JP5134549B2 - オートトラッキングカメラ - Google Patents

Description

本発明は、テレメトリデータを発生して送信するシステム及び方法に関し、より詳細には、ビデオカメラのビューイングフレーム内でカメラの対象物を追跡するビデオカメラユニット及び方法に関する。

ビデオカメラは、商業的な使用及び個人的な使用を含めて多くの用途のために使用されている。商業的な用途は、プロモーショナルビデオ、テーピングパフォーマンス又は講義等を行うことを含む。特に有効な商業的な用途では、話者は講義を録画するか、インストラクションのビデオを提供する場合がある。多くのケースでは、これらのビデオは、イベントを記録するのを人に要求する。しばしば、話者は動き回り、カメラの要員にカメラ位置又は角度を調節して話者がビデオフレーム内に維持されるように要求する。

カメラトラッキング機器が利用されているが、係る以前の製品は、頻繁に磨耗し、故障する、モータにより駆動される可動部分を含んでいる。多くの状況では、講義又はプレゼンテーションのために、ビデオテープに有人のカメラ又は「トラッキング」プロダクトを設けることは不可能であるか不便である。

プレゼンテーションのために、話者が自由にビデオテープの周りを動き回るのを可能にするオートトラッキングシステム及び方法を提供することが必要とされる。

トラッキングシステムは、少なくとも１つの次元で追跡されるべき対象物の周りで放射線を放出するために構成されるエミッタアレイを含み、このエミッタアレイは、放射線源の識別を許容するために個々に変調される少なくとも１つを含む。受信機は、エミッタアレイからの放射線を受信するために構成され、少なくとも１つのエミッタ及び受信機は、追跡されるべき対象物に位置される。受信機におけるプロセッサは、少なくとも１つのエミッタからの相対的な放射線強度を測定し、係るデータを解釈し、対象物における位置における変化を互いに関係付け、装置の位置の制御信号を出力するために構成される。

本発明の利点、特性及び様々な特徴は、添付図面と共に詳細に記載される例示的な実施の形態を考慮することで更に完全に明らかとなるであろう。図面は、本発明の概念を例示することを目的としており、必ずしも、本発明を説明する可能な構成のみではないことを理解されたい。

本発明の態様は、カメラの対象物に関してビデオカメラのパンチルトユニットの動作角を示すテレメトリデータを発生して送信するシステム及び方法を提供するものである。特に有効な実施の形態では、たとえば教室の教官のような動く対象物をビデオカメラのビューイングフレーム内に保持するオートトラッキングシステムが採用される。

例示的な実施の形態では、ロボット又は電子制御ビデオカメラ及びパンチルトユニットは、対象物の動きに自動的に追従し、カメラの操作要員の必要性を除く。ロボットによるカメラのトラッキングシステムの置き換えとして、本発明は、動く機械的又は電気機械的な部分の頻繁な故障を含めて、多くの問題を除く。ここで記載される実施の形態は、本システムが動く部分を殆ど含まないので、係る問題を除く。また、ここで記載される実施の形態は、製品の品質、耐久性及び製造可能性を高めつつ、システムの複雑さ及び関連される生産コストを大幅に低減する。さらに、本システムは、多数のシステムが比較的近くで動作するのを可能にし、このことは、他のカメラトラッキングシステムでは不可能である。

なお、本発明は、ビデオ記録システムの観点で記載されるが、本発明は、非常に広く、対象物を追跡可能な任意のシステムを含む。たとえば、マイクロフォンが対象物の位置に従って一方向に変更されるオーディオシステム、対象物が人間以外にオブジェクト又は生体であるシステムである。さらに、本発明は、電話、セットトップボックス、コンピュータ、ワイヤレス、サテライトリンク等により採取されるか、送信さてる記録データを含む記録メディアに適用可能である。

