JP6257439B2 - 撮像装置及び撮像方法 - Google Patents
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Description
固定撮影は、デジタルカメラ(以下単に「カメラ」という)を三脚等に固定して、長秒露光撮影を行う方法である。この方法によれば、日周運動による星の移動軌跡と背景の景色とを一緒にした写真(星景写真)を撮影することができる。数分の露光時間ならば、高感度低ノイズのカメラを利用して、比較的容易に、そのような撮影が可能である。また、カメラのインターバル撮影機能を利用して、天体を短い露光時間で複数回撮影し、得られた複数の天体画像の中から高輝度画素を選択して一つの画像に合成する(比較明合成処理等)、といった後処理により星景写真を作成する方法等も行われている。
例えば、特許文献1には、そのようなカメラが提案されている。特許文献1のカメラでは、カメラが位置する場所の緯度φ、撮影光学系が狙う天体の方位A、天体の高度h、及び撮影光学系の焦点距離fから、単位時角Hにおける天体の方位Aの変位量dA/dHを下記式(1)、高度hの変位量dh/dHを下記式(2)、天球面上において、天の極と天体とを最短で結ぶ曲線と、天頂と天体とを最短で結ぶ曲線とがなす角θの変化量dθ/dHを下記式(3)により算出することが行われる。
dh/dH=−sinA・cosφ (2)
dθ/dH=cosA・cosφ/cos(h) (3)
また、カメラが水平に構えられているときの、水平をX軸、垂直をY軸と定義したとき、天体像の撮像素子上での位置を一定に維持する追尾撮影を行うための撮像素子の単位時角あたりの移動量ΔX、ΔY、単位時角あたりの回転角Δθを下記式(4)、(5)、及び(6)により算出することが行われる。
ΔY=f・tan(dh/dH) (5)
Δθ=dθ/dH (6)
そして、撮像素子移動機構により撮像素子を単位時間あたりΔX、ΔY、Δθの速度で駆動制御することが行われる。
図1は、本発明の一実施の形態に係る撮像装置であるカメラの構成例を示す図である。
図1に示したように、本実施形態に係るカメラ100は、光学系101、エンコーダ102、フォーカルプレーンシャッター(以下単に「シャッター」という)103、撮像素子104、駆動部105、システムコントローラ106、ブレ補正マイコン107、角速度センサ108a、加速度センサ108b、地磁気センサ108c、GPS(Global Positioning System)センサ108d、変倍操作部109、レリーズSW(スイッチ)110、EVF(Electronic View Finder)111、メモリカード112、時計回路113、及び通信部114を含む。
シャッター103は、撮像素子104の撮像面近傍に配置され、システムコントローラ106からの駆動指示に応じて、撮像素子104の撮像面を露出状態又は遮光状態に切り替える。
駆動部105は、撮像素子104を支持すると共に、ブレ補正マイコン107からの駆動指示に応じて、撮像素子104を撮像面上において上下左右に移動させると共に回転させる。より詳しくは、撮像素子104の撮像面を、その撮像面を含む平面上において、上下左右に移動させると共に回転させる。なお、回転の際の回転軸は光軸となり、その回転により、撮像素子104の撮像面に結像された被写体像に対して撮像素子104が回転する。駆動部105の構成例については、図2を用いて後述する。
加速度センサ108bは、カメラ100に生じる3軸方向の並進運動と重力加速度を検出する。これにより、重力ベクトルに対するカメラ100の傾きを取得することができる。
時計回路113は、現在の日付(年月日)及び時刻を計数し、システムコントローラ106に通知する。
図2に示したように、駆動部105は、回転ステージ1051、θ軸駆動部1051a、Y軸ステージ1052、Y軸駆動部1052a、X軸ステージ1053、及びX軸駆動部1053aを含む。
Y軸ステージ1052は、X軸ステージ1053に対してY軸方向(図2の上下方向)に移動可能に支持され、Y軸駆動部1052aによって所定の範囲で移動する。
このように、駆動部105は、撮像素子104を、X軸方向、Y軸方向、及び回転方向に変位可能に、保持している。
