JP5036226B2 - プラネタリウムの制御方法およびプラネタリウム制御システム - Google Patents
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これはスクリーン上に映し出された星空との位置関係を保ちながら画像を映し出すことを容易することを目的とするものである。
恒星投影機に太陽や惑星を投影する専用の装置を搭載するものは、恒星投影機自体の大型化に繋がり、観客の視界を妨げる要因となり、またコストアップや保守性悪化を招いていた。さらに恒星投影機と独立して設置する投影機では、これら投影機が占有するスペースや装置制作コストに問題が生じていた。また当然ながらこれらの装置では、あらかじめ決められた天体しか再現できなかった。
さらにプロジェクタに接続する映像生成装置に、リアルタイムで任意の映像を生成できるコンピュータを使い、任意に運動できる恒星投影機への角度指令値に合わせて映像を生成する手段を用いれば、恒星像とプロジェクタの映像を合わせることは可能であるが、実際には恒星投影機の回転運動に機械的な遅延があって、加速時や減速時などの過渡期に恒星像とプロジェクタから投影される映像の間にずれを生じる問題点があった。
また、引用文献1ではプラネタリウム用投影装置にプロジェクタと可動式光学系を備え、この可動式光学系に中継光学系,固定プリズム,サーボモータ,像補正回転機構,投影レンズを含み、コンピュータで制御されるビデオプロジエクタからのビデオ信号の光を任意の方向に投影するようにした構成であるので、装置規模が大きくなり、星空に対し映像の投影は一体的には行うことができないことが考えられる。
本発明の請求項2のプラネタリウムの制御方法は、複数の回動軸の回転により投影姿勢を変えることが可能であり、ドームスクリーン内に恒星や天の川,星雲星団などを投影する恒星投影機と、前記ドームスクリーン内全面に映像を投影可能な1以上のプロジェクタと、前記プロジェクタで投影するための映像信号を生成する映像生成装置を有し、前記映像生成装置は、前記恒星投影機の姿勢を示す前記回動軸の回転角位置情報を参照して前記プロジェクタが投影する図形や画像の映像を生成することにより、前記恒星投影機から投影される恒星像と、前記プロジェクタから投影される映像の図形や画像とを所定の位置関係に維持してドームスクリーンに投影するようにし、回転角位置情報を検出し恒星投影機を制御する手順は、誤差算出手段によりホスト装置からの角度指令値とカウンタの角位置情報とを比較することにより誤差信号を出力し、パルス発生手段により前記誤差信号に基づきステッピングモータの駆動パルス信号を発生し、ステッピングモータにより前記駆動パルス信号を受けて恒星投影機を駆動するとともにカウンタにより前記ステッピングモータの駆動パルス信号を計数するようにして前記カウンタより回転角位置情報を出力し、前記回転角位置情報は前記恒星投影機の日周および緯度または日周,緯度および方位に対する角度位置であることを特徴とする。
本発明の請求項3のプラネタリウム制御システムは、複数の回動軸の回転により投影姿勢を変えることが可能であり、ドームスクリーン内に恒星や天の川,星雲星団などを投影する恒星投影機と、前記ドームスクリーン内全面に映像を投影可能な1以上のプロジェクタと、前記プロジェクタで投影するための映像信号を生成する映像生成装置を有し、前記映像生成装置は、前記恒星投影機の姿勢を示す前記回動軸の回転角位置情報を参照して前記プロジェクタが投影する図形や画像の映像を生成することにより、前記恒星投影機から投影される恒星像と、前記プロジェクタから投影される映像の図形や画像とを所定の位置関係に維持してドームスクリーンに投影するように構成し、前記恒星投影機は、前記恒星投影機を駆動するモータと、前記恒星投影機を駆動するモータの回転数を検出するロータリーエンコーダと、ホスト装置からの角度指令値とカウンタの角位置情報とを比較して誤差信号を出力する誤差算出手段と、前記誤差信号をアナログ値にして増幅することにより前記モータを駆動する信号を出力する手段と、前記ロータリーエンコーダから出力されるパルス信号を計数するカウンタと、を含んで構成されるサーボコントローラ手段を有し、前記サーボコントローラ手段から回転角位置情報を出力し、前記回転角位置情報は前記恒星投影機の日周および緯度または日周,緯度および方位に対する角度位置であることを特徴とする。