図面で示されるエレメントは、ハードウェア、ソフトウェア又はその組み合わせの様々な形式で実現される場合があることを理解されたい。好ましくは、これらのエレメントは、プロセッサ、メモリ及び入力／出力インタフェースを含む１以上の適切にプログラムされた汎用装置でハードウェア及びソフトウェアの組み合わせで実現される。

図面では同じ参照符号は類似又は同一の要素を識別しており、図１を参照して、オートカメラトラッキングシステム１０の例示的な実施の形態が示される。システム１０は、ビデオカメラ又は他の装置１４の電動式のパンチルトユニット１２を含む。ダイオード１８のアレイ１６は、パンチルトユニット１２に搭載されるか、パンチルトユニット１２の近くに搭載される。１実施の形態では、ダイオード１８は、赤外線の発光ダイオード（ＩＲＥＤ）を含む。

アレイ１６は、電子制御されるパンチルトユニット１２に設けられ、このパンチルトユニットは、ビデオカメラ、ムビーカメラ、マイクロフォン、カメラ又は別の適切な装置のポジショニングを制御する。アレイ１６における個々のエミッタ（emitters）１８は、所与の軸に関して反対の方向をそれぞれ表し、互いに相補的な角度で設けられる。１つの軸の反対の方向で関連付けされる隣接するエミッタ間の角度の関係は、図１で例示的に示される。エミッタ１８の数は非常に多い場合があり、ペア、トリプル、クアッド等で利用される場合があり、複数の異なる軸及び位置について利用される場合があることを理解されたい。

アレイ１６は、異なる、戦略的に割り当てられた周波数で、個々のアレイエレメント１８又はアレイセクションの光電力を変調する電子回路２２により駆動される。図１に示される例では、エミッタＡは、３０ｋＨｚで変調される光電力を有し、エミッタＢは、３２ｋＨｚで変調される光電力を有する。１実施の形態では、カメラ１４により追跡されるべき対象物２４は、小さな光受信機２６を身に着けており、この受信機は、赤外線（ＩＲ）又は他の放射線ビーム３２，３４を捕らえ、ＡＣ変調信号を取得するために信号を復調する。適切なフィルタリング又は波形分析は、回復された変調信号の振幅を測定及び比較するために使用される。この比較によって、対象物に関するカメラの角度位置が明らかになり、対象物２４を追跡するためにカメラ１４のパン／チルトユニット１２を位置合わせし直すために使用される。

幾つかの赤外線ビームは、パン／チルトユニット１２の位置から対象物２４の方向に放出される。個々のＩＲビームエミッタ１８のアレイは、たとえばＸ，Ｙ及び／又はＺ軸を表す正確な幾何学的なパターンに物理的に一致する。個々のエミッタ１８は、ビーム３２と３４の間の伝播のセンターライン３０を定義する、互いに関して正確な角度で設定される。また、個々のビームは、たとえばビーム３２について＋２°又はビーム３４について−２°といった指定された発散の量を有する。全てにおいて、アレイは、ソース（エミッタ１８）からの距離で対称に拡がる放射線パターンを投影する。

ＩＲエミッタアレイ１６により生成される光電力は、幾つかの周波数で変調される。それぞれの周波数は、アレイの特定の部分を駆動するために使用される。たとえば、周波数Ａは−Ｘを表し、周波数Ｂは＋Ｘを表す。１つの例では、周波数Ａ及びＢは、たとえば３０ｋＨｚ及び３２ｋＨｚのそれぞれである場合がある。

追跡された対象物２４には、ＩＲ受信装置２６が設けられる。受信装置２６は、対象物２４のシャツのポケット又はカラーに容易に身に着けることができる装置上の小さなクリップを含むか、対象物の首から吊るされる場合がある。受信機２６を取り付ける他のやり方が利用される場合もある。対象物に関するパン／チルトユニット１２の位置は、変調周波数のエネルギーレベルを比較することで識別される。