ここでは、その動作の一例として、星野写真を撮影するための天体撮影動作について説明する。なお、この天体撮影動作では、カメラ100が、図示しない架台付きの三脚により保持されているとする。架台は、カメラ100を所定の位置や向きに固定するための装置である。三脚は、架台を支えることでカメラ100を撮影場所に固定するためのものである。但し、撮影場所に固定し撮影方向を調整、保持できるような機構を備えていれば、架台付きの三脚以外のものにカメラ100が保持されてもよい。
図3に示したように、カメラ100の電源が投入され、天体撮影動作が開始すると、まず、システムコントローラ106は、駆動部105の初期化を行う(S110)。より詳しくは、駆動部105の回転ステージ1051、Y軸ステージ1052、及びX軸ステージ1053を初期位置に移動する。これにより、撮像素子104が初期位置に移動する。
図4に示したように、この初期恒星姿勢フレーム算出処理が開始すると、まず、システムコントローラ106は、追尾撮影動作の初期化を行う(S151)。より詳しくは、シャッター103を閉口状態にして撮像素子104の撮像面を遮光状態にすると共に撮像素子104の電荷を排出する静止画撮影準備処理等を行う。
t_end=t_now+t_exp (8)
続いて、システムコントローラ106は、露光終了時刻(t_end)が追尾補正時刻(t_mov)よりも後の時刻か否か(t_end>t_movか否か)を判定する(S190)。ここで、その判定結果がNoの場合には、後述のS280へ進む。
図5は、恒星姿勢フレーム変換処理(S230)の詳細を示すフローチャートの一例である。
ここで、その判定結果がNoの場合、ブレ補正マイコン107は、駆動部105の駆動を行わずに、システムコントローラ106にエラー通知を行い(S260)、処理が後述のS280へ進む。
一方、S190の判定結果がNoの場合、S200の判定結果がYesの場合、又は、S260の後は、続いて、システムコントローラ106は、撮影終了処理を行う(S280)。より詳しくは、システムコントローラ106は、シャッター103を閉口状態にして撮像素子104の撮像面を遮光状態にして露光を終了し、そして、撮像素子104に蓄積されている電荷を読み出し、保存する形式に変換して、画像データとしてメモリカード112に記録する。なお、このときに、画像データと共に記録される、その画像データのタグ情報に天体撮影関連情報を含めるようにしてもよい。
このような天体撮影動作により、追尾撮影動作中には、日周運動により生じる恒星の並進移動及び回転移動を打ち消す方向に撮像素子104が並進移動及び回転移動するようになるので、恒星が点像となる星野写真の撮影が可能になる。
なお、図6において、プロセスB1は、図3のS150に対応し、プロセスB2は、図5のS231に対応し、プロセスB3は、図3のS160に対応し、プロセスB4は、図5のS232に対応し、プロセスB5は、図5のS233に対応し、プロセスB6は、図5のS234に対応する。また、図6において、t=0は、追尾動作開始時の時刻に対応し、t=t+xは、追尾補正間隔時間毎の時刻に対応する。また、図6では、説明の便宜のため、パラメータをPRMと記す。
プロセスB3では、カメラ姿勢情報から、地平座標をカメラ座標に変換するためのカメラ姿勢変換パラメータが算出される。
はじめに、使用される用語について、次のように定義しておく。
まず、プロセスB1乃至B6で使用される4つの座標系を、図7に示すと共に、次のように定義しておく。
二つ目の座標系は、観測者であるユーザが立っている地平位置の経緯度座標(経度λ、緯度φ)で表され、重力軸と方位軸を基準軸とした地平座標系{H}である。
なお、図7では、説明の便宜のため、カメラ座標系{C}のXc軸及びYc軸を含む2次元座標面の座標系をUV座標系として示している。また、図7では、説明の便宜のため、赤道座標系{E}、地平座標系{H}、及びカメラ座標系{C}の3つの3次元座標系が離れて示されているが、実際には、その各座標系の中心位置座標が一致する。
方位A :カメラの姿勢を表すパラメータであり、北を0°とし、東回りに東が90°、南が180°、西が270°となる。
