象物の位置Ｑはカメラ５の視界に入るから、ヘリコプタ１００が移動してもカメラ５は撮像対象物を自動的に撮像できる。しかし、ヘリコプタ１００が目標位置Ｐ１に近接すると、カメラ５の視軸は相変わらず目標位置Ｐ１を指向しているので、撮像対象物の位置Ｑはカメラ５の視界から外れ、撮像対象物を撮像ができなくなる。

このようなときにも、操作者１３が操作部７のジョイスティックを操作し、閾値以上の大きさの操作１１３を操作部７に入力することにより、駆動コマンド１０７ａを生成し、カメラ５の視軸を移動させることにより、撮像対象物をカメラ５の視野に捕捉し、カメラ５の視軸を撮像対象物の位置Ｑに指向させ、位置Ｑをカメラ５の視野の中心に捕らえる（図３参照）。図３は、カメラ５の視軸をＬ１からＬ２へ変更する様子を概念的に表している。

操作部７は、駆動コマンド１０７ａを生成すると同時に、補正指示１０７ｂを生成する。目標位置補正計算部１は、補正指示１０７ｂを受けると、補正後目標位置１０１を計算する。いま補正後目標位置１０１で現される位置をＰ２とする（図４参照）。図４において、Ｓ１は視軸Ｌ２を法線ベクトルとし、目標位置Ｐ１を通る平面である。補正後目標位置Ｐ２は、平面Ｓ１と視軸Ｌ２との交点であり、視軸Ｌ２上にあって、当初の目標位置Ｐ１に最も近い位置である。

目標位置保持部２は、保持する目標位置を当初の目標位置Ｐ１から補正後目標位置Ｐ２に変更し、目標位置１０２ｂも補正後目標位置Ｐ２とする。すると、追尾ジンバル角計算部３およびジンバル角制御部４は、カメラ５の視軸が補正後目標位置Ｐ２を常に指向するように、視軸制御１０４ｂを出力する。このようにして、以後カメラスタビライザ１０はこの新たな目標位置Ｐ２を自動追尾する。

この新たな目標位置Ｐ２に自動追尾をしているときに、ヘリコプタ１００が図５の位置Ｎ２に移動したところ、視軸はＬ２´で目標位置Ｐ２を捕捉してはいるが、撮像対象物の位置Ｑが再度カメラ５の視界から外れたとする。このときは、操作者１３は改めて操作部７のジョイスティックに操作１１３を与え、閾値以上の大きさの操作を操作部７に入力すると、操作部７は駆動コマンド１０７ａを生成し、カメラ５の視軸を移動させることにより、撮像対象物をカメラ５の視野に捕捉し、カメラ５の視軸を撮像対象物の位置Ｑに指向させ、撮像対象物の位置Ｑを再びカメラ５の視界の中心に捕らえる。図６の視軸Ｌ３は、撮像対象物の位置Ｑを指向した新たなカメラ５の視軸を表す。図６におけるヘリコプタ１００の位置は、図５と同じくＮ２である。

操作部７は駆動コマンド１０７ａとともに補正指示１０７ｂを出力するので、前回の補正指示１０７ｂの出力のときと同様に、目標位置補正計算部１は新たに補正後目標位置１０１を生成する。このときの新たな補正後目標位置１０１を補正後目標位置Ｐ３とする。補正後目標位置Ｐ３は、図６に示すように、視軸Ｌ３上の点であって、前回の目標位置Ｐ２に最も近い位置である。図６において、Ｓ２は視軸Ｌ３を法線とする平面を表す。目標位置保持部２は、この新たな補正後目標位置Ｐ３を保存し、補正前目標位置１０２ａ及び目標位置１０２ｂとして出力する。以後カメラスタビライザ１０は、前回の目標位置Ｐ２の自動追尾と同様に、追尾ジンバル角計算部３およびジンバル角制御部４の作用により、新たな目標位置Ｐ３にカメラ５の視軸を自動追尾させる。この新たな目標位置Ｐ３は、前回の目標位置Ｐ２より撮像対象物の位置Ｑに一層近い。

このような手順により、図１のカメラスタビライザ１０では、ヘリコプタ１００の移動に応じて撮像対象物の位置Ｑがカメラ５の視野から外れるか、或いはカメラ５の視野から外れる前に、操作者１３が撮像対象物の位置Ｑをカメラ５の視野の中心に捕らえるように操作部７に操作１１３を入力し、自動追尾の目標位置（例えば、前述のＰ１，Ｐ２，Ｐ３）を順次に更新することにより、自動追尾の目標位置を撮像対象物の位置Ｑに漸次近接させることができる。