図２を参照して、テレメトリを使用して対象物を自動的に追跡する放射線を放出する送信ユニット１００が例示される。ユニット１００は、信号を変調するために波形を生成可能なマイクロプロセッサ１０２を含む。マイクロプロセッサ１０２は、波形を増幅するためにパワーアンプ１０４に波形を出力し、これにより、エミッタアレイ１０６におけるエミッタを変調するために波形が使用される。アレイ１０６におけるエミッタは、光学的に変調された信号を送信する。なお、マイクロプロセッサ１０２は、異なるエミッタ又はエミッタアレイの部分により利用されるべき異なる周波数又は振幅の異なる波形を生成する。マルチプレクサ又は他の装置（たとえばスイッチ）が利用され、マイクロプロセッサ１０２が異なるアレイの部分を変調するためにディストリビュートされる異なる周波数又は振幅の信号を発生する。

マイクロプロセッサ１０２は、増幅器（又は複数の増幅器）１０４への電力を調節するために利用される。これは、たとえば対象物への距離又は他の基準に依存して、放出された信号の電力レベルを増加するために利用される。マイクロプロセッサ１０２は、同様に他の機能についても利用される。たとえば、１実施の形態では、マイクロプロセッサは、対象物からのフォードバック信号を解釈及び比較し、パンユニット又は他の電動装置の位置を制御する。また、好適な実施の形態では、エミッタは、ＩＲエミッタを含む。

図３を参照して、追跡されるべき対象物により身に着けられるか、又は取り付けられる受信装置２００が示される。受信機２００は、複数のフォトダイオード２０４を好ましくは含むトラッキングポッド２０２を含む。フォトダイオード２０４は、エミッタアレイ１０６（図２）から放出された光を受け、受信された信号を入力回路２０６に入力する。入力回路２０６は、受信された放射線の強度、振幅及び周波数のうちの少なくとも１つに応答する。受信された信号は、総和手段２０８により合計され、ダウンストリームでの更なるデータ抽出及び処理に備えて、信号コンディショニング回路又はシグナルプロセッサ２１０により処理され、この場合、強度、振幅及び／又は周波数に基づいて、合計された信号は、対象物の位置を決定するために処理される。対象物の位置は、対象物の位置を決定又は測定するため、フーリエ変換又は他の信号処理アルゴリズムにおける受信された信号情報を使用することで決定される。

システムに依存して、受信の信号処理は、個別の位置又はロケーションで実行される場合がある。１実施の形態では、合計された信号情報は、マイクロプロセッサ１０２（図２）又はカメラロケーションにある他の装置に送信され、コンピュータ又は他の処理装置に送出され、又は受信機２００で更に処理される。１実施の形態では、データは、コンピュータ又は処理装置に送出され、対象物の位置を決定し、カメラの位置／角度を更新する位置又はトラッキング情報を生成するためにスペクトル分析される。係るケースでは、アナログ信号コンディショニング２１０及び／又はバッファ２１２は、データ取得及びスペクトル分析プログラム２１４に送出されるべき到来データをコンディショニング及びバッファリングすることにおいて有効である。

図４を参照して、この開示の原理に従って対象物３２０を自動的にトラッキングするシステム３００が示される。アレイドライバ１００は、エミッタアレイ１０６に電力を供給し、変調する電子回路を含む。放射線３０２は、フォトダイオード２０４又は他のフォトセンサにより受信される。受信機２００は、ＩＲセンサ２０４のフォトダイオードにより出力される信号を受信及び調整する処理エレクトロニクスを含む。受信された信号情報は、パーソナルコンピュータ又は他の処理装置３０４に送出される。

コンピュータ３０４は、受信機２００により送出されるデータを分析するために１以上のソフトウェアプログラムを含む。コンピュータ３０４は、データ取得、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）、テレメトリデータ解釈及びシステムコマンド通信をサポートするため、ソフトウェア及びアルゴリズム３０６を含む。解釈されたデータは、所与の周波数変調された光信号の受信機２００により受信されるエネルギーレベルに基づいて対象物の位置を決定することを含む。このように、対象物の位置のテレメトリック表現は、カメラアングル又は位置の調節を許容するためにそれぞれのアクセスについて決定される。