高度h :カメラの姿勢を表すパラメータであり、水平状態を0°、光軸前方が天頂方向に向くと+90°、天底方向を向くと−90°となる。
傾きr :カメラの姿勢を表すパラメータであり、水平状態を0°、右側水平方向が天頂方向に向くと−90°、天底方向を向くと+90°となる。
経度λ、緯度φ :地球上の現在位置情報(地平座標系)を表す。
赤経α、赤緯δ :赤道座標上での恒星の極座標位置情報を表す。
天体撮影動作において、ユーザがフレーミングや焦点合わせ等を行い撮影条件が決まれば、カメラ姿勢は固定となる。このときのカメラ位置や姿勢などを初期天体撮影関連情報とすると、ターゲットとなる恒星の赤道座標位置は、初期天体撮影関連情報により、一意に決定される。時間と共に変動するのは、地球の自転により移動して見える恒星座標位置の方向と回転のみである。このような日周運動による恒星の移動軌跡の算出は、プロセスB1乃至B6によって実現される。
カメラ姿勢方向ベクトル
を、赤道座標での恒星方向ベクトル
として、下記式(10)により求める。
上記式(10)の右辺の第3項は、下記式(11)により表される。
とする。次に、赤経、赤緯を座標とする球面座標系を考える。天体(恒星)Sの方向ベクトル
の、天球上で天体Sから北及び東に向いた赤緯、赤経方向の単位ベクトルをそれぞれ
とする。赤道極座標から直交座標への変換は、下記変換式(15)により与えられる。
が求められる。
プロセスB3では、カメラ姿勢変換パラメータの算出を行う。より詳しくは、地平座標系{H}において、カメラ100の光軸方向が、恒星方向の姿勢(方位A、高度h、傾きr)と一致するような回転行列を算出する。この回転行列は、地平座標系{H}の基準位置から、カメラ座標系{C}の光軸方向ベクトルを恒星方向に向ける回転姿勢となり、地平座標系{H}からカメラ座標系{C}に変換するためのカメラ姿勢変換パラメータとなる。
カメラ100は、恒星方向の天体にフレーミングされているので、この時(撮影開始時、初期化時)のカメラ姿勢(方位A、高度h、傾きr)から、カメラ姿勢変換パラメータ
を算出しておく。カメラ姿勢変換パラメータは、地平座標系{H}のベクトルを、カメラ座標系{C}のベクトルに変換するためのパラメータである。撮影中はカメラ100が固定されているので、初期化時に一度算出しておくことで、固定パラメータとして利用することができる。地平座標系{H}と、カメラ座標系{C}と、カメラ画像面(カメラ撮像面)の初期位置の関係を図9に示す。
を求め、その回転姿勢行列から回転姿勢パラメータ
に変換することができる。
JD=[365.25Y]+[Y/400]-[Y/100]+[30.59(M-2)]+D+1721088.5 (17)
MJD=JD-2400000.5 (18)
続いて、準ユリウス日(MJD)から、グリニッジ恒星時θG を求める。これは、特に精密な計算を行わない限り、下記式(19)を用いて、求めることができる。
θG=24・[0.67239+1.00273781(MJD-40000.0)] (19)
続いて、グリニッジ恒星時θG と撮影位置(観測位置)の経度λから、下記式(20)を用いて、地方恒星時θを求める。なお、地方恒星時θは、経度λにおいて南中している恒星の赤経αである。
θ=θG-λ (20)
続いて、地方恒星時θと赤経αから、下記式(21)を用いて、時角Hを求める。
H=θ-α (21)
図10は、赤道座標系から地平座標系への変換を説明する図である。
図10に示したように、赤道座標上の恒星姿勢フレーム
を、Ze軸回りに地方恒星時θに相当する角度で回転させ(Xe→x´)、更にYe軸回りに緯度φの角度で回転させる(x´→Xh)演算を行うことで、現在の地平座標(経度λ、緯度φ)から見た恒星姿勢のフレーム
が求められる。これは、下記式(17)、(18)により求められる。
カメラ座標系{C}から見た恒星姿勢フレームを、
は、ピンホールカメラモデルにおけるカメラ撮像面のU、V方向のそれぞれの像倍率で、光学系101の焦点距離により換算される。通常の光学系では、
のどちらも同じ値である。また
は、カメラ画像上の光学中心座標位置を示すパラメータである。なお、ピンホールカメラモデルにおけるカメラ座標系とカメラ撮像面の関係は、図9に示したとおりである。
