JP7049383B2 - 視運動するシーンのための撮像デバイス - Google Patents
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Description
本願は、2014年5月6日に出願され、「Device for Multi-spectral Imaging and Video when observed scene is in apparent motion」と題された米国特許仮出願第61/989,165号の優先権を主張し、その内容全体が参照により全体で組み込まれる。
実施形態は、航空または衛星ベースの撮像システムなど、多軸位置決め機構、多バンド光学フィルタを有し、処理ユニット(たとえば、プロセッサまたは他の論理回路)内で様々な計算アルゴリズムを使用し、適切なダイナミックレンジで視運動するシーンの画像を取り込み、処理し、一方、動きのぼけおよび他の視覚的アーチファクトを防止する撮像システムを含む。
図1は、視運動するシーンを撮像するための多軸位置決め機構104を有する例示的な撮像デバイス102の等角図100を例示する。図1に示されている例示的実施形態では、多軸位置決め機構104は、z軸と位置合わせされた焦点レール106を含む。焦点レール106は、電気モータなどリニアアクチュエータを含み、撮像デバイス102を合焦するために使用される。焦点レール106の長さは、実施形態では、撮像デバイス102の焦点位置の変動と少なくとも同程度の長さである。撮像デバイス102と焦点位置の間の距離が一定のままであること、または十分に小さい変動を有することが予想される実施形態(衛星撮像システムのものなど)では、焦点レール106の行程長さは、数ミクロンと数ミリメートルの間など、撮像デバイス102の共焦点長よりわずかに長い長さに設定されてもよい。焦点位置の変動が十分に小さいことが予想される場合、焦点は、後処理で、たとえばアルゴリズムで調整されてもよく、それにより、リニアアクチュエータにおける製造公差を比較的緩めることができる。リニアアクチュエータは、高速であり得るが、特に高速であることを必要としない。
図7、図8、図10、図12は、様々な実施形態による例示的なプロセスを示すフローグラフを示す。これらのプロセスの動作が、個々のブロックに例示されており、これらのブロックを参照してまとめられている。これらのプロセスは、ロジカルフローグラフとして示されており、それらの各動作は、ハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組合せで実装され得る動作のセットを表し得る。ソフトウェアのコンテキストでは、これらの動作は、1つまたは複数のプロセッサによって実行されたとき1つまたは複数のプロセッサが列挙された動作を実施することを可能にする、1つまたは複数のコンピュータ記憶媒体に記憶されたコンピュータ実行可能命令を表す。一般に、コンピュータ実行可能命令は、特定の機能を実施する、または特定の抽象データ型を実装するルーチン、プログラム、オブジェクト、モジュール、コンポーネント、データ構造などを含む。ハードウェアのコンテキストでは、これらの動作は、特定用途向け集積回路(ASIC)など集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)などプログラマブルロジックデバイス、または他のデバイスで実施され得る。これらの動作が記載されている順序は、限定として解釈されるものではなく、任意の数の記載の動作を、任意の順序で組み合わせ、下位動作に分離し、および/または並列で実施し、プロセスを実施することができる。本開示の様々な実施形態によるプロセスは、ロジカルフローグラフに示されている動作の一部だけを含んでも、すべてを含んでもよい。
LEO衛星の軌道は、たとえば、典型的な状況において高さ700kmとなり得る。この高度では、軌道周期は98分37秒、地上に対する投影速度(projected velocity)は6764m/秒である。望遠鏡は、30cmの口径および2.5mの焦点長を有するカセグレンであり得る。したがって、地上の各1mは、焦点面上に3.6μm画像として投影されることになり、24.2mm/秒で移動していることになる。追跡用のリニアアクチュエータは、画像の移動を補償するために、少なくともこの速度で移動することが可能である。追跡用のリニアアクチュエータの最速は、追跡用のリニアアクチュエータを開始位置に戻すのにかかる時間を削減するために、数倍高くてもよい。最後に、カメラが、5つのフィルタバンドおよび2000×2000画素、それぞれ幅5μmを有し、画像間の所望の重なり合いが100画素である場合には、追跡のためのリニアアクチュエータの行程長さは、1.2mmとなり得る。各サイクルは、約50msかかることになる。近似的な光分析は、各サイクル中にいくつかの露光像を撮るのに十分な時間があるために、露出時間は約10msになることを示す。前述のように、これをHDRおよび/またはより高解像度の画像を得るために使用することができる。