次に本発明のカメラスタビライザ目標位置補正方法の原理を説明する。説明の便宜のために、本発明を適用するカメラスタビライザは図１に示す構成であるとする。図７は、図１のカメラスタビライザ１０に適用する本発明の目標位置補正方法の原理を説明するための図であり、本発明における各要素の関係を示す概念図である。図７で示す各要素の関係は、カメラスタビライザ１０が現時点まで自動追尾の対象としていた目標位置が点Ｐであり、その目標位置Ｐがカメラ５の視界から外れたか或いは外れそうになったので、操作者１３による操作１１３により、カメラ５の視軸を移動させることにより、撮像対象物をカメラ５の視野に捕捉し、カメラ５の視軸を撮像対象物の位置Ｑに指向させ、撮像対象物の位置Ｑがカメラ５の視野の中心に捕らえられ、カメラ５の視軸Ｌが撮像対象物の位置Ｑに指向し、この操作によりカメラスタビライザ１０の自動追尾の目標位置が補正され、新たな点Ｔを目標位置としたときのものである。

カメラスタビライザ１０において、地図から入力された目標位置Ｐ１と実際の撮像対象物の位置Ｑとの間に相違があるときにも、撮像対象物の追尾を可能にするために行う補正目標位置算出の演算は、前述のとおり、目標位置補正計算部１で行われ、補正後目標位置１０１として出力される。この自動追尾の目標位置を補正する演算は次のようになされる。

前回の目標位置Ｐの座標を
Ｐ（Ｘｐ， Ｙｐ， Ｚｐ）
ヘリコプタ１００の現在位置の座標Ｎを
Ｎ（Ｘｎ， Ｙｎ， Ｚｎ）
ヘリコプタ１００が座標Ｎの現在位置にあるときに、カメラ５が撮像対象物（位置Ｑ）を捕捉したとき、カメラ５の視軸ＬのベクトルＶ（視軸ベクトルＶと称することとする）を
Ｖ（Ｘｖ， Ｙｖ， Ｚｖ）
とする。このとき、カメラ５の視軸Ｌを表す視軸直線は、助変数ｔを与えると、次の式（１）で表される。

本発明による目標位置補正方法では、補正した後の目標位置は、視軸直線上であって、前回の目標位置に最も近い点とする。この補正後の目標位置の座標Ｔを計算するために、平面Ｓを仮想する。平面Ｓは、視軸ベクトルＶを法線とし、前回の目標位置Ｐを通る平面である。この平面Ｓは、
Ｘｖ・（ｘ−Ｘｐ）＋Ｙｖ・（ｙ−Ｙｐ）＋Ｚｖ・（ｚ−Ｚｐ）＝０・・・・・（２）
と表せる。

前記式（１）で表される視軸直線と式（２）で表される平面Ｓとの交点の座標Ｔが補正後の目標位置の座標である。式（１）と式（２）の連立方程式を助変数ｔについて解くと、

となる。

この式（３）及び式（１）により、座標Ｔは、
（Ｘｖ・ｔ＋Ｘｐ， Ｙｖ・ｔ＋Ｙｐ， Ｚｖ・ｔ＋Ｚｐ）・・・・・・・（４）
と求められる。かくして、本発明による「視軸直線上であって、前回の目標位置に最も近い点」という補正後の目標位置が式（４）により決定される。

図７から明らかなように、撮像対象物の位置Ｑと前回の目標位置Ｐとの距離をＤ１、撮像対象物の位置Ｑと補正後の目標位置Ｔとの距離をＤ２とすると、位置Ｑ，Ｔ，Ｐは直角３角形をなすから、常にＤ２＜Ｄ１である。この不等式は、補正の度に、補正後の目標位置Ｔは撮像対象物の位置Ｑに一層近づくことを表している。

以上に詳しく説明したように、図１乃至図７を参照して説明した本発明の一実施の形態は、目標位置Ｐと自らの位置Ｎとが与えられたとき、カメラ５の視軸Ｌを目標位置Ｐに自動的に指向する位置制御追尾方式のカメラスタビライザであって、初回の目標位置Ｐ１が地図１１で、また自らの位置ＮがＧＰＳ１２でそれぞれ与えられ、操作者１３の操作１１３を入力する操作部７を備え、操作１１３に応じ該視軸Ｌが制御されるカメラスタビライザに適用されて、カメラ５の視軸Ｌを初回の目標位置Ｐ１に自動的に指向しており、かつ撮像対象物の位置Ｑがカメラ５で捕捉できる第１の捕捉位置Ｎ１で操作１１３を与えることにより、撮像対象物の位置Ｑにカメラ５の視軸を指向し、第１の捕捉位置Ｎ１から撮像対象物の位置Ｑを指向するカメラ５の視軸Ｌ２上であって初回の目標位置Ｐ１に最も近い点を第２の目標位置Ｐ２として演算により求め、更に必要に応じて、カメラの視軸Ｌを第２の目標位置Ｐ２に自動的に指向しており、かつ撮像対象物の位置Ｑがカメラ５で捕捉できる第２の捕捉位置Ｎ２で操作１１３を与えることにより、撮像対象物の位置Ｑにカメラ５の視軸を指向し、第２の捕捉位置Ｎ２から撮像対象物の位置Ｑを指向するカメラ５の視軸Ｌ３上であって第２の目標位置Ｐ２に最も近い点を第３の目標位置Ｐ３として演算により求め、以後必要に応じて同様に目標位置を補正することにより、撮像対象物の位置Ｑに漸次近接するように目標位置を補正する方法である。

