專利名稱：可旋轉(zhuǎn)可變焦攝像機的控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及遙控攝像機以及用在電視會議和實時遠程講義等場合的可旋轉(zhuǎn)可變焦攝像機的控制技術(shù)。
背景技術(shù)：
在專利文獻1記載的監(jiān)視裝置中，遙控操作者用鼠標(biāo)在顯示器中的圖像上指定放大范圍后，系統(tǒng)會據(jù)此計算出攝像機鏡頭的所需視場角和方向，并通過控制裝置操作攝像機。
在專利文獻2記載的攝像機控制方法中，在圖像顯示器上同時顯示攝像機送來的視頻圖像和從其中抽出的1張靜止圖像?？捎檬髽?biāo)在靜止圖像上指定其中1點作為攝像機的新拍攝中心點，來改變拍攝方向。另外，可用鼠標(biāo)按動顯示器畫面上的水平/垂直方向按鈕和變焦位置按鈕，來操作攝像機。
專利文獻1(日本)特開平7-274150專利文獻2(日本)特開2003-134382在本發(fā)明以前的技術(shù)中，攝像機和每個拍攝對象之間的距離不同，所以，在改變拍攝方向(即切換拍攝對象)時，拍攝范圍(即，攝像機所拍攝的場面的大小)要發(fā)生變化。為得到切換前的拍攝范圍，必須調(diào)整變焦位置。另外，焦點調(diào)整要依靠操作者的目視或利用攝像機本身的測距功能來測距，并進行運算。
但是，上述方法在操作上要花費時間將拍攝方向變到所定的拍攝對象后，還要再調(diào)整變焦位置才能得到所期待的拍攝范圍。因此、需要有一種方法，使拍攝方向改變后能迅速得到所期待的拍攝范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的攝像機控制裝置由下列部件和裝置構(gòu)成·存儲器，用于保存虛擬拍攝面(該攝像機的拍攝對象空間的3維抽象信息)的數(shù)據(jù)；·顯示器，用于顯示該攝像機所攝圖像；·指示器，用于在該顯示器所示圖像上指示該攝像機的拍攝方向；·距離計算裝置先求出與該指示器所示拍攝方向平行且通過該攝像機位置的直線在虛擬拍攝面上的交點，然后得出該交點和該攝像機位置間的距離。
根據(jù)本發(fā)明的方法，事先作出包括全部拍攝對象的虛擬拍攝面，將其數(shù)據(jù)保存在存儲器中。拍攝方向變更時，求出新方向下的通過攝像機位置的直線和虛擬拍攝面的交點，進而得出攝像機到該交點的距離。根據(jù)該距離的值，算出變焦位置調(diào)整量以保證拍攝范圍不變。同時算出焦點調(diào)整量。
在本發(fā)明的1個方式中，攝像機控制裝置還包含下列部件和裝置·存儲器，用于保存該攝像機的基本數(shù)據(jù)(拍攝對象空間中的攝像機位置3維坐標(biāo)、非旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時的拍攝方向、最大視場角及最小視場角)；·拍攝角度計算裝置，對于該方向指示器所指示的拍攝方向，利用該攝像機的現(xiàn)在拍攝角度、該存儲器中的該基本數(shù)據(jù)，得出該攝像機的新拍攝角度。
另外，在本發(fā)明的1個方式中，拍攝角度計算裝置具有橫向拍攝角度變化量計算裝置，該橫向拍攝角度變化量計算裝置·由現(xiàn)在的變焦位置值算出該顯示器上的圖像寬度所對應(yīng)的該攝像機現(xiàn)在的橫向視場角；·由該圖像寬度、該圖像中心點到該指示器在該圖像上所指示點的水平距離及前述視場角，得出該攝像機拍攝角度的橫向變化量。
另外，在本發(fā)明的1個方式中，拍攝角度計算裝置具有縱向拍攝角度變化量計算裝置，該縱向拍攝角度變化量計算裝置
·由現(xiàn)在的變焦位置值算出該顯示器上的圖像高度所對應(yīng)的該攝像機現(xiàn)在的縱向視場角；·由該圖像高度、該圖像中心點到該指示器在該圖像上所指示點的垂直距離及前述視場角，得出該攝像機拍攝角度的縱向變化量。


圖1是本發(fā)明的1個實施例中的攝像機控制裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是虛擬拍攝面的一例。
圖3是針對各種拍攝范圍的顯示器畫面。
圖4是視場角與變焦位置間的關(guān)系曲線。
