JP6448734B1 - 移動体撮像装置、および、移動体撮像方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】大きさの異なる複数の可動ミラーによりカメラの光軸を変更する移動体撮像装置で、画質の向上と追尾性能維持を両立する移動体撮像装置を提供する。
【解決手段】上述の課題を解決するため、本発明の移動体撮像装置は、略水平方向を横切る移動体を追尾して撮像するものであって、複数の可動ミラーを順次反射した前記移動体の像を撮像するカメラと、該カメラの撮像画像の重力方向を走査方向とする重力方向可動ミラーと、該重力方向可動ミラーの角度を変更する第一モータと、前記カメラの撮像画像の左右方向を走査方向とする左右方向可動ミラーと、該左右方向可動ミラーの角度を変更する第二モータと、前記カメラ、前記第一モータ、および、前記第二モータを制御する制御部と、を備え、前記カメラは、前記重力方向可動ミラーと、前記左右方向可動ミラーで順次反射した、前記移動体の像を撮像するものとした。
【選択図】図１
【解決手段】上述の課題を解決するため、本発明の移動体撮像装置は、略水平方向を横切る移動体を追尾して撮像するものであって、複数の可動ミラーを順次反射した前記移動体の像を撮像するカメラと、該カメラの撮像画像の重力方向を走査方向とする重力方向可動ミラーと、該重力方向可動ミラーの角度を変更する第一モータと、前記カメラの撮像画像の左右方向を走査方向とする左右方向可動ミラーと、該左右方向可動ミラーの角度を変更する第二モータと、前記カメラ、前記第一モータ、および、前記第二モータを制御する制御部と、を備え、前記カメラは、前記重力方向可動ミラーと、前記左右方向可動ミラーで順次反射した、前記移動体の像を撮像するものとした。
【選択図】図１
Description
本発明は、移動体撮像装置および移動体撮像方法に係り、特に空間上を自由に動くマルチコプタ等の飛行体や、道路を走行する車両などの走行体を撮像する移動体撮像装置、移動体撮像方法に関する。
従来、対象領域を移動する飛行体等の移動体を撮像する装置が知られている。移動中の移動体を追尾して撮影するためには、移動体をカメラの撮像範囲に捕捉するように、カメラの光軸を制御する必要がある。カメラの光軸を移動体に向ける制御方法として、回転可能な複数の可動ミラーを各々異なる回転軸のモータで駆動することで、カメラの光軸を移動体に追尾させる方法が知られている。この技術は、例えば、特許文献１に開示されており、同文献の要約書には、「光不透過性の筐体Ｂ１に光透過性のウィンドウＷ１を設け、筐体Ｂ１内に撮像装置Ｃ１と、方位角回転反射ミラーＭ１と、傾斜角回転反射ミラーＭ２と、ミラーＭ１，Ｍ２を回転させるモータｍ１，ｍ２とを配置した。対象視界からの光束Ｉは、ウィンドウＷ１を通過した後、ミラーＭ１により正反射され、更にミラーＭ２に当たって反射され、それにより対象像は正位像に戻り、その対象の正位像が撮像装置Ｃ１に入射する。」と記載されている。
移動体撮像装置に求められる性能として、より鮮明な画像の取得がある。画質の向上にはカメラの画素数を増加させることが効果的である。例えば、２Ｋ解像度（横１９２０画素×縦１０８０画素）と、４Ｋ解像度（横３８４０画素×縦２１６０画素）で撮像した場合、２Ｋ解像度に対して４Ｋ解像度では縦横の分解能が各々２倍向上しているため、４Ｋ解像度では同一の被写体を２Ｋ解像度の４倍の画素数で撮像できる。
ここで、４Ｋ解像度と２Ｋ解像度の撮像素子の一画素の大きさが共に１０μｍであった場合、２Ｋ解像度向け撮像素子の大きさが縦１９．２ｍｍ×横１０．８ｍｍに対して、４Ｋ解像度では縦３８．４ｍｍ×横２１．６ｍｍと、撮像素子が２倍大きくなる。そのため、カメラに取り付けるレンズの焦点距離を２倍にすることで、画角が等しくなり、ケラレの発生が抑えられる。
しかし、レンズの開口径を維持したまま焦点距離を２倍にすると、カメラが光を取り込む度合いを示すＦ値が４倍となり、得られる画像の明るさが１／４となる。また、被写界深度も浅くなり、例えば奥行き方向に高速移動する移動体を追尾して撮影する際には、フォーカスが甘くなりやすい。さらに、明るさは露光時間を延長することで緩和されるが、高速移動体ではモーションブラー（ブレ）の原因になる。これらの原因により、画質向上を画素数増加で実現する際には、レンズの開口径を大きくすることが必要となるため、特許文献１のように、可動ミラーを介して移動体を撮像する移動体撮像装置においては、可動ミラーの反射面積を拡大することが求められる。
