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 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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