本発明の請求項4のプラネタリウム制御システムは、複数の回動軸の回転により投影姿勢を変えることが可能であり、ドームスクリーン内に恒星や天の川,星雲星団などを投影する恒星投影機と、前記ドームスクリーン内全面に映像を投影可能な1以上のプロジェクタと、前記プロジェクタで投影するための映像信号を生成する映像生成装置を有し、前記映像生成装置は、前記恒星投影機の姿勢を示す前記回動軸の回転角位置情報を参照して前記プロジェクタが投影する図形や画像の映像を生成することにより、前記恒星投影機から投影される恒星像と、前記プロジェクタから投影される映像の図形や画像とを所定の位置関係に維持してドームスクリーンに投影するように構成し、前記恒星投影機は、前記恒星投影機を駆動するステッピングモータと、ホスト装置からの角度指令値とカウンタの角位置情報とを比較して誤差信号を出力する誤差算出手段と、前記誤差信号に基づき前記ステッピングモータの駆動パルス信号を発生するパルス発生手段と、前記ステッピングモータの駆動パルス信号を計数する前記カウンタと、を含んで構成されるパルスコントローラ手段を有し、前記パルスコントローラ手段から回転角位置情報を出力し、前記回転角位置情報は前記恒星投影機の日周および緯度または日周,緯度および方位に対する角度位置であることを特徴とする。
すなわち、本発明は恒星投影機から恒星を投影し、それ以外のさまざまな天体や物体をプロジェクタから投影する際、恒星投影機から、各軸の機械的な角位置を取得し、これを映像生成装置に入力して、この情報をもとに映像を生成させることによって、恒星投影機をどのように動かしても、恒星から投影される恒星像とプロジェクタから投影される映像の位置関係が所定の関係に正確に保たれ、あたかも一体のシステムであるかのように扱えるものである。
図1は本発明によるプラネタリウムの制御方法を採用した恒星投影機の実施の形態を示す図である。
恒星投影球3には、複数の投影ユニット3a〜3nが装着され、各投影ユニット3a〜3nはそれぞれ予め天球上の決められた範囲の星野を投影するように組み付けられている。
この恒星投影球3は、日周ベース4に回転可能に取り付けられている。すなわち、日周ベース4に一体形成された日周ベース軸4aにベアリング3cを介して日周回動軸3bが取り付けられている。日周回動軸3bは恒星投影球3の内部中央で、恒星投影球3に固定されている。このような構成により恒星投影球3で投影される星空は、実際の夜空でいう日周運動さながらの運動を再現することができる。
日周ベース4は、架台5の上に緯度回動軸6で支えられており、緯度回動軸6は架台5の軸支持部5aの間に回転可能に支持されている。恒星投影機9の回転中心となる日周回動中心線1と、恒星投影機と北の地平線上を結ぶ線(以下北方水平線)とのなす角Lat を、観測地の緯度と合わせることにより、その観測地の星空を再現することができる。
恒星投影機の緯度回動軸6および日周回動軸3bの回転は、図示はしないモータ、例えばサーボモータやステッピングモータなどで回転駆動され、所望の角位置を設定することができるようになっている。
恒星投影機9と、その横にプロジェクタ10が設置されている。プロジェクタ10の先端には魚眼レンズ17が装着されており、ドームスクリーン全面に映像を投影可能になっている。これにより、恒星投影機から投影された像と、プロジェクタから投影され映像が一体になるように重ね合わされてドームスクリーンに投影される。
恒星投影機9を囲むドーム周囲に、プロジェクタ10a〜10eが等間隔にドーム中心方向に向けて設置されている。これらの複数のプロジェクタ10a〜10eが投影する映像はドーム18のスクリーン上でつながり、一つの映像となって恒星投影機9から投影される恒星像と重なって投影される。