ところが、可動ミラーの大型化はモータの負荷質量の増大につながり、同じ応答性能を得るためには、より大きなモータが必要となる。大きなモータはより多くの電流を流す必要があり、そのためコイルで発生する銅損によりモータの温度が上昇する。モータの温度上昇はモータの発生トルク低下や周辺光学部品の熱変形などにつながるため、モータを積極的に冷却する装置が新たに必要となり、装置が大型化、複雑化する。移動体撮像装置は監視装置として用いられることも多く、装置の大型化や複雑化は好ましくない。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、大きさの異なる複数の可動ミラーによりカメラの光軸を変更する移動体撮像装置で、可動ミラーを駆動するモータの発熱量を抑制しつつ、画質の向上と追尾性能維持を両立する移動体撮像装置を提供することを目的とする。
上述の課題を解決するため、本発明の移動体撮像装置は、略水平方向を横切る移動体を追尾して撮像するものであって、複数の可動ミラーを順次反射した前記移動体の像を撮像するカメラと、該カメラの撮像画像の重力方向を走査方向とする重力方向可動ミラーと、該重力方向可動ミラーの角度を変更する第一モータと、前記カメラの撮像画像の左右方向を走査方向とする左右方向可動ミラーと、該左右方向可動ミラーの角度を変更する第二モータと、前記カメラ、前記第一モータ、および、前記第二モータを制御する制御部と、を備え、前記カメラは、前記重力方向可動ミラーと、前記左右方向可動ミラーで順次反射した、前記移動体の像を撮像するものであり、前記重力方向可動ミラーの慣性モーメントは、前記左右方向可動ミラーの慣性モーメントよりも大きいものとした。
また、略水平方向から接近する移動体を追尾して撮像するものであって、複数の可動ミラーを順次反射した前記移動体の像を撮像するカメラと、該カメラの撮像画像の重力方向を走査方向とする重力方向可動ミラーと、該重力方向可動ミラーの角度を変更する第一モータと、前記カメラの撮像画像の左右方向を走査方向とする左右方向可動ミラーと、該左右方向可動ミラーの角度を変更する第二モータと、前記カメラ、前記第一モータ、および、前記第二モータを制御する制御部と、を備え、前記カメラは、前記左右方向可動ミラーと、前記重力方向可動ミラーで順次反射した、前記移動体の像を撮像するものであり、前記左右方向可動ミラーの慣性モーメントは、前記重力方向可動ミラーの慣性モーメントよりも大きいものとした。
本発明の移動体撮像装置、移動体撮像方法によれば、画質向上のために大きな可動ミラーを用いても、モータの発熱量を抑えることができるため、画質の向上と追尾性能の維持が両立できる。
以下、本発明の各実施例を図面に基づいて説明する。なお、以下では、便宜上、複数の実施例に分割して本発明を説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、重複説明は省略する。
図１から図９Ｂを用いて、略水平方向を横切る飛行体を追尾して撮像する、本発明の実施例１の移動体撮像装置１、そこで用いられる移動体撮像方法を説明する。
図１は、本実施例の移動体撮像装置１と、移動体である飛行体２ａを含むブロック図である。図１に示す飛行体２ａは、四つのプロペラを持ち、各プロペラの回転数を変えることで水平移動、方向転換、上昇下降を自由に行うことができる飛行体(クワッドコプタ)を側面側から見たものである。
移動体撮像装置１は、主に、略水平方向を横切る飛行体２ａを追尾して撮像することを目的としたものであり、カメラ１１と、大きさの異なる二つの可動ミラー１２ａ、１２ｂと、各可動ミラーの角度を変更するモータ１３ａ、１３ｂと、カメラ１１とモータ１３ａ、１３ｂを制御する制御部１４を備えている。ここで、「略水平方向を横切る」とは、カメラ１１の撮像画像１０７上の横方向移動を含む運動であり、相対的に小さな縦方向への移動を含んでも良い。
可動ミラー１２ａは、カメラ１１の撮像画像１０７の左右方向を走査方向とする左右方向可動ミラーであり、可動ミラー１２ｂは、カメラ１１の撮像画像１０７の重力方向を走査方向とする重力方向可動ミラーである。そして、カメラ１１は、可動ミラー１２ｂと、可動ミラー１２ａで順次反射した、飛行体２ａの像を撮像するものであり、カメラ１１より最も遠い位置にある可動ミラー１２ｂの走査方向が重力方向であることを特徴としている。また、走査方向が重力方向である可動ミラー１２ｂの反射面が、地表を向くよう取りつけられたことを特徴としている。モータ１３ａ、１３ｂは回転角度を検出するための角度検出器(図示せず)を持ち、検出した回転角度を検出角度１０２ａ、１０２ｂとして、制御部１４に出力する。なお、図示を省略しているが、移動体撮像装置１には、操作者に撮像画像１０７を見せる表示装置、操作者が指令を入力する指令入力装置２０、撮像画像を記録する記憶装置が接続されている。