例えば、本実施形態では、恒星の位置(方位と高度)を示す方向ベクトルと天体の回転方向を示す方向ベクトルとを行列データとして定義し、行列演算で赤道座標系からカメラ座標系までの回転行列演算を行った。これを例えば、恒星の位置を示す方向ベクトルと天体の回転方向を示す方向ベクトルとをそれぞれ単独のベクトルによる回転演算で処理するようにしてもよい。すなわち、本実施形態では、プロセスB1により算出される赤道座標上の恒星姿勢情報を、恒星の方向を示す方向ベクトルと、恒星の赤経又は赤緯方向の少なくとも一つを示す方向ベクトルと、による恒星姿勢フレームとし、プロセスB6により変換された撮像投影位置情報から投影座標上の並進移動量及び回転量を算出した。これを例えば、プロセスB1により算出される赤道座標上の恒星姿勢情報を恒星の方向を示す方向ベクトルとして、プロセスB6により変換された撮像投影位置情報から投影座標上の並進移動量を算出すると共に、プロセスB1により算出される赤道座標上の恒星姿勢情報を恒星の赤経又は赤緯方向を示す方向ベクトルとして、プロセスB6により変換された撮像投影位置情報から投影座標上の回転量を算出する、ようにしてもよい。
また、本実施形態では、駆動部105により撮像素子104を並進及び回転させることにより、撮像素子の撮像面に結像される被写体像に対して撮像素子を相対的に並進及び回転させる構成であった。これを例えば、光学系101を移動させることで撮像素子104の撮像面に結像される被写体像を並進させる光学系駆動部をカメラ100が更に備えて、その光学系駆動部により、撮像素子104の撮像面に結像される被写体像を並進させると共に、駆動部105により、撮像素子104を回転させることにより、撮像素子の撮像面に結像される被写体像に対して撮像素子を相対的に並進及び回転させる構成としてもよい。
101 光学系
102 エンコーダ
103 シャッター
104 撮像素子
105 駆動部
106 システムコントローラ
107 ブレ補正マイコン
108a 角速度センサ
108b 加速度センサ
108c 地磁気センサ
108d GPSセンサ
109 変倍操作部
110 レリーズSW
111 EVF
112 メモリカード
113 時計回路
114 通信部
1051 回転ステージ
1051a θ軸駆動部
1052 Y軸ステージ
1052a Y軸駆動部
1053 X軸ステージ
1053a X軸駆動部
Claims (10)
- 撮像素子の撮像面に結像される被写体像に対して前記撮像素子を相対的に並進及び回転させる並進回転機構部と、
日周運動による恒星の移動軌跡を算出する移動軌跡算出部と、
前記移動軌跡算出部により算出された移動軌跡に基づいて、前記並進回転機構部による前記並進及び回転を制御する並進回転制御部と、
を備え、
前記移動軌跡算出部は、
当該撮像装置の姿勢情報、当該撮像装置の位置情報、及び撮像日時情報から、当該撮像装置の光軸上の赤道座標上の恒星姿勢情報を算出する恒星姿勢算出部と、
当該撮像装置の位置情報及び撮像日時情報から、赤道座標を地平座標に変換するための地平変換パラメータを算出する地平変換パラメータ算出部と、
当該撮像装置の姿勢情報から、前記地平座標を撮像装置座標に変換するための撮像装置姿勢変換パラメータを算出する撮像装置姿勢変換パラメータ算出部と、
前記地平変換パラメータ算出部により算出された地平変換パラメータを用いて、前記恒星姿勢算出部により算出された赤道座標上の恒星姿勢情報を、地平座標上の恒星姿勢情報に変換する地平座標変換部と、
前記撮像装置姿勢変換パラメータ算出部により算出された撮像装置姿勢換パラメータを用いて、前記地平座標変換部により変換された地平座標上の恒星姿勢情報を、撮像装置座標上の恒星姿勢情報に変換する撮像装置座標変換部と、
当該撮像装置の光学系の投影変換パラメータを用いて、前記撮像装置座標変換部により変換された撮像装置座標上の恒星姿勢情報を、前記撮像面上での撮像投影位置情報に変換する投影座標変換部と、
を含む、
ことを特徴とする撮像装置。 - 前記移動軌跡算出部は、撮像開始時に取得した前記撮像投影位置情報と、前記撮像開始時から所定時間経過後に取得した前記撮像投影位置情報とを比較し、前記所定時間経過後の撮像投影位置変位量を算出する、