図14は、視運動を有するシーンを撮像するために使用可能な例示的な撮像システム1400のブロック図である。撮像システム1400は、LEO衛星など衛星122のような航空機または宇宙機にすべて、または部分的に搭載されてもよい。いくつかの実施形態では、撮像システム1400の構成要素のいくつかは、地上ベースの、または別個の航空機もしくは宇宙機に搭載されてもよく、そのような地上ベースの、または別個の航空機もしくは宇宙機は、実際の光学システム(とりわけ、望遠鏡、多軸位置決め機構104、およびAID502)を含むシステムと通信する。撮像システム1400は、任意の好適なコンピューティングデバイスまたはシステムとして構成される。メモリ1402は、1つまたは複数のプロセッサ1404上でロード可能かつ実行可能であるプログラム命令およびプログラムモジュール、ならびに画像データ、画像など、これらのプログラムの実行中に生成され、および/またはこれらのプログラムと共に使用可能であるデータを記憶することができる。
使用されるコンピューティングデバイスの構成およびタイプに応じて、図14における撮像システム1400のメモリ1402、ならびにAID502内でファームウェア1416を記憶するための媒体は、揮発性メモリ(ランダムアクセスメモリ(RAM)など)、および/または不揮発性メモリ(読取り専用メモリ(ROM)、フラッシュメモリなど)を含むことができる。メモリ1402、ならびにAID502内でファームウェア1416を記憶するための媒体は、それだけには限らないが、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュール、および撮像システム1400のための他のデータの不揮発性ストレージを提供することができるフラッシュメモリ、磁気ストレージおよび/もしくは光学ストレージ、ならびに/またはテープストレージを含む追加の取外し可能ストレージおよび/または取外し不可ストレージをも含むことができる。
図15A~Dは、撮像デバイスを追跡するための複数の直線軸を有する多軸位置決め機構を有する例示的な多軸位置決め機構1500の等角図および側面図を示す。撮像デバイス1500は、AID504が配置されて示されているが、AID504の他に、実施形態の範囲から逸脱することなく異なる画像取込みデバイスが使用されてもよい。図15Aは、第1の構成にある撮像デバイス1500の等角図を示し、図15Bはその側面図を示す。AID504は、摺動プラットフォーム1502上に配置され、摺動プラットフォーム1502は、レール部1504上に位置する。レール部分1504は、それ自体、摺動プラットフォーム1506上に位置し、摺動プラットフォーム1506は、レール部1508上に位置する。レール部1508はウェッジ1516上に位置し、ウェッジ1516は、摺動プラットフォーム1510上に位置する。摺動プラットフォーム1510は、レール部1512上に位置する。レール部1512は、ウェッジ1514上に位置する。リニアアクチュエータが、レール部分1504、1508、1512に沿って、それぞれ摺動プラットフォーム1502、1506、1510の摺動を制御する。
本開示は、構造上の特徴および/または方法上の行為に特有の文言を使用しているが、本発明は、記載の特定の特徴または行為に限定されない。そうではなく、特定の機能および行為は、本発明を実施する例示的な形態として開示されている。
Claims (10)
- シーンを撮像するための衛星ベースの撮像システムであって、
複数の画素センサを有するエリア撮像デバイスと、
複数のフィルタバンドを含む多バンド光学フィルタであって、各フィルタは異なるスペクトル透過率を有する、該多バンド光学フィルタと、
前記エリア撮像デバイスを追跡軸に沿って移動させるように動作可能な位置決め機構と、
前記エリア撮像デバイスを1つまたは複数のサイクルにおいて移動させるように前記位置決め機構に指示し、
各サイクルについて1つまたは複数の露出時間を設定し、および、
前記1つまたは複数のサイクルの各々の間中に1つまたは複数の露光像を撮るように前記エリア撮像デバイスに指示し、前記1つまたは複数の露光像の各々は、前記1つまたは複数の露出時間の1つの露出時間を有し、それによって、前記1つまたは複数の露光像の各露光像は、前記多バンド光学フィルタの前記複数のフィルタバンドを通して前記エリア撮像デバイスを露光することによって生成された複数のバンドを含む、
ように構成された制御モジュールと、