ここで、図２を用いて、可動ミラー１２ａ、１２ｂの反射面から見た平面図を説明する。ここに示すように、可動ミラー１２ａは、反射ミラー部１２１ａと、モータ１３ａと反射ミラー部１２１ａをつなぐマウント部１２２ａを備え、可動ミラー１２ｂは、反射ミラー部１２１ｂと、モータ１３ｂと反射ミラー部１２１ｂをつなぐマウント部１２２ｂを備えている。本実施例では、カメラ１１に近い反射ミラー部１２１ａの長さを４０ｍｍとし、カメラ１１から遠い反射ミラー部１２１ｂの長さを８０ｍｍとしている。可動ミラー１２ｂを可動ミラー１２ａより大きくした理由は、カメラ１１から遠い可動ミラー１２ｂでカメラ１１に近い可動ミラー１２ａの可動域すべてにおける光軸変化に対応するためであり、カメラ１１に近い可動ミラー１２ａの可動域が大きくなるほど、カメラ１１から遠い可動ミラー１２ｂをモータの回転軸方向に長くする必要がある。このような理由によって、両可動ミラーの大きさを異ならせた結果、図２の例では、小さな可動ミラー１２ａがモータ軸周りに回転する場合の慣性モーメントが３０．０ｇ・ｃｍ２であり、大きな可動ミラー１２ｂの慣性モーメントが４５．０ｇ・ｃｍ２となっている。
図３に、カメラ１１の取り付け位置から可動ミラー１２ａ方向を見た場合の、移動体撮像装置１の横断図を示す。ここでは、モータ１３ａの回転軸とモータ１３ｂの回転軸の距離Ａ１を４２．５ｍｍとし、可動ミラーの可動範囲は±２０度とした。なお、円Ｃは可動ミラー１２ｂがモータ１３ａと干渉しないように設けられた領域を示し、可動ミラー１２ｂの回転軸を中心として一定距離を設定する。
次に、本実施例に係る移動体撮像装置１の撮像動作について、図４のフローチャートを用いて説明する。移動体撮像装置１の撮像動作は、可動ミラー１３ａ、１３ｂを目標偏向角度まで駆動する可動ミラー回転動作と、光軸３を固定した状態でカメラ１１の露光を開始して撮像画像１０７を取得する画像取得動作に大別され、稼働ミラー回転動作と画像取得動作が、時系列的に交互に繰り返して行われる。本実施例では、可動ミラーを固定した状態で撮像するため、撮像周期が遅いカメラを用いることができ、また光量が不足する環境条件で露光時間を延ばして対応できるなどの利点がある。
先ず、撮像動作を開始すると、制御部１４は、カメラ１１の撮像画像１０７中に追尾目標の飛行体２ａが含まれているかを判断する（Ｓ１）。そして、制御部１４は、撮像画像１０７中に飛行体２ａが含まれていない場合には、外部指令モードを実行し（Ｓ２）、撮像画像１０７中に飛行体２ａが含まれている場合には、内部指令モードを実行する（Ｓ５）。
外部指令モード（Ｓ２）は、移動体撮像装置１の操作者が、各可動ミラーの回転を操作し、追尾目標の飛行体２ａをカメラ１１で撮像できるように捕捉するためのモードであり、操作者が表示装置を見ながらゲームパッド等の指令入力装置２０を用いて外部より制御部１４に各可動ミラーの目標偏向角度指令を与え（Ｓ３）、飛行体２ａを捕捉したときに可動ミラーの角度を固定する（Ｓ４）。
一方、内部指令モード（Ｓ５）は、制御部１４が各可動ミラーの回転を操作して、追尾目標の飛行体２ａをカメラ１１で撮像できるように追尾するためのモードであり、制御部１４内部で各可動ミラーの目標偏向角度指令を生成し（Ｓ６）、飛行体２ａに追尾した角度で可動ミラーを固定する（Ｓ７）。
ステップＳ３またはステップＳ６では、制御部１４は、設定された目標偏向角度に応じた駆動電流１０１ａ、１０１ｂがそれぞれのモータ１３ａ、１３ｂに流れるように印加電圧を調整して出力する。その結果、カメラ１１の光軸３は、飛行体２ａを向くように制御される。そして、ステップＳ４またはステップＳ７で、モータ１３ａ、１３ｂの検出角度１０２ａ、１０２ｂにより可動ミラー回転動作（Ｓ３、Ｓ６）の完了を確認すると、ステップＳ８では、制御部１４は、カメラ１１に撮像トリガ信号１０３（図１参照）を出力し、カメラ１１は露光を開始する。撮像画像１０７の取得が終了すると、カメラ１１は制御部１４に撮像終了信号１０４（図１参照）を出力し、制御部１４は、撮像終了指令の入力の有無を確認する。そして、撮像終了指令の入力が無ければ、制御部１４は次の可動ミラー回転動作に入る。この一連の動作を繰り返すことで連続した撮像画像１０７が取得され、撮像周期が十分に短い場合(例えば、一般的なテレビ同様の３０枚／秒)には、表示装置に取得した撮像画像１０７を連続表示することで、移動体撮像装置１の略水平方向を横切る飛行体２ａの様子を動画として提供できる。
次に、図５に示す、制御部１４の機能ブロック図を用いながら、上述した外部指令モードと内部指令モードの詳細を説明する。
図５に示すように、制御部１４には、指令入力装置２０、モータ１３ａ、１３ｂ、および、カメラ１１が接続されている。また、制御部１４の内部には、スイッチ２１ａ、２１ｂ、記憶部２２ａ、２２ｂ、加算器２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂ、補償器２５ａ、２５ｂ、増幅器２６ａ、２６ｂ、画像処理部２７が設けられている。なお、制御部１４は、ＡＳＩＣやＦＰＧＡのようなハードウェアで構成されたものであっても良いし、メモリにロードされたプログラムをＣＰＵで実行するソフトウェアであっても良いし、ハードウェアとソフトウェアを組み合わせて実現されるものであっても良い。