圖5是橫向拍攝角度變化量計算用的概念圖。
圖6是縱向拍攝角度變化量計算用的概念圖。
具體實施例方式
這里用圖來說明本發(fā)明的1個實施方式。圖1為攝像機和攝像機控制裝置的全體構(gòu)成。比如，包含有攝像機11的攝像裝置10設(shè)置在圖2所示遠程講義用教室的前方上部，講義播音室中的教師把教材投影在教室中的屏幕51上，一邊講課、一邊通過攝像機11觀察學(xué)生的反應(yīng)。攝像機11設(shè)置在可旋轉(zhuǎn)的云臺上，該云臺由控制器13驅(qū)動控制。另外，攝像機11內(nèi)有可以遙控操作的變焦機構(gòu)。該變焦機構(gòu)亦由控制器13的控制信號操作。講義播音室中設(shè)有攝像機控制裝置20。在攝像機控制裝置20的通信控制部21與攝像裝置10的通信控制部15之間轉(zhuǎn)送控制命令與圖像數(shù)據(jù)。
攝像機控制裝置20由計算機(通用個人電腦、工作站、小型計算機等)構(gòu)成，控制計算由計算機內(nèi)的程序來實現(xiàn)。計算機含有CPU、內(nèi)存(RAM)、程序和數(shù)據(jù)保存用非易失性外部存儲器、程序和數(shù)據(jù)輸入用輸入裝置。
圖1的攝像機控制裝置20是該計算機所實現(xiàn)功能的功能模塊圖。攝像機11所攝的圖像經(jīng)過控制器13和通信控制部15被送向攝像機控制裝置20的通信控制部21，由圖像處理部23處理后顯示在顯示器25上。顯示器25是計算機的顯示裝置，可以是CRT或液晶顯示器?？刂破?3在向攝像機控制裝置20發(fā)送圖像數(shù)據(jù)時，將該圖像的攝像數(shù)據(jù)(拍攝角度和變焦位置)一同送出。該數(shù)據(jù)作為攝像機的最新狀態(tài)信息保存在存儲器22中。
攝像機11的拍攝角度和變焦位置始終由攝像機控制裝置20送給攝像裝置10的控制信號來控制。
虛擬拍攝面在本發(fā)明的1個實施方式中，比如在圖2所示教室里，將每位就座學(xué)生的頭部中心點53構(gòu)成一個曲面(虛擬拍攝面)，將其數(shù)據(jù)事先保存在虛擬拍攝面存儲器30中。圖2中的虛擬拍攝面55是1個平面。如果教室是以講臺為中心的半圓形階梯教室，則該虛擬拍攝面可為1個圓錐面的部分面。一般來說，虛擬拍攝面由1個或多個的2次解析曲面(平面、球面、圓柱面、圓錐面等)的部分面合成而成。
拍攝角度計算顯示器25連接有方向指示器27。方向指示器27的典型是鼠標(biāo)。操作者在顯示有攝像圖像的顯示器屏上點出攝像機11的新拍攝中心點后，攝像機方向變更的運算處理自動開始。下面詳細解說該運算處理拍攝角度值計算部29根據(jù)方向指示器27的輸入及攝像機狀態(tài)存儲器22中的攝像機11的現(xiàn)在拍攝角度值和變焦位置，計算出改變攝像機11拍攝方向所需要的拍攝角度橫向變化量和縱向變化量。
首先，根據(jù)現(xiàn)在的變焦位置z，可由下式得出顯示器上的圖像寬度所對應(yīng)的該攝像機現(xiàn)在的橫向視場角a＝kaz+Amax(1)這里ka＝-(Amax-Amin)/ZmaxAmax該攝像機的最大視場角
Amin該攝像機的最小視場角Zmax該攝像機的最小視場角時的變焦位置(z的最大值)參照圖4，攝像機變焦位置最小時其視場角最大；變焦位置最大時其視場角最小。Amax、Amin和Zmax是攝像機的固有規(guī)格值，系統(tǒng)設(shè)定時由計算機輸入裝置(圖中未示出)輸入，保存到攝像機基本數(shù)據(jù)存儲器28中。視場角a隨變焦位置值的增加而減小。ka是單位變焦位置值的視場角變化量。
下面參照圖5說明拍攝方向變更用拍攝角度橫向變化量的計算方法顯示器25上圖像的中心點是攝像機的現(xiàn)在拍攝方向。假設(shè)方向指示器27在該圖像上指定了新拍攝中心點P。Ap為將拍攝中心點從現(xiàn)在變?yōu)镻所需要的拍攝角度橫向變化量。點O是為導(dǎo)出Ap計算式所設(shè)的假想點。