を備えたことを特徴とする衛星ベースの撮像システム。 - 少なくとも前記1つまたは複数の露光像に基づいて、前記シーンの画像又はビデオを形成するように構成された撮像モジュールをさらに備え、前記撮像モジュールは、地上ベースであり、衛星に搭載、又は、別個の航空機若しくは宇宙機に搭載されることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
- 前記制御モジュールは、前記1つまたは複数のサイクルの各々の間中に少なくとも1つの第1の露光像および少なくとも1つの第2の露光像を撮るように、前記エリア撮像デバイスに指示するようにさらに構成され、前記少なくとも1つの第1の露光像は第1の露光時間を有し、および前記少なくとも1つの第2の露光像は第1の露光時間とは異なる第2の露光時間を有し、
前記撮像モジュールは、前記1つまたは複数のサイクルの共通サイクルの間中に撮られた前記少なくとも1つの第1の露光像および前記少なくとも1つの第2の露光像の部分画像又は最大画像に基づいて画像を生成するようにさらに構成されたことを特徴とする請求項2に記載のシステム。 - 前記シーンのセグメントは、前記複数のフィルタバンドの異なるバンドを通じて、前記1つまたは複数の露光像の連続する露光像で露出されることを特徴とする請求項2又は3に記載のシステム。
- 前記1つまたは複数の露出時間は、前記多バンド光学フィルタに基づいて設定されることを特徴とする請求項4に記載のシステム。
- 前記制御モジュールは、
前記1つまたは複数のサイクルの各々において1つまたは複数の露光像を撮るように前記エリア撮像デバイスに指示し、それによって、1つまたは複数の露光像の各々は、前記多バンド光学フィルタの前記複数のフィルタバンドを通じて、前記エリア撮像デバイスを露光することによって生成された複数のバンドを含み、
前記シーンのセグメントは、連続するサイクルの間中に撮られた前記1つまたは複数の露光像における前記多バンド光学フィルタの前記複数のフィルタバンドを通じて露光され、
それによって、1つのサイクル中に撮られた1つまたは複数の露光像における前記複数のフィルタバンドの第1のフィルタバンドを通じて露光された前記シーンのセグメントは、後続のサイクル中に撮られた前記1つまたは複数の露光像における前記複数のフィルタバンドの前記第1のフィルタバンドとは異なる前記複数のフィルタバンドの第2のフィルタバンドを通じて少なくとも部分的に露光され、および、後続のサイクル中に撮られた前記1つまたは複数の露光像は、前の1つまたは複数の露光像に対して前記シーンの部分的空間的な重なりを有する
ようにさらに構成され、
前記撮像モジュールは、前記1つまたは複数のサイクルの各々の間中に撮り込まれた、空間的に重なり合う露光像と共につなぎ合わせることによって、前記シーンの多スペクトル画像又はビデオフレームを形成するようにさらに構成されたことを特徴とする請求項4に記載のシステム。 - 前記制御モジュールは、
前記1つまたは複数のサイクルの各々の間中に前の露光像の初期位置からオフセットされた位置に、前記エリア撮像デバイスを移動させるように前記位置決め機構に指示し、前記オフセットは、前記エリア撮像デバイスの前記複数の画素センサの画素間での1つのサブ画素距離又は複数のサブ画素距離であり、
前記エリア撮像デバイスに、前記1つのサブ画素距離又は前記複数のサブ画素距離で1つまたは複数の露光像を撮らせる、
ようにさらに構成され、および、
前記撮像モジュールは、前記1つまたは複数のサイクルの各々から、前記1つまたは複数の露光像に基づいて画像又はビデオを形成するようにさらに構成されたことを特徴とする請求項2ないし6のいずれか1つに記載のシステム。 - 前記オフセットは、サブ画素水平オフセットを獲得するように、前記追跡軸に対して直交する横断方向軸に沿っており、
前記オフセットは、サブ画素垂直オフセットを獲得するように、前記追跡軸に沿っており、
前記オフセットは、サブ画素垂直および水平オフセットを獲得するように、前記横断方向軸および前記追跡軸の両方に沿っている、
ことを特徴とする請求項7に記載のシステム。 - 前記制御モジュールは、部分的に重なり合う複数の露光像を生成するために、前記1つまたは複数のサイクルの各々の間中に前記1つまたは複数の露光像を撮るように前記エリア撮像デバイスに指示するようにさらに構成され、
前記撮像モジュールは、前記1つまたは複数のサイクルの各々の間中に撮り込まれた、部分的に重なり合う複数の露光像に基づいて前記シーンの画像又はビデオを形成するようにさらに構成されたことを特徴とする請求項2ないし8のいずれか1つに記載のシステム。 - 前記制御モジュールは、連続するサイクルにおいて撮られた前記1つまたは複数の露光像の間の重なりが所定の画素の範囲内であるように、行程長を調整するようにさらに構成されたことを特徴とする請求項9に記載のシステム。
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