このカメラスタビライザ目標位置補正方法により、カメラ搭載の航空機が目標物に近接したときに、地図などから取得する目標位置の精度が低くても、目標物をカメラの視野内に捕らえ続けられるように、目標位置を補正できる。図２ないし図７には、地図１１から入力される目標位置１１１における高度のデータがビルディング２００の地表面上の位置Ｐ１であって、実際に撮像したい対象物の位置Ｑではない場合を説明した。しかし本発明は、所要精度の目標位置が地図などから取得できない場合には常に有効であり、例えば高度だけではなく緯度や経度のデータの精度が十分でないときも有効であり、またビルディングの屋上のみならず、中間の階が撮像対象物であるときなどに柔軟に目標位置を補正できる方法である。

本発明のカメラスタビライザ目標位置補正方法の採用により、地図などから取得する目標位置の精度が低いときにも、カメラスタビライザによる近接目標自動追尾能力の向上を可能とする。また、本発明のカメラスタビライザ目標位置補正方法は、目標物がビルディング等の建造物の屋上や中間階にあり、目標位置データにおける高度の要素が欠けるときも、カメラスタビライザによる近接目標自動追尾能力を向上する。更に、本発明のカメラスタビライザ目標位置補正方法は、地図などから取得する目標位置の精度が低いことが原因で、カメラ搭載の航空機が目標物に近接したときに目標物をカメラの視野内に捕らえ続けられなくなったときも、撮像対象物を視覚により直接に捕捉できないときでもカメラよる目標物の自動捕捉を可能にし、ひいては航空機が目標の方向に飛行を始めてから目標物の撮像開始までの時間を短縮し、またその撮像開始までの時間をカメラの操作者の熟練度に拘わらず短縮できる。

なお、以上には実施の形態を挙げ、本発明を具体的に説明したが、本発明がこの実施の形態に限定されるものでないことは勿論である。

本発明のカメラスタビライザ目標位置補正方法の一実施の形態を適用するカメラスタビライザを示すブロック図である。 ヘリコプタ１００に搭載したカメラ５の視軸Ｌ１がビルディング２００の地表上の位置Ｐ１を指向する様子を示す概念図である。 ヘリコプタ１００に搭載したカメラ５の視軸Ｌ１がビルディング２００の地表上の位置Ｐ１を指向しているとき（図２）に、カメラスタビライザ１０の操作部（ジョイスティック）７を操作し、カメラ５の視軸をＬ１からＬ２に変更し、カメラ５の視軸をビルディング２００の屋上の位置Ｑに指向させた様子を示す概念図である。 ヘリコプタ１００に搭載したカメラ５の視軸Ｌ１がビルディング２００の地表上の位置Ｐ１を指向しているとき（図２）に、カメラスタビライザ１０の操作部（ジョイスティック）７を操作し、カメラ５の視軸をＬ１からＬ２に変更し、カメラ５の視軸をビルディング２００の屋上の位置Ｑに指向させる（図３）とともに、カメラスタビライザ１０の目標位置補正計算部１が、追尾対象の目標の位置を点Ｐ２に補正する様子を示す概念図である。 ヘリコプタ１００が図４の位置から別の位置に移動したとき、カメラスタビライザ１０が図４の補正後の追尾対象位置Ｐ２にカメラ５の視軸を向けた様子を示す概念図である。 ヘリコプタ１００が図４の位置から別の位置に移動したとき、カメラスタビライザ１０が図４の補正後の追尾対象位置Ｐ２にカメラ５の視軸を向ける（図５）とともに、カメラスタビライザ１０の目標位置補正計算部１が、追尾対象の目標の位置を点Ｐ３に補正する様子を示す概念図である。 本発明のカメラスタビライザ目標位置補正方法の原理を説明する図である。