各プロジェクタ10a〜10eにはそれぞれ映像を生成する映像ジェネレータ11a〜11eが接続され、各映像ジェネレータ11a〜11eは複数のプロジェクタの画面を連動させるための制御を行うマスタコントローラ12に接続されている。
まず、恒星投影機の機械的角位置とそれを求める手段を説明する。
プラネタリウム上映では、所定の日時や場所の星空を投影するため、恒星投影球の日周回動軸と緯度回動軸を制御し所望の角位置になるようにしている。ある日時と場所が与えられたとき、恒星投影球の日周回動軸と緯度回動軸の回転角位置(Diur0,lat0)をどのようにすれば良いかは、位置天文学の初歩的な知識で解決でき公知であるため省略する。
このDiur0 とLat0は、恒星投影機に対する指令値である。
ホストPC30は、あらかじめ与えられた日時と場所(経度,緯度)の情報をもとに恒星投影機9の回転角指令値(角度指令値)を算出する。この回転角指令値は、サーボコントローラ31に入力される。誤差算出器32は、回転角指令値とパルスカウンタ35が示す現在位置を比較し、誤差を算出する。算出された誤差は、D/Aコンバータ33でアナログ電圧に変換され、アンプ34で増幅されて恒星投影機9内のサーボモータ36を駆動する。サーボモータ36の回転駆動力はギヤなどの伝導機構43を介して恒星投影機9の駆動軸38に伝達され、恒星投影機9の回転を制御する。サーボモータ36の回転は、伝達機構を介してロータリーエンコーダ37にも伝達され、ロータリーエンコーダ37から出力されたパルスがパルスカウンタ35で計数されて現在角位置情報となる。
ステッピングモータ44は、指令パルスに比例した回転をするため回転数検出器(ロータリーエンコーダ)を設けることなく、モータに供給されるパルス信号をカウントするだけで回転角位置を検出可能である。しかしステッピングモータ44にはある一定以上の速度や加速度が加わると脱調して指令パルスと回転角位置の間に不整合が起きるおそれがある。そのためステッピングモータ44に供給するパルス周波数は、脱調を起こさないように制御しなければならない。そこで、図5の実施の形態で用いた、角度指令値とパルスカウンタの値を比較して誤差を算出する構成と同様な回路構成を用いている。
またパルスの加速度が大きすぎるときも同様に制御し加速度が一定の範囲に収まるような動作(パルス加速度リミット動作)を行う。
図5,図6のいずれの実施の形態においても、回転角位置情報は映像ジェネレータ41に供給される。映像ジェネレータ41は回転角位置情報を参照して映像を生成し、生成した映像はプロジェクタ45によって投影される。
図2および図3のプロジェクタで映像を表示する際は、プロジェクタ画面上のXY座標に相当する画素(x,y) が、ドームスクリーン上の座標(azm,alt) に投影されることなる。ドームスクリーン上の座標とは、すなわち本物の夜空でいうところの地平座標と同一である。地平座標(azm,alt) とプロジェクタ画面上座標(x,y) の座標変換は、ドーム曲率半径、プロジェクタの設置位置、プロジェクタの姿勢角, プロジェクタの投影レンズの焦点距離や歪み特性などをもとに算出可能である。また、本件発明者が提案した映像投影システム(特願2005−161780)の方法などを用いて取得することができる。
図4は、プロジェクタ画面上で、地平座標の目盛りを表示した例である。
図4(a)は、図2の実施の形態の例で、魚眼レンズ17を用いて投影した場合の様子である。画面の中心付近に天頂16があり、それをほぼ同心円状に囲むように等高度線14が、放射状に等方位線15が刻まれている。地平線は13である。
ここで、恒星投影機から投影されている、ある恒星像に正確に一致して矢印状の図形(ポインター)を表示する方法を説明する。すなわち恒星投影機からの角位置情報を用いて映像を生成する方法である。
恒星の座標は赤経,赤緯で示される赤道座標で設定されており、基本的にこの値は不変である。この赤道座標を(α,δ)とする。
赤道座標を地平座標に変換する際に、恒星投影機から得られる角位置情報を用いる。すなわち、恒星投影機から日周回動軸の回転角位置Diur1 および緯度回動軸の回転角位置Lat1を取得する。この角位置情報を用いて座標変換を行う。