由點O到圖像40左右兩端的2條直線形成的角為橫向視場角a。假設(shè)圖像40的寬度為W、圖像40的中心和點P間的水平距離為dw，由圖5可得到下列式tan(a/2)＝W/2/R(2)tan(Ap)＝dw/R (3)由式(2)求得R，再將其代入式(3)，可得tan(Ap)＝(2dw/W)*tan(a/2) (4)因此Ap＝tan-1((2dw/W)*tan(a/2))＝tan-1(tan(a/2)*2dw/W) (5)同樣，參照圖6，假設(shè)圖像40高度為H、圖像40的中心和點P間的垂直方向距離為dh，將拍攝中心點從現(xiàn)在變?yōu)镻所需要的拍攝角度縱向變化量At可由下式得出tan((a*H/W)/2)＝H/2/R (6)tan(At)＝dh/R (7)a*H/W是由圖像橫向視場角a導(dǎo)出的圖像縱向視場角。由式(6)求得R代入式(7)，可得
tan(At)＝(2dh/H)*tan((a*H/W)/2) (8)因此At＝tan-1((2dh/H)*tan((a*H/W)/2))＝tan-1(tan(a*H/(2*W))*2dh/H) (9)由拍攝角度值計算部29算出的Ap和At的值加上存儲器22中的攝像機現(xiàn)在拍攝角度值后，分別送到方向控制部33和交點計算部31(見圖1)。方向控制部33通過通信控制部21將其送到攝像裝置10。
交點計算部31用直線與曲面的交點計算方法，求出在新拍攝方向上的攝像機與虛擬拍攝面的交點。具體方法如下虛擬拍攝面由1個或多個2次解析曲面構(gòu)成。每個解析曲面都可由下面的一般式表現(xiàn)A*x2+B*y2+C*z2+D*xy+E*yz+F*zx+G*x+H*y+I*z+J＝0其中，A，B，C，D，e，F(xiàn)，G，H，I，J為常數(shù)。
攝像機到該交點的直線可由下面式給出x＝a*t+xcy＝b*t+ycz＝c*t+Zca，b，c為直線方向常數(shù)，t(＞＝0.0)為參數(shù)，點(xc，yc，zc)為攝像機的位置坐標(biāo)。將上記直線式代入上記解析曲面即得交點上的t值。將該t值代入上記直線式即得交點(x，y，z)的坐標(biāo)值。
變焦位置計算變焦位置計算部35從交點計算部31得到拍攝方向與虛擬拍攝面的交點后，算出攝像機到該交點的拍攝距離r。再利用r的值和下面的式，算出維持拍攝范圍所需的變焦位置zz＝kz*r+z0kz和z0為常數(shù)。kz和z0可用后述圖3中A的用戶界面和下面的方法推定
(1)使攝像機指向一個拍攝對象，滑動變焦滑塊45得到所期待的拍攝范圍后，利用鍵盤或鼠標(biāo)操作，將此時的變焦位置值z1(該值經(jīng)由通信控制裝置15和21送來，保存在攝像機狀態(tài)存儲器22中)和拍攝距離r1暫存。
(2)使攝像機指向另一個和前述對象有著不同的拍攝距離的拍攝對象，滑動變焦滑塊45得到和前述有著同樣的拍攝范圍后，利用鍵盤或鼠標(biāo)操作，將此時的變焦位置值z2(該值經(jīng)由通信控制裝置15和21送來，保存在攝像機狀態(tài)存儲器22中)和拍攝距離r2暫存。
(3)將兩次保存得到的數(shù)據(jù)代入上式，可得到以下結(jié)果z1＝kz*r1+z0z2＝kz*r2+z0從此2式即可得到kz和z0。kz和z0的推定處理只需一次。處理中使用的兩個拍攝對象間的拍攝距離差越大，kz和z0的精度越高。
拍攝范圍切換圖3中的A是顯示器25上的畫面。來自攝像機的遠程講義教室圖像顯示在圖像畫面40中。用戶可以移動鼠標(biāo)41，單擊圖像畫面40上的任意一點，系統(tǒng)即用前述方法計算并改變攝像機的拍攝角度，使該點的圖像處于整個圖像的中心。本實施例中顯示器25的畫面上有“個人”、“小組”和“最大范圍”3個按鈕43。亦可使用鍵盤上的功能鍵來代替按鈕43。
按下“個人”按鈕后，系統(tǒng)即用前述方法計算并改變攝像機的變焦位置，使拍攝范圍恰好是1個人的半身(如圖3的B所示)。同樣，按下“小組”按鈕，使拍攝范圍為2至3人(如圖3的C所示)；按下“最大范圍”按鈕，使拍攝范圍為攝像機的最大廣角范圍(如圖3的D所示)。
以上說明了本發(fā)明的具體實施例。但本發(fā)明決不應(yīng)被限定于這種實施例。