コンピュータ３０４は、サーボ又は他の移動装置３１０を制御する信号を出力する、プリント配線ボード、カード又はポート３０８を含むことが好ましい。これらの信号は、カメラ３１２を移動させるパン／チルト制御信号を含む。ポート３０８は、ＲＳ−２３２プロトコルを使用するが、他のプロトコルが採用される場合がある。データの解釈は、対象物をセンタリングするためにカメラの位置の変化の方向及び大きさを決定することを含む。代替的に、対象物は、センタリングされる必要はないが、予め決定された位置又は座標に従って位置合わせされる場合がある。

サーボ３１０は、対象物への動きに従ってカメラ３１２を新たな位置に適切に移動させるため、コンピュータ３０４から送出されたパン／チルト制御信号３１４に応答する。受信機２００は、コンピュータ３０４と無線で通信する場合があることが理解される。このように、対象物は、有線による移動に制限されない。さらに、代替的な実施の形態では、送信機１００は、対象物により身に着けられ、受信機２００は、カメラ３１２の近くに位置される。

図５〜７を参照して、ＩＲ受信機により見られたときに４つの変調周波数の相対的なエネルギーレベルを示すオシロスコープ表示の表現が例示される。それぞれの表示における下の軌跡４０２は、受信機２００（図４参照）により受信されたときに合計された信号を示す。それぞれの表示における上の軌跡４０４は、フーリエ変換からの出力として４つの変調周波数の相対的な振幅を示す。２つの最も左のピークはＸ軸の反対方向を表し、２つの最も右のピークはＹ軸の反対の方向を表す。

図５では、上の軌跡の全ての変調周波数は等しい振幅である。この条件は、デフォルト又は「ホーム」ポジションである。対象物は、立っているか又はカメラアイの中央に位置する。図６では、対象物は、Ｙ軸上でセンタリングされるが、Ｘ軸の左でセンタリングから外れている。左からの第二のピークは、他のピークよりも高く、したがって、ｘ軸の補正が必要とされる。図７では、対象物は、Ｘ軸上でセンタリングされるが、Ｙ軸上でセンタリングから外れている。右からの第二のピークは、他のピークよりも高く、したがってｙ軸の補正が必要とされる。エミッタの相対的な位置に依存して、どの位多くの調節が補正のために必要とされるかに関する計算が実行され、カメラを移動させるための制御信号として提供される。

（例示であって限定されることが意図されない）オートトラッキングカメラのシステム及び方法の好適な実施の形態が記載されたが、変更及び変形は上記教示に照らして当業者によりなされることに留意されたい。したがって、特許請求の範囲により概説される本発明の範囲及び精神にある開示される発明の特定の実施の形態において変形が行われることが理解される。本発明を詳細かつ特許法により特に要求されるように記載したが、特許請求されるものは、特許請求の範囲に述べられる。

例示的なシステムで追跡される対象物にセンターラインに関して光を送信するダイオードのペアを有するエミッタアレイを示す概念図である。 対象物を追跡するために例示的な送信を示すブロック図である。 対象物を追跡するために例示的な受信機ユニットを示すブロック図である。 特定の有効な実施の形態に係るオートトラッキングシステムを示すブロック図である。 対象物がカメラの視野にセンタリングされたとき、４つの変調周波数の相対的な振幅の軌跡を示す図である。 対象物がＸ方向で中心から外れているとき、４つの変調周波数の相対的な振幅の軌跡を示す図である。 対象物がＹ方向で中心から外れているとき、４つの変調周波数の相対的な振幅の軌跡を示す図である。

Claims (24)