まず、外部指令モードにおけるモータ１３ａの偏向角度の制御方法を説明する。なお、ここでは、モータ１３ａの制御方法を説明するが、同等の制御方法を用いるモータ１３ｂについては重複説明を省略する。外部指令モードでは、切り替えスイッチ２１ａが下側となっており、外部の指令入力装置２０より与えられた目標角度指令１０５ａとモータ１３ａの角度検出器で得た検出角度１０２ａの偏差角度を、検出角度１０２ａを正負反転して加算器２４ａで加算する。この偏差をゼロとするように、補償器２５ａは増幅器２６ａを通してモータ１３ａに流れる駆動電流１０１ａの大きさを調整する。なお、補償器２５ａはＰＩＤ制御としている。
続いて、内部指令モードにおけるモータ１３ａの偏向角度の制御方法を説明する。内部指定モードでは、切り替えスイッチ２１ａが上側となっており、一制御周期前の操作量１０６ａが記憶部２２ａに記録されている。まず、カメラ１１が一動作前に取得した撮像画像１０７を基に、画像処理部２７でカメラ１１の光軸ずれ偏差量１０８ａを算出する(算出方法は後述する)。この光軸ずれ偏差量１０８ａと、記憶部２２ａで記憶されている一制御周期前の操作量１０６ａを加算器２３ａで加算し、これを新しい目標変更角度指令である偏差量１０８ａとする。この後の流れは、外部指令モードの場合と同一なため、説明を割愛する。
次に、カメラの光軸ずれ量の算出方法を説明する。画像処理部２７は記憶部（図示せず）を持ち、記憶部には撮像周期的に一つ前の撮像画像１０７を記憶している。そして、記憶した撮像画像１０７と現画像を０〜２５５の輝度情報に変換（グレースケール化）し、二つの撮像画像１０７の各画素値の差分を求める。差分値があらかじめ定めた値を超える画素は動きのある部分とみなして１（白）とし、下回る場合は０（黒）とする（二値化処理）。この方法は、背景差分法の一種であるフレーム差分法と呼ばれる。
図６は撮像画像１０７に対して二値化処理を施した結果を示す。なお、モータ１３ａの走査方向は紙面左右で右側を正とする方向（以下、ｘ軸方向）で、モータ１３ｂの走査方向は紙面上下で上を正とする方向（以下、ｙ方向）とする。撮像画像１０７内で動きのある画素群の面積があらかじめ定める大きさや形であるとき、その画素群を飛行体と判定する。このとき、動きのある画素群の重心位置を撮像画像１０７における飛行体の中心位置Ｑとし、画像中心Ｏと飛行体の中心位置Ｑの座標値の差（ｘ軸方向はｑａ、ｙ軸方向はｑｂ）をカメラ１１の光軸ずれ量と定義する。各軸の光軸ずれ量を基に、次の可動ミラー回転動作を行う。
本実施例の移動体撮像装置１は、空間を自由に飛びまわる飛行体を撮像（追尾）対象としており、カメラから遠いより大きな可動ミラー１２ｂの走査方向を重力方向としている。これは、可動ミラーとモータからなる偏向機構の応答特性と飛行体の移動特性を考慮した配置とすることで、移動体撮像装置の追尾性能を最大限に発揮できる。
まず、可動ミラーとモータからなる偏向機構の応答特性について説明する。本実施例では、カメラ１１が撮像している間は可動ミラーを静止するため、モータは撮像周期毎に回転と静止を繰り返している。この動作を２点間の往復動作とみなしてモータの消費電力を見積もり、移動距離と消費電力の関係を考察する。なお、モータは複数の機構共振モードを持つが、ここでは見通しをよくするために剛体として扱い、モータに流れる電流も単一正弦波として扱う。モータのコイル部をインダクタＬｃと抵抗Ｒｃとすると、回転子が周波数ｆ、振動振幅θ０で回転する場合の運動方程式は、式１となる。
ここで、θ：回転角度、ｔ：時刻、Ｖ：電圧、Ｉ：電流、ｋｔ：モータのトルク定数、Ｊ：可動子全体の慣性モーメントである。このとき、単位時間Ｔ当たりにコイルが消費する電力Ｐｅは次式で表される。
式１、式２より、Ｐｅは次式となる。
式３によれば、消費電力は周波数ｆの４乗に比例し、可動子全体の慣性モーメントや回転角度の２乗に比例する。
図７Ａ、図７Ｂは、大きさの異なる可動ミラー１２ａ、１２ｂを取り付けたモータ１３ａ、１３ｂを、同じ回転角度だけ動かした際の、各モータに流れる駆動電流１０１ａ、１０１ｂを示しており、縦軸は電流の大きさ、横軸は時刻である。なお、モータ形状は同一であり、抵抗Ｒｃは一緒であるため、消費電力は電流の２乗に比例する。両図の比較から明らかなように、慣性モーメント大の可動ミラー１２ｂを取り付けたモータ１３ｂは、慣性モーメント小の可動ミラー１２ａを取り付けたモータ１３ａより大きな電流を必要とし、そのためコイルの銅損による発熱量が多くなる。上述したように消費電力は電流の２乗に比例するため、モータ１３ａの電流のピーク値が２Ａ、モータ１３ｂの電流のピーク値が３Ａである場合、モータ１３ｂの消費電力は、モータ１３ａの消費電力に比べ、最大で２．２５倍（＝３２／２２倍）となる。