符号の説明

１ 目標位置補正計算部
２ 目標位置保持部
３ 追尾ジンバル角計算部
４ ジンバル角制御部
５ カメラ
６ 慣性装置
７ 操作部
１０ カメラスタビライザ
１１ 地図
１２ ＧＰＳ（Global Positioning System）
１３ 操作者
１０１ 補正後目標位置
１０２ａ 補正前目標位置
１０２ｂ 目標位置
１０３ 追尾ジンバル角
１０４ａ 現在ジンバル角
１０４ｂ 視軸制御
１０６ カメラ視軸方向
１０７ａ 駆動コマンド
１０７ｂ 補正指示
１１１ 目標位置
１１２ 現在位置
１１３ 操作
Ｌ 視軸直線
Ｎ 機体１００の現在位置
Ｐ 前回の目標位置
Ｑ 撮像対象物の位置
Ｓ Ｖを法線ベクトルとしたＰを通る平面
Ｖ 視軸ベクトル
Ｔ，Ｐ２，Ｐ３ 補正後の目標位置

Claims (2)

1. 目標位置Ｐと自らの位置Ｎとが与えられたとき、カメラの視軸Ｌを目標位置Ｐに自動的に指向する位置制御追尾方式のカメラスタビライザであって、初回の目標位置Ｐ１が地図で、また自らの位置ＮがＧＰＳでそれぞれ与えられ、視軸Ｌを移動させる操作者の操作を入力する操作部を備え、該操作に応じ視軸Ｌが制御されるカメラスタビライザに適用されて、視軸Ｌを初回の目標位置Ｐ１に指向しており、かつ撮像対象物の位置Ｑがカメラで捕捉できる第１の捕捉位置Ｎ１で該操作を与えることにより、撮像対象物の位置Ｑに視軸Ｌを指向し、第１の捕捉位置Ｎ１から撮像対象物の位置Ｑを指向するカメラの視軸Ｌ２上であって初回の目標位置Ｐ１に最も近い点を第２の目標位置Ｐ２として演算により求め、更に必要に応じて、視軸Ｌを第２の目標位置Ｐ２に指向しており、かつ撮像対象物の位置Ｑがカメラで捕捉できる第２の捕捉位置Ｎ２で該操作を与えることにより、撮像対象物の位置Ｑに視軸Ｌを指向し、第２の捕捉位置Ｎ２から撮像対象物の位置Ｑを指向するカメラの視軸Ｌ３上であって第２の目標位置Ｐ２に最も近い点を第３の目標位置Ｐ３として演算により求め、以後必要に応じて同様に、目標位置を補正することにより、撮像対象物の位置Ｑに漸次近接するように目標位置Ｐを補正するカメラスタビライザ目標位置補正方法。
2. 目標位置Ｐと現在の自らの位置Ｎとが与えられたとき、カメラの視軸Ｌを目標位置Ｐに自動的に指向する位置制御追尾方式のカメラスタビライザであって、視軸Ｌを移動させる操作者の操作を入力する操作部を備え、該操作に応じ視軸Ｌが制御されるカメラスタビライザに適用され、撮像対象物の位置Ｑに漸次近接するように目標位置Ｐを補正するカメラスタビライザ目標位置補正方法において、
   前回の目標位置Ｐの座標を
   Ｐ（Ｘｐ， Ｙｐ， Ｚｐ）
   現在位置の座標Ｎを
   Ｎ（Ｘｎ， Ｙｎ， Ｚｎ）
   前記カメラスタビライザが座標Ｎにあって、カメラが視軸Ｌを位置Ｑへ指向することにより前記撮像対象物を捕捉したとき、カメラの視軸ＬのベクトルＶを
   Ｖ（Ｘｖ， Ｙｖ， Ｚｖ）
   とすると、助変数ｔを与えることにより、視軸Ｌを
   

   

   なる式で表し、
   補正後の目標位置は、視軸Ｌ上であって、前回の目標位置に最も近い点とし、
   視軸ＬのベクトルＶを法線とするとともに、前回の目標位置Ｐを通る平面Ｓを仮想し、
   平面Ｓを、
   Ｘｖ・（ｘ−Ｘｐ）＋Ｙｖ・（ｙ−Ｙｐ）＋Ｚｖ・（ｚ−Ｚｐ）＝０・・・・・（２）
   と表し、
   式（１）で表される視軸と式（２）で表される平面Ｓとの交点の座標Ｔを補正後の目標位置の座標とし、式（１）と式（２）の連立方程式を助変数ｔに関し、
   

   

   と解き、式（３）及び式（１）により、座標Ｔを、
   （Ｘｖ・ｔ＋Ｘｐ， Ｙｖ・ｔ＋Ｙｐ， Ｚｖ・ｔ＋Ｚｐ）・・・・・・・（４）
   なる式（４）で求める
   ことを特徴とするカメラスタビライザ目標位置補正方法。

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