A = cos α*cosδ ・・・(1)
B = sin α*cosδ ・・・(2)
C = sin δ ・・・(3)
つぎに赤道方向余弦を(4),(5)および(6)式により日周軸の回転角位置Diurで表す。
A1 = A*cos Diur1 + B * sin Diur1 ・・・(4)
B1 = -A*sin Diur1 + B * cos Diur1 ・・・(5)
C1 = C ・・・(6)
同様に赤道方向余弦を(7),(8)および(9)式により緯度軸の回転角位置Lat で表す。
A2 = A1 ・・・(7)
B2 = B1*cos Lat1 + C1*sin Lat1 ・・・(8)
C2 = -B1*sin Lat1 + C1*cos Lat1 ・・・(9)
よって恒星の方位角azm1, 高度alt1はそれぞれ(10)および(11)で算出することができる。
Azm1 = atan B2 / A2 ・・・(10)
Alt1 = asin C2 ・・・(11)
ここで求められた方位角と高度は、機械的なディレイも含めて実際に投影されている位置であるため、この方位角および高度に合わせて映像を投影すれば、その位置は恒星投影機から投影された恒星像の位置と極めてよく一致したものとなる。また、急な指令値の変化などによっても、常に実際の恒星投影機の角位置にもとづいた制御を行うため、恒星像と画像は相対的にずれることがほとんどない。
図5および図6において、映像ジェネレータ41は恒星投影機からの回転角位置Diur1 および緯度回動軸の回転角位置Lat1の角位置情報を得て対応の方位角および高度になるように投影する映像を生成する。プロジェクタ45はこの映像をドームスクリーンに投影する。これによりプロジェクタ画面上のXY座標に相当する画素(x,y) がドームスクリーン上の座標(azm,alt) に投影され、プロジェクタ画面の座標x0,y0 とドームスクリーン上のazm0,alt0 の関係は常に一定であるため恒星投影から投影される恒星とプロジェクタが投影する映像は常に一致するような関係を維持してドームスクリーンに投影される。
2 緯度回動中心線
3 恒星投影球
4 日周ベース
5 架台
6 緯度回動軸
7 北方水平線
8 春分点
9 恒星投影機
10,10a〜10e プロジェクタ
11a〜11e,41 映像ジェネレータ
12 マスタコントローラ
13 地平線
14 等高度線
15 等方位線
16 天頂
17 魚眼レンズ
30 ホストコンピュータ
31 サーボコントローラ
32 誤差算出器
33 D/Aコンバータ
34 アンプ
35 パルスカンウタ
36 サーボモータ
37 ロータリーエンコーダ
39 パルス発生器
40 ステッピングモータドライバ
43 伝導機構
Claims (4)
- 複数の回動軸の回転により投影姿勢を変えることが可能であり、ドームスクリーン内に恒星や天の川,星雲星団などを投影する恒星投影機と、
前記ドームスクリーン内全面に映像を投影可能な1以上のプロジェクタと、
前記プロジェクタで投影するための映像信号を生成する映像生成装置を有し、
前記映像生成装置は、前記恒星投影機の姿勢を示す前記回動軸の回転角位置情報を参照して前記プロジェクタが投影する図形や画像の映像を生成することにより、前記恒星投影機から投影される恒星像と、前記プロジェクタから投影される映像の図形や画像とを所定の位置関係に維持してドームスクリーンに投影するようにし、
回転角位置情報を検出し恒星投影機を制御する手順は、
誤差算出手段によりホスト装置からの角度指令値とカウンタの角位置情報とを比較することにより誤差信号を出力し、
前記誤差信号を増幅処理してモータを動作させ恒星投影機を駆動するとともにロータリーエンコーダにより前記モータの回転数を検出し、カウンタにより前記ロータリーエンコーダから出力されるパルス信号を計数して回転角位置情報を出力し、
前記回転角位置情報は前記恒星投影機の日周および緯度または日周,緯度および方位に対する角度位置であることを特徴とするプラネタリウムの制御方法。 - 複数の回動軸の回転により投影姿勢を変えることが可能であり、ドームスクリーン内に恒星や天の川,星雲星団などを投影する恒星投影機と、