モータの自然放熱による抜熱量は構造から決まっており、一般的なモータは許容温度以上となることを避けるための定格消費電力が仕様として存在する。モータ構造や回転角度が変えられない場合、消費電力を下げるためには周波数ｆを下げるしかない。つまり、大きな可動ミラーを装着した偏向機構は、小さな可動ミラーを装着した偏向機構に対して、応答性能が劣る。なお、周波数ｆを下げることは撮像周期が延びることを意味しており、本実施例のように撮像画像１０７より移動体の追尾を行っている場合は、当該モータの走査方向への追尾性能が低下する。
次に、飛行体２ａの移動特性について考察する。図８Ａは、移動体撮像装置１と飛行体２ａの位置関係を上空から見下ろした図であり、図８Ｂは地上のある地点から両者を横方向から見た図である。
本実施例で撮像対象としているマルチコプタは、水平方向の移動速度は速いが、重力方向への移動速度が遅い。例えば、ＤＪＩ社製Ｐｈａｎｔｏｍ４のカタログスペックは、水平方向の最高速度は２０ｍ／秒（７２ｋｍ／時）であるのに対して、上昇速度は６ｍ／秒、下降速度は４ｍ／秒である。
ここで、重力方向に走査する可動ミラー１２ｂの走査範囲を、０度（水平）から仰角４０度、水平方向に走査する可動ミラー１２ａの走査範囲を、左右に各２０度とする。図８Ｂに示すように、飛行体２ａが移動体撮像装置１から２００ｍ離れた地点で高度５３ｍ（モータ１３ｂ回転角度が１５度）の上空にいるとき、飛行体２ａの(i)上昇、(ii)降下、(iii)水平左右、(iv)接近の各方向の移動は各モータの回転角度を次のように制御することで追尾することができる。
(i)上昇（モータ１３ａ回転角度を０度固定、モータ１３ｂの走査で追尾）
(ii)降下（(i)と同様）
(iii)水平左右方向（モータ１３ｂの回転角度を１５度固定、モータ１３ａの走査で追尾）
(iv)接近方向（(i)と同様）
また、図８Ｂの飛行体２ａの位置から、(i)〜(iv)の各方向に最大速度で移動した際の、各モータの最大角速度と撮像周期毎の回転角度を、図９Ａ、図９Ｂに示す。
(i)上昇（モータ１３ａ回転角度を０度固定、モータ１３ｂの走査で追尾）
(ii)降下（(i)と同様）
(iii)水平左右方向（モータ１３ｂの回転角度を１５度固定、モータ１３ａの走査で追尾）
(iv)接近方向（(i)と同様）
また、図８Ｂの飛行体２ａの位置から、(i)〜(iv)の各方向に最大速度で移動した際の、各モータの最大角速度と撮像周期毎の回転角度を、図９Ａ、図９Ｂに示す。
図９Ａに示すように、(i)上昇時のモータ１３ａの最大角速度は、１．６２度／秒、(ii)降下時の最大角速度は、１．１５度／秒であり、また、図９Ｂに示すように、(iii)水平左右方向移動時のモータ１３ｂの最大角速度は、５．７３度／秒であった。これらの図面から分かるように、(i)〜(iii)の移動では、距離や高度が異なっても最大角速度がほぼ同一であり、また、(iii)のモータ１３ａの最大角速度が、(i)または(ii)のモータ１３ｂの最大角速度より３．３〜５.７倍程大きい。
一方、図９Ｂに示すように、(iv)接近方向移動時のモータ１３ｂの角速度は、飛行体２ａとの距離が近くなるほど増加し、特に移動体撮像装置１からの距離が８０ｍ〜６５ｍである場合、(iii)の最大角速度５．７３度／秒よりも大きくなった。
そして、飛行体２ａとの距離が６５ｍを切ると、モータ可動域の制約から取得した撮像画像１０７の中心に捉えることができなくなり、追尾が困難となる。以上より、空間を自由に飛びまわる飛行体を撮像（追尾）対象とする際には、飛行体が移動体撮像装置の８５ｍ以内にあってさらに接近する場合を除き、移動体撮像装置に求められる追尾性能において厳しい走査方向は、取得画面に対して左右方向であることが分かる。
なお、水平方向の最高速度が２０ｍ／秒（７２ｋｍ／時）の飛行体２ａを用いる場合、(iv)接近方向動作で８５ｍ〜６５ｍ間の通過に要する時間はわずか１秒であり、空間を自由に飛び回る飛行体２ａを追尾する状況としては、非常に極端な例である。なお、接近方向に接近する飛行体追尾の重要度が高い場合は、後述の実施例２と同様の構成とすることで対応すれば良い。
以上の考察を踏まえ、空間を自由に飛びまわる飛行体２ａを撮像（追尾）する本実施例の移動体撮像装置１では、カメラ１１から遠い大きな可動ミラーの走査方向を、可動ミラーに要求される最大角速度が小さい重力方向と一致させることで、可動ミラーの駆動に必要な消費電力を抑制している。そのため、カメラ１１から遠い可動ミラーの走査方向を取得した撮像画像１０７の左右方向とした場合と比較して、より大きな可動ミラーを使用することができ、撮像画質の向上と追尾性能の維持を両立することができる。