另外，以上對使用1臺攝像機的情況作了說明，但決不限于此。本發(fā)明可用在多個攝像機同時使用的場合。此時虛擬拍攝面可以被多個攝像機共有。攝像機連動控制是虛擬拍攝面共有的1個例子。此時只對其中1臺攝像機(操作攝像機)實施操作，即可使其它攝像機(連動攝像機)自動指向操作攝像機所要攝像的對象。其動作原理是使連動攝像機都指向操作攝像機的拍攝方向和虛擬拍攝面的交點。此時各攝像機獨自用變焦位置計算裝置來維持各自的拍攝范圍。因此用本方法一次操作即可從不同方向用不同的拍攝范圍(即放大率)拍攝同一拍攝對象。
另外，以上對用指示器在顯示器上指示拍攝方向的情況作了說明，但決不限于此。本發(fā)明可用在自動跟蹤式攝像機的控制上。在自動跟蹤過程中，攝像機可以根據(jù)現(xiàn)在的拍攝方向，用上述變焦位置計算裝置來維持拍攝范圍。
權(quán)利要求
1.一種由下列部件和裝置構(gòu)成的可旋轉(zhuǎn)可變焦攝像機控制裝置存儲器，用于保存虛擬拍攝面的數(shù)據(jù)，其中該虛擬拍攝面是該攝像機的拍攝對象空間的3維抽象信息；顯示器，用于顯示該攝像機所攝圖像；指示器，用于在該顯示器所示圖像上指示該攝像機的拍攝方向；距離計算裝置，其先求出與該指示器所示拍攝方向平行且通過該攝像機位置的直線在虛擬拍攝面上的交點，然后得出該交點和該攝像機位置間的距離。
2.如權(quán)利要求1所述的攝像機控制裝置，還包括下列部件和裝置存儲器，用于保存該攝像機的基本數(shù)據(jù)，其中所述基本數(shù)據(jù)包括拍攝對象空間中的攝像機位置3維坐標(biāo)、非旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時的拍攝方向、最大視場角及最小視場角；拍攝角度計算裝置，對于該方向指示器所指示的拍攝方向，利用該攝像機的現(xiàn)在拍攝角度、該存儲器中的該基本數(shù)據(jù)，得出該攝像機的新拍攝角度。
3.如權(quán)利要求2所述的攝像機控制裝置，其中在所述拍攝角度計算裝置中，具有橫向拍攝角度變化量計算裝置，該橫向拍攝角度變化量計算裝置由現(xiàn)在的變焦位置值算出該顯示器上的圖像寬度所對應(yīng)的該攝像機現(xiàn)在橫向視場角，并且由該圖像寬度、該圖像中心點到該指示器在該圖像上所指示點的水平距離及前述視場角，得出該攝像機拍攝角度的橫向變化量。
4.如權(quán)利要求3所述的攝像機控制裝置，其中在所述拍攝角度計算裝置中，具有縱向拍攝角度變化量計算裝置，該縱向拍攝角度變化量計算裝置由現(xiàn)在的變焦位置值算出該顯示器上的圖像高度所對應(yīng)的該攝像機現(xiàn)在縱向視場角，并且由該圖像高度、該圖像中心點到該指示器在該圖像上所指示點的垂直距離及前述視場角，得出該攝像機拍攝角度的縱向變化量。
5.如權(quán)利要求1所述的攝像機控制裝置，還具有根據(jù)由所述距離計算裝置求得的所述距離，算出為得到預(yù)定的拍攝范圍而需要的變焦位置的變焦位置計算裝置。
6.如權(quán)利要求1所述的攝像機控制裝置，其中，所述虛擬拍攝面由1個或多個解析曲面的部分面合成而成。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種伴隨著攝像機方向的改變，能夠迅速地得到所希望的拍攝范圍的攝像機控制裝置。其具備存儲器，其保存表示拍攝面的虛擬拍攝面坐標(biāo)數(shù)據(jù)，該拍攝面包含作為攝像機的拍攝對象的多個被攝體；顯示裝置，其顯示上述攝像機所拍攝的圖像；以及指示裝置，其在上述顯示裝置所顯示的圖像上指示上述攝像機應(yīng)當(dāng)朝向的方向。求出從攝像機開始在指示裝置所指示的方向上延伸的直線與保存在存儲器中的虛擬拍攝面相交的交點的坐標(biāo)，計算攝像機和交點之間的距離。事先將包含作為拍攝對象的多個被攝體的虛擬拍攝面保存到存儲器中，在改變攝像機的方向時，可以求出從攝像機開始延伸的直線與虛擬拍攝面相交的交點，計算攝像機和交點之間的距離。
文檔編號H04N5/225GK1703078SQ20051007344
公開日2005年11月30日 申請日期2005年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月25日
發(fā)明者黑川弘國 申請人:福島縣