前記ドームスクリーン内全面に映像を投影可能な1以上のプロジェクタと、
前記プロジェクタで投影するための映像信号を生成する映像生成装置を有し、
前記映像生成装置は、前記恒星投影機の姿勢を示す前記回動軸の回転角位置情報を参照して前記プロジェクタが投影する図形や画像の映像を生成することにより、前記恒星投影機から投影される恒星像と、前記プロジェクタから投影される映像の図形や画像とを所定の位置関係に維持してドームスクリーンに投影するようにし、
回転角位置情報を検出し恒星投影機を制御する手順は、
誤差算出手段によりホスト装置からの角度指令値とカウンタの角位置情報とを比較することにより誤差信号を出力し、
パルス発生手段により前記誤差信号に基づきステッピングモータの駆動パルス信号を発生し、
ステッピングモータにより前記駆動パルス信号を受けて恒星投影機を駆動するとともにカウンタにより前記ステッピングモータの駆動パルス信号を計数するようにして前記カウンタより回転角位置情報を出力し、
前記回転角位置情報は前記恒星投影機の日周および緯度または日周,緯度および方位に対する角度位置であることを特徴とするプラネタリウムの制御方法。 - 複数の回動軸の回転により投影姿勢を変えることが可能であり、ドームスクリーン内に恒星や天の川,星雲星団などを投影する恒星投影機と、
前記ドームスクリーン内全面に映像を投影可能な1以上のプロジェクタと、
前記プロジェクタで投影するための映像信号を生成する映像生成装置を有し、
前記映像生成装置は、前記恒星投影機の姿勢を示す前記回動軸の回転角位置情報を参照して前記プロジェクタが投影する図形や画像の映像を生成することにより、前記恒星投影機から投影される恒星像と、前記プロジェクタから投影される映像の図形や画像とを所定の位置関係に維持してドームスクリーンに投影するように構成し、
前記恒星投影機は、
前記恒星投影機を駆動するモータと、
前記恒星投影機を駆動するモータの回転数を検出するロータリーエンコーダと、
ホスト装置からの角度指令値とカウンタの角位置情報とを比較して誤差信号を出力する誤差算出手段と、
前記誤差信号をアナログ値にして増幅することにより前記モータを駆動する信号を出力する手段と、
前記ロータリーエンコーダから出力されるパルス信号を計数するカウンタと、
を含んで構成されるサーボコントローラ手段を有し、前記サーボコントローラ手段から回転角位置情報を出力し、
前記回転角位置情報は前記恒星投影機の日周および緯度または日周,緯度および方位に対する角度位置であることを特徴とするプラネタリウム制御システム。 - 複数の回動軸の回転により投影姿勢を変えることが可能であり、ドームスクリーン内に恒星や天の川,星雲星団などを投影する恒星投影機と、
前記ドームスクリーン内全面に映像を投影可能な1以上のプロジェクタと、
前記プロジェクタで投影するための映像信号を生成する映像生成装置を有し、
前記映像生成装置は、前記恒星投影機の姿勢を示す前記回動軸の回転角位置情報を参照して前記プロジェクタが投影する図形や画像の映像を生成することにより、前記恒星投影機から投影される恒星像と、前記プロジェクタから投影される映像の図形や画像とを所定の位置関係に維持してドームスクリーンに投影するように構成し、
前記恒星投影機は、
前記恒星投影機を駆動するステッピングモータと、
ホスト装置からの角度指令値とカウンタの角位置情報とを比較して誤差信号を出力する誤差算出手段と、
前記誤差信号に基づき前記ステッピングモータの駆動パルス信号を発生するパルス発生手段と、
前記ステッピングモータの駆動パルス信号を計数する前記カウンタと、
を含んで構成されるパルスコントローラ手段を有し、前記パルスコントローラ手段から回転角位置情報を出力し、
前記回転角位置情報は前記恒星投影機の日周および緯度または日周,緯度および方位に対する角度位置であることを特徴とするプラネタリウム制御システム。
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