さらに、本実施例の移動体撮像装置１では、図３に示すように、走査方向が重力方向である可動ミラー１２ｂの反射面が地表を向いている。可動ミラー１２ａ、１２ｂ等を図３のように筐体内に収められた移動体撮像装置１では、筐体の開口部、すなわち、飛行体２ａを観測する方向は紙面左方向となる。これにより、例えば、太陽が開口部の左斜め上の点Ｂに存在する場合であっても、可動ミラー１２ｂの反射面が太陽の逆を向いているため、筐体内に可動ミラー１２ｂによる反射光の流入を低減する効果がある。なお、可動ミラー１２ａは点Ｂを向いているが、可動ミラー１２ｂより奥まった位置にあるため反射面に直接太陽光が当たるケースが少なく、また反射面積も可動ミラー１２ｂより小さいため、可動ミラー１２ｂによる太陽光の影響に比べると軽微である。
本実施例では、図６に例示したように、飛行体２ａの検出にフレーム差分法を用いたが、例えば複数の背景モデルを学習するコードブック法など別の手法を用いてもよい。また、画素数増加に伴う画質向上を、レンズの焦点距離を同一として行うことも考えられるが、その場合は画角が広まり、やはり可動ミラーの反射面積は大型化するため、本実施例が効果的であることに変わりない。また、本実施例では、飛行体としてマルチコプタを想定したが、他の飛行体の一例である有翼機では自由に垂直方向に飛行することが極めて困難なため、マルチコプタで考察した結果と同じになる。
以上で説明した本実施例の構成によれば、画質向上のために大きな可動ミラーを用いても、モータの発熱量を抑えることができるため、画質の向上と追尾性能の維持が両立できる。
次に、図１０から図１２を用いて、実施例２の移動体撮像装置１を説明する。本実施例の移動体撮像装置１は、道路を走行しながら接近して来る車両などの走行体２ｂを追尾対象としており、例えば、自動車ナンバー自動読取装置（Ｎシステム）等に用いられるものである。なお、実施例１との共通点は重複説明を省略する。
図１０に、本実施例の移動体撮像装置１と、側面側から見た走行体２ｂを含むブロック図を示す。実施例１では、カメラ１１より最も遠い位置にある可動ミラー１２ｂの走査方向を重力方向としたが、本実施例では、カメラ１１より最も遠い位置にある可動ミラー１２ｂの走査方向が画面水平方向としたことを特徴とする。
撮像動作や各部の動きなどは実施例１と同様であるため、ここでは走行体２ｂの移動特性にのみ着目する。図１１Ａは、移動体撮像装置１と走行体２ｂの位置関係を上空から見下ろした図であり、図１１Ｂは地上のある地点から両者を横方向から見た図である。
移動体撮像装置１に向かって直線的に接近する走行体２ｂは、接近方向の移動速度が時速１００ｋｍを超える場合もあるが、車線変更時であっても、車線幅が３．５ｍ程度しかないため、左右方向への移動速度が遅いという移動特性がある。
ここで、接近する方向に走査する可動ミラー１２ａの走査範囲を、０度（水平）から仰角４０度、水平方向に走査する可動ミラー１２ｂの捜査範囲を、左右に各２０度とする。図１１Ａに示すように、走行体２ｂが、４０ｍ離れた地点より移動体撮像装置１に接近する(v)の移動と、４０ｍ離れた地点より接近し、３０ｍ離れた地点から３．５ｍ水平方向にずれた車線へ変更する動作を開始し、１０ｍ離れた地点で車線変更を完了して移動体撮像装置１の下を通過する(vi)の移動は、各モータの回転角度を次のように制御することで追尾することができる。
(v)モータ１３ｂ回転角度を０度固定、モータ１３ａの走査で追尾
(vi)モータ１３ａとモータ１３ｂの適宜走査で追尾
また、図１１Ａの走行体２ｂの位置から、(v)または(vi)の移動を行った際の、各モータの最大角速度と撮像周期毎の回転角度を、図１２Ａ、１２Ｂに示す。ここで、移動体撮像装置１の設置個所は地表から４ｍ上空、走行体速度は１３．９ｍ／秒（５０ｋｍ／時）としている。なお、(v)の移動では走行体２ｂが移動体撮像装置１に４．８ｍ、(vi)では同９．７４ｍ接近すると撮像範囲外となる。
(v)モータ１３ｂ回転角度を０度固定、モータ１３ａの走査で追尾
(vi)モータ１３ａとモータ１３ｂの適宜走査で追尾
また、図１１Ａの走行体２ｂの位置から、(v)または(vi)の移動を行った際の、各モータの最大角速度と撮像周期毎の回転角度を、図１２Ａ、１２Ｂに示す。ここで、移動体撮像装置１の設置個所は地表から４ｍ上空、走行体速度は１３．９ｍ／秒（５０ｋｍ／時）としている。なお、(v)の移動では走行体２ｂが移動体撮像装置１に４．８ｍ、(vi)では同９．７４ｍ接近すると撮像範囲外となる。