ことを特徴とする請求項1記載の撮像装置。 - 前記移動軌跡算出部は、前記恒星姿勢算出部により算出される前記赤道座標上の恒星姿勢情報を前記恒星の方向を示す方向ベクトルとし、前記投影座標変換部により変換された撮像投影位置情報から投影座標上の並進移動量を算出する、
ことを特徴とする請求項2記載の撮像装置。 - 前記移動軌跡算出部は、前記恒星姿勢算出部により算出される前記赤道座標上の恒星姿勢情報を前記恒星の赤経又は赤緯方向を示す方向ベクトルとし、前記投影座標変換部により変換された撮像投影位置情報から投影座標上の回転量を算出する、
ことを特徴とする請求項2記載の撮像装置。 - 前記移動軌跡算出部は、前記恒星姿勢算出部により算出される前記赤道座標上の恒星姿勢情報を、前記恒星の方向を示す方向ベクトルと、前記恒星の赤経又は赤緯方向の少なくとも一つを示す方向ベクトルと、による恒星姿勢フレームとし、前記投影座標変換部により変換された前記撮像投影位置情報から投影座標上の並進移動量及び回転量を算出する、
ことを特徴とする請求項2記載の撮像装置。 - 撮像素子の撮像面に結像される被写体像に対して前記撮像素子を相対的に並進及び回転させる並進回転機構部を含む撮像装置の撮像方法であって、
日周運動による恒星の移動軌跡を算出する移動軌跡算出ステップと、
前記移動軌跡算出ステップにより算出された移動軌跡に基づいて、前記並進回転機構部による前記並進及び回転を制御する並進回転制御ステップと、
を備え、
前記移動軌跡算出ステップは、
前記撮像装置の姿勢情報、前記撮像装置の位置情報、及び撮像日時情報から、前記撮像装置の光軸上の赤道座標上の恒星姿勢情報を算出する恒星姿勢算出ステップと、
前記撮像装置の位置情報及び撮像日時情報から、赤道座標を地平座標に変換するための地平変換パラメータを算出する地平変換パラメータ算出ステップと、
前記撮像装置の姿勢情報から、前記地平座標を撮像装置座標に変換するための撮像装置姿勢変換パラメータを算出する撮像装置姿勢変換パラメータ算出ステップと、
前記地平変換パラメータ算出ステップにより算出された地平変換パラメータを用いて、前記恒星姿勢算出ステップにより算出された赤道座標上の恒星姿勢情報を、地平座標上の恒星姿勢情報に変換する地平座標変換ステップと、
前記撮像装置姿勢変換パラメータ算出ステップにより算出された撮像装置姿勢換パラメータを用いて、前記地平座標変換ステップにより変換された地平座標上の恒星姿勢情報を、撮像装置座標上の恒星姿勢情報に変換する撮像装置座標変換ステップと、
前記撮像装置の光学系の投影変換パラメータを用いて、前記撮像装置座標変換ステップにより変換された撮像装置座標上の恒星姿勢情報を、前記撮像面上での撮像投影位置情報に変換する投影座標変換ステップと、
を含む、
ことを特徴とする撮像方法。 - 前記移動軌跡算出ステップは、撮像開始時に取得した前記撮像投影位置情報と、前記撮像開始時から所定時間経過後に取得した前記撮像投影位置情報とを比較し、前記所定時間経過後の撮像投影位置変位量を算出する、
ことを特徴とする請求項6記載の撮像方法。 - 前記移動軌跡算出ステップは、前記恒星姿勢算出ステップにより算出される前記赤道座標上の恒星姿勢情報を前記恒星の方向を示す方向ベクトルとし、前記投影座標変換ステップにより変換された撮像投影位置情報から投影座標上の並進移動量を算出する、
ことを特徴とする請求項7記載の撮像方法。 - 前記移動軌跡算出ステップは、前記恒星姿勢算出ステップにより算出される前記赤道座標上の恒星姿勢情報を前記恒星の赤経又は赤緯方向を示す方向ベクトルとし、前記投影座標変換ステップにより変換された撮像投影位置情報から投影座標上の回転量を算出する、
ことを特徴とする請求項7記載の撮像方法。 - 前記移動軌跡算出ステップは、前記恒星姿勢算出ステップにより算出される前記赤道座標上の恒星姿勢情報を、前記恒星の方向を示す方向ベクトルと、前記恒星の赤経又は赤緯方向の少なくとも一つを示す方向ベクトルと、による恒星姿勢フレームとし、前記投影座標変換ステップにより変換された前記撮像投影位置情報から投影座標上の並進移動量及び回転量を算出する、
ことを特徴とする請求項7記載の撮像方法。
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