1. トラッキング装置と関連付けられる少なくとも１つのエミッタから放出される放射線であって、追跡される対象物で受信される放射線における変化に応答して、受信されるエミッタの放射線のエネルギーレベルに基づいて前記トラッキング装置についてトラッキングの変化の方向及び大きさを決定するプロセッサを有し、
   前記少なくとも１つのエミッタは、センターラインに関して配列された複数のエミッタであり、前記複数のエミッタで構成されるエミッタペアの各エミッタが、前記センターラインから等しく且つ反対の角度で向けられる
   ことを特徴とするトラッキング装置。
2. 前記エミッタから出力されるエミッタ信号は、前記対象物の位置を決定するために変調され、前記プロセッサは、前記変調から放射線における変化に応答する、
   請求項１記載のトラッキング装置。
3. 前記エミッタは、複数の赤外線ダイオードを含むエミッタアレイである、
   請求項１記載のトラッキング装置。
4. 前記プロセッサは、複数のフォトダイオードを含む前記対象物の近くにある放射線受信手段と結合される、
   請求項１記載のトラッキング装置。
5. 前記エミッタは、ダイオードペアを含み、前記ダイオードペアは、前記ダイオードペアのそれぞれのダイオードがセンターラインから等しく且つ反対の角度で向けられるように、前記センターラインに関して配列される、
   請求項１記載のトラッキング装置。
6. 前記エミッタは、最初のトラッキング装置の位置に関してＸ方向及びＹ方向をモニタするために放射線を放出する、
   請求項１記載のトラッキング装置。
7. 前記プロセッサは、前記トラッキング装置の位置に対する変化について方向及び大きさを決定するために、複数の変調されたエミッタ信号のエネルギーレベルを測定するデータ取得ソフトウェアを含み、
   前記プロセッサは、前記複数の変調されたエミッタ信号の測定されたエネルギーレベルに基づいて前記トラッキング装置のためのトラッキングの変化の方向及び大きさを決定する
   請求項１記載のトラッキング装置。
8. 前記複数の変調されたエミッタ信号は、前記複数のエミッタについて別個の変調周波数を含む、
   請求項７記載のトラッキング装置。
9. 前記受信手段は、追跡されるべき対象物に結合され、前記プロセッサと無線で通信する、
   請求項４記載のトラッキング装置。
10. 前記エミッタから出力されるエミッタ信号は、マイクロプロセッサにより制御され、変調される、
    請求項１記載のトラッキング装置。
11. ビデオカメラと、
    少なくとも１つの次元で追跡されるべき対象物に向けて放射線を放出するエミッタアレイであって、前記エミッタアレイを構成する複数のエミッタの少なくとも１つから出力されるエミッタ信号は、前記対象物の位置を決定するために変調され、前記複数のエミッタにおける各エミッタがセンターラインから等しく且つ反対の角度で向けられるように前記センターラインに関して配列されたエミッタアレイと、
    前記追跡されるべき対象物に関連付けされ、前記エミッタアレイから放射された前記放射線を受信する受信手段と、
    前記受信手段によって前記エミッタアレイから受信された放射線のエネルギーレベルに基づいて前記対象物の位置を決定し、前記放射された放射線における変化を解釈し、前記変化を前記ビデオカメラのカメラ位置に相関付けるプロセッサと、
    を有することを特徴とするカメラビュートラッキング装置。
12. 前記プロセッサからのカメラの位置を制御する信号を受信し、受信されたカメラ位置制御信号に従って前記ビデオカメラを移動させるパン／チルトユニットを更に備える、
    請求項１１記載のトラッキング装置。
13. 前記エミッタアレイは、複数の赤外線ダイオードを含む、
    請求項１１記載のトラッキング装置。
14. 前記受信手段は、複数のフォトダイオードを含む、
    請求項１１記載のトラッキング装置。
15. 前記エミッタアレイは、少なくとも１つの次元についてダイオードペアを含み、前記ダイオードペアは、前記ペアのそれぞれのダイオードがセンターラインから等しく且つ反対の角度で向けられるように、前記センターラインに関して配列される、