図１２Ａと図１２Ｂの比較より、最も角速度が大きいのは、走行体が接近する方向のモータ１３ａで、走行体が最も接近する際（８４．５５度／秒）であり、他方、モータ１３ｂの最大角速度は相対的に小さいことが分かる。
そのため、本実施例の移動体撮像装置１では、カメラ１１から遠い大きな可動ミラーの走査方向を、可動ミラーに要求される最大角速度が小さい画面左右方向と合わせることで、発生する消費電力を抑制している。
なお、本実施例では追尾対象を走行体２ｂとして説明したが、本実施例の適用対象は、走行体に限られず、移動体撮像装置１に向かって接近する飛行体２ａを追尾対象としても良い。
実施例１及び２において、二つのモータ間距離を狭くすることで、可動ミラー１２ｂを小さくできるが、可動ミラーやモータなどが物理的に干渉するため、各可動ミラーの可動範囲が狭くなる。実施例３でこの改善方法について説明する。
図１３に、本実施例における、カメラ１１の取り付け位置から可動ミラー１２ａ方向を見た場合の、移動体撮像装置１の横断図を示す。本実施例の移動体撮像装置１は、図３の横断図と比較して、モータ１３ａの回転軸をモータ１３ｂの回転軸に対して時計回りに回転させた配置としたことを特徴とする。
実施例１の図３では、モータ１３ａとモータ１３ｂの回転軸の距離Ａ１を４２．５ｍｍとし、各可動ミラーの可動範囲は±２０度としたことに加え、可動ミラー１２ｂがモータ１３ａと干渉しないように設けられた領域として、可動ミラー１２ｂの回転軸を中心として円Ｃを設定した。
これに対し、本実施例でも、可動ミラー１２ｂがモータ１３ａと干渉しないように設けられた円Ｃを避けて、モータ１３ａを設置しているが、モータ１３ａの取付け角度を１６度傾斜させることで、図３の距離Ａ１（４２．５ｍｍ）よりも、モータ１３ａとモータ１３ｂの回転軸の距離Ａ２（４１．０ｍｍ）を小さくすることができ、結果として、同等の撮像範囲を確保するために必要な可動ミラー１２ｂの大きさを小さくすることができる。可動ミラー１２ｂの小型化により、可動ミラー１２ｂの慣性モーメントを小さくできるため、可動ミラー１２ｂの駆動に要する消費電力が低減され、また、可動ミラー１２ｂをより高速に駆動することが可能となる。
なお、本実施例による移動体撮像装置１では、カメラ１１の取り付け位置で得られる撮像画像１０７は可動ミラー１２ａの回転軸の取付け角度分だけ傾斜している。そのため、カメラを光軸に対して傾斜させて取り付けることで、取得した撮像画像１０７の水平・垂直方向と走査方向が一致し、本装置の操作が直感的にできるようになる。なお、カメラ１１を水平に取り付けても、取得した撮像画像１０７に座標変換などの数値計算処理を加えることでも実現できるが、演算処理が必要になるため、表示装置へ送る画像情報の更新周期が低下する。
本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
１ 移動体撮像装置、
２ａ 飛行体、
２ｂ 走行体、
３ 光軸
１１ カメラ、
１２ａ、１２ｂ 可動ミラー、
１２１ａ、１２１ｂ 反射ミラー部、
１２２ａ、１２２ｂ マウント部、
１３ａ、１３ｂ モータ、
１４ 制御部、
２０ 指令入力装置、
２１ａ、２１ｂ スイッチ、
２２ａ、２２ｂ 記憶部、
２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂ 加算器、
２５ａ、２５ｂ 補償器、
２６ａ、２６ｂ 増幅器、
２７ 画像処理部、
１０１ａ、１０１ｂ 駆動電流、
１０２ａ、１０２ｂ 検出角度、
１０３ 撮像トリガ信号、
１０４ 撮像終了信号、
１０５ａ、１０５ｂ 目標角度指令、
１０６ａ、１０６ｂ 操作量
１０７ 撮像画像、
１０８ａ、１０８ｂ 偏差量
２ａ 飛行体、
２ｂ 走行体、
３ 光軸
１１ カメラ、
１２ａ、１２ｂ 可動ミラー、
１２１ａ、１２１ｂ 反射ミラー部、
１２２ａ、１２２ｂ マウント部、
１３ａ、１３ｂ モータ、
１４ 制御部、
２０ 指令入力装置、
２１ａ、２１ｂ スイッチ、
２２ａ、２２ｂ 記憶部、
２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂ 加算器、
２５ａ、２５ｂ 補償器、
２６ａ、２６ｂ 増幅器、
２７ 画像処理部、
１０１ａ、１０１ｂ 駆動電流、
１０２ａ、１０２ｂ 検出角度、
１０３ 撮像トリガ信号、
１０４ 撮像終了信号、
１０５ａ、１０５ｂ 目標角度指令、
１０６ａ、１０６ｂ 操作量
１０７ 撮像画像、
１０８ａ、１０８ｂ 偏差量
Claims (7)
- 略水平方向を横切る移動体を追尾して撮像する移動体撮像装置であって、
複数の可動ミラーを順次反射した前記移動体の像を撮像するカメラと、
該カメラの撮像画像の重力方向を走査方向とする重力方向可動ミラーと、
該重力方向可動ミラーの角度を変更する第一モータと、
前記カメラの撮像画像の左右方向を走査方向とする左右方向可動ミラーと、
該左右方向可動ミラーの角度を変更する第二モータと、
前記カメラ、前記第一モータ、および、前記第二モータを制御する制御部と、
を備え、
前記カメラは、前記重力方向可動ミラーと、前記左右方向可動ミラーで順次反射した、前記移動体の像を撮像するものであり、
前記重力方向可動ミラーの慣性モーメントは、前記左右方向可動ミラーの慣性モーメントよりも大きいことを特徴とする移動体撮像装置。 - 略水平方向から接近する移動体を追尾して撮像する移動体撮像装置であって、
複数の可動ミラーを順次反射した前記移動体の像を撮像するカメラと、
該カメラの撮像画像の重力方向を走査方向とする重力方向可動ミラーと、
該重力方向可動ミラーの角度を変更する第一モータと、
前記カメラの撮像画像の左右方向を走査方向とする左右方向可動ミラーと、
該左右方向可動ミラーの角度を変更する第二モータと、
前記カメラ、前記第一モータ、および、前記第二モータを制御する制御部と、
を備え、
前記カメラは、前記左右方向可動ミラーと、前記重力方向可動ミラーで順次反射した、前記移動体の像を撮像するものであり、
前記左右方向可動ミラーの慣性モーメントは、前記重力方向可動ミラーの慣性モーメントよりも大きいことを特徴とする移動体撮像装置。 - 前記重力方向可動ミラーの反射面が、地表を向くよう取りつけられたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の移動体撮像装置。
- 前記カメラを取り付ける位置で得られる像が、傾いていることを特徴とする請求項１または請求項２の何れか一項に記載の移動体撮像装置。
- 前記カメラが地表に対して斜めに取り付けられたことを特徴とする請求項４に記載の移動体撮像装置。
- 略水平方向を横切る移動体を追尾して撮像する移動体撮像方法であって、
前記移動体を撮像するカメラの撮像画像の重力方向を走査方向とする、慣性モーメントの大きい重力方向可動ミラーを、移動体を追尾するように駆動するステップと、
前記カメラの撮像画像の左右方向を走査方向とする、慣性モーメントの小さい左右方向可動ミラーを、移動体を追尾するように駆動するステップと、
前記重力方向可動ミラーと前記左右方向可動ミラーを順次反射した前記移動体の像を撮像するステップと、を有することを特徴とする移動体撮像方法。 - 略水平方向から接近する移動体を追尾して撮像する移動体撮像方法であって、
前記移動体を撮像するカメラの撮像画像の左右方向を走査方向とする、慣性モーメントの大きい左右方向可動ミラーを、移動体を追尾するように駆動するステップと、
前記カメラの撮像画像の重力方向を走査方向とする、慣性モーメントの小さい重力方向可動ミラーを、移動体を追尾するように駆動するステップと、
前記左右方向可動ミラーと前記重力方向可動ミラーを順次反射した前記移動体の像を撮像するステップと、を有することを特徴とする移動体撮像方法。
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|---|
| 奥村 光平 KOHEI OKUMURA: "高速視線制御光学系による高速飛翔体の映像計測 Image Measurement of a High-speed Flying Object Using", 計測自動制御学会論文集 第４９巻 第９号 TRANSACTIONS OF THE SOCIETY OF INSTRUMENT AND CONTROL ENGI, vol. 第49巻, JPN6018037840, JP * |
| 奥村光平 奥村光平 KOHEI OKUMURA KOHEI OKUMURA: "サッカードミラーと画像処理を用いた高速飛翔体の映像計測 Visual Measurement of A High-speed Flyi", ロボティクス・メカトロニクス講演会 ’１１ 講演論文集 ＰＲＯＣＥＥＤＩＮＧＳ ＯＦ ＴＨＥ ２, JPN6018037839 * |
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| Publication number | Publication date |
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| WO2019058576A1 (ja) | 2019-03-28 |
| JP2019057877A (ja) | 2019-04-11 |
| CN109819690A (zh) | 2019-05-28 |
| US20200301128A1 (en) | 2020-09-24 |
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