    請求項１１記載のトラッキング装置。
16. 前記エミッタアレイは、最初のカメラの位置に関してＸ方向及びＹ方向をモニタするために放射線を放出する、
    請求項１１記載のトラッキング装置。
17. 前記プロセッサは、前記ビデオカメラの前記カメラ位置に対する変化について方向及び大きさを決定するために、複数の変調されたエミッタ信号のエネルギーレベルを測定するデータ取得ソフトウェアを含み、
    前記プロセッサは、前記複数の変調されたエミッタ信号の測定されたエネルギーレベルに基づいて前記ビデオカメラのカメラ位置の変化を決定する
    請求項１１記載のトラッキング装置。
18. 前記複数の変調されたエミッタ信号は、前記エミッタアレイを構成する複数のエミッタのそれぞれについて別個の変調周波数を含む、
    請求項１７記載のトラッキング装置。
19. 前記受信手段は、前記プロセッサと無線で通信する、
    請求項１１記載のトラッキング装置。
20. 前記エミッタ信号は、マイクロプロセッサにより制御され、変調される、
    請求項１１記載のトラッキング装置。
21. ビデオカメラと、
    エミッタアレイを制御して、前記エミッタアレイを構成するエミッタから出力される放射線信号を変調するマイクロプロセッサを含む送信手段であって、前記エミッタアレイは、前記エミッタアレイと少なくとも１次元で追跡されるべき対象物の最初の位置との間のセンターラインに関して放射線を放出し、前記エミッタのそれぞれから出力される前記放射線信号は、前記対象物の位置を決定するために変調され、
    前記追跡されるべき対象物に接続され、前記エミッタアレイから放射された前記放射線を受信し、受信された放射線信号を処理する受信手段と、
    前記ビデオカメラのカメラ位置に対する変化について方向及び大きさを決定するために、複数の変調された放射線信号のエネルギーレベルを測定するデータ取得ソフトウェアを含み、前記受信された放射線信号における変化を解釈し、前記変化を前記カメラ位置に相関付け、カメラ位置制御信号を出力するプロセッサと、
    前記カメラ位置制御信号を受信し、前記カメラ位置制御信号に従って前記ビデオカメラを移動させるパン／チルトユニットと、
    を有することを特徴とするカメラビュートラッキング装置。
22. 前記エミッタアレイは、前記少なくとも１次元についてダイオードペアを含み、前記ダイオードペアは、前記ダイオードペアのそれぞれのダイオードがセンターラインから等しく且つ反対の角度で向けられるように、前記センターラインに関して配列される、
    請求項２１記載のトラッキング装置。
23. 追跡される対象物において放射線信号を受信するステップと、前記放射線信号は、トラッキング装置に関連される放射線源から放出され、受信手段を介して追跡される対象物において前記放射線信号が受信され、
    前記放射線源は、センターラインに関して配列された複数のエミッタであり、前記複数のエミッタで構成されるエミッタペアの各エミッタが、前記センターラインから等しく且つ反対の角度で向けけられ、
    受信された前記放射線信号のエネルギーレベルに基づいて前記追跡される対象物の位置を決定するために、受信された前記放射線信号を処理して、前記トラッキング装置についてトラッキングの変化の方向及び大きさを決定するステップと、
    を含む方法。
24. 前記受信された放射線信号を含む複数の変調されたエミッタの放射線信号のエネルギーレベルを測定して、前記トラッキング装置の位置に対する変化の方向及び大きさを決定するステップを更に含み、
    前記受信された前記放射線信号の処理は、前記複数の変調されたエミッタの放射線信号の測定されたエネルギーレベルに基づいて前記トラッキング装置についてのトラッキングの変化の方向及び大きさを決定することを含む、
    請求項２３記載の方法。

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