CN1138900A - 摄像机制导系统 - Google Patents

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Abstract

一种摄像机制导系统，它使用了多个分布在支承摄像机的工作台上以及分布在摄像机目标上的GPS，从而能使摄像机以及将视频信号传给接收器的天线自动地定向。

Description

摄像机制导系统
本发明涉及到一种摄像机制导系统。具体地说，本发明涉及到帮助摄像机采集目标的特写视频信息，所说的目标则是竞赛中的运动员或节目中的演员。
运动节目一个目的是给观看者身临其境的感觉。为此，最好有多个摄像机采集领先的竞赛运动员或节目中明星演员的激动人心的特写镜头。如果邻先的运动员或明星演员一般离开摄像机太运，周知是把摄像机放到运动员或演员身上，以便至少部分地表现他们。考虑到要有最令人感兴趣的图像，应不断地选择和重新评价摄像方法。在演出和竞赛过程中，演员或运动员身上或靠近演员或运动员处以周知的方式存在有摄像机。例如，在自行车赛中，通常将摄像机安装在相邻的摩托车上。在帆船赛中，可以将摄像机安装在参赛船的桅杆顶部。最难以成像的情况是航空比赛或表演，其中，参赛者在三维空间内非常快速地运动，因而，摄像机操作者会很容易地错过参赛者。
在这种情况下，所要解决的技术问题是：在不使用许多运动项目中无法设置于参赛者附近的摄像机操作者的情况下，利用自动制导式摄像机来捕获最佳的影像。
本发明的目的是通过如权利要求1中特征部分所述的装置来解决上述问题。
存在有多种用于监控运动物体位置的系统。例如在欧洲专利申请书第92303372.4号和92303372.2号中说明了这种系统。但是，这种系统只局限于监控物体的位置而不是监控物体的方向和姿态。
本发明的系统能用一种高效跟踪系统来代替摄像机的操作者；具体地说，能够在摄像机的取景框内自动地跟踪选定的目标。为此，所说的目标应通过通讯装置不断地向工作台提供自身的位置和姿态坐标信息。所述目标的位置和姿态信息由前述工作台的信息处理装置所处理，从而被转换成工作台坐标并传送给摄像机的定向系统。每个目标均可由一个工作台上的多个摄像机来加以跟踪，每个摄像机均带有自己的定向系统。所有的定向系统均使用业已分配给这些定向系统的特定目标的位置信息。这就能使要显示出来的所有候选人均不断地处在视域之内以供选择。
在本发明的第一实施例中，接收站位于工作台上并存储有视频信号，该视频信号是摄像机利用例如典型的16mm胶片技术以确定的方式或者利用例如录像带技术以可擦除的方式获得的。
在本发明的第二实施例中，接收站不位于工作台上，该接收站的操作者可瞬时地修正摄像机相对目标的位置。这就能使目标相对摄像机的位置达到最佳。
在本发明的一个特定实施例中，每个目标也可起作工作台的作用，从而，使得接收站选择最适当的工作台并使得所述工作台上的摄像机形成要显示的领先参赛者的最佳图像。在本实施例中，所有目标和工作台的位置及姿态信息均由这些目标和工作台经由通讯装置传给其它目标和工作台的信息处理系统。就对已定位的摄像制的制导来说，目标的姿态信息不一定是有用的，但是，如果上述目标后来被选定为工作台，并且，就推断来说如果通讯装置的效率暂时下降，则所说的信息就会变得很重要。
在本发明的一个特定实施例中，如果通常为地面站的上述接收站远离所说的比赛，则用于传输视频信号的装置可包括一个或多个中继站；这些中继站均配备有天线以便传输来自工作台上摄像机的视频信号。应该注意，在后一种情况中，中继站还最好将自身的坐标提供给所说的信息处理装置，因此，天线能够有效地彼此对向定位以确保最佳的传输质量。
在本发明的一个特定实施例中，用诸如名为NAVSTAR/GPS和GLONASS的周知系统之类的全球定位系统来采集前述位置和姿态数据。上述系统在例如欧洲专利申请书第92310832.8号或英国专利申请书第8827257号中有所说明。
在本发明的一个特定实施例中，用惯性制导系统来辅助以下将说明的工作台、目标或中继站的目标全球定位系统。所说的惯性制导系统例如包括三个由与陀螺仪相连的加速度表所构成的组件，每个组件均适用于目标的三个Ox、Oy、Oz坐标系统中的一个。如果例如卫星与物体的全球定位系统之间的通讯因其它目标的介入而降低效率或中断，具体地说，如果参赛者彼此重叠在一起，那么，上述惯性制导系统是有用的。对本发明中实际使用的全球定位系统来说，一般的操作周期为一秒，卫星与目标之间的传输中断则持续若干秒；目标的信息处理装置可以利用上述惯性制导系统在发生中断之前根据目标先前的有效位置和姿态数据进行推断，直至在恢复与卫星的通讯时进行了最后的修正。
在本发明的一个特定实施例中，可以通过从目标的全球位置矢量中减去工作台的全球位置矢量并将结果矢量影射至工作台坐标系统上而获得目标在工作台坐标内的位置。具体地说，可利用差分全球定位系统或D-GPS来获得这种数据，而所说的差分全球定位系统或D-GPS则通过三角测量来提供姿态数据。英国专利申请书第9004433.0号说明了这种差分全球定位系统的一个实例。
在本发明的一个特定实施例中，摄像机的定向系统可以使摄像机指向任何方向。
在每个目标均有固定任务并且例如一个工作台可拍摄一个目标的简单环境中，一般不必采集目标的的姿态数据，因此，就确定目标的位置而言，有一个用于该目标的全球定位系统就足够了；相反，对工作台和任何移动的中继站来说，姿态对摄像机和天线的定向是很重要的。所以，工作台和各个中继站均需要一个用于位置的全球定位系统和至少两个用于姿态的辅助全球定位系统。
本发明还涉及到在比赛实况报导过程中使用上述系统。具体地说，应该注意，在选择最佳影像时，可将工作台选定为目标或者相反。
权利要求中说明了本发明实施例的其它实例。
以下参照附图详细说明本发明，附图中：
图1概略地显示了两个飞机、一个中继飞机、三个全球定位系统、一个视频无线通讯地面站以及一个无线通讯地面站；
图2概略地显示了全球定位系统(简称GPS)如何三个卫星的帮助下起作用并说明了如何使用该定位系统去进行姿态测定；
图3显示了视频信号的路径，此图说明了摄像机工作台飞机是怎样拍摄目标飞机的并说明了用于传输上述视频信号的装置的操作情况；
图4概略地显示了通讯装置的操作情况，特别是显示了所述三个飞机与地面站是如何进行通讯的。
图1显示了假定在一辅助观察飞机上的假想观看者所看到的两个飞机4.5。尽管所说的系统可包括更多的卫星，但示出了三个全球定位卫星1、2、3。中继飞机6使得飞机4和5能将视频信号传输给地面接收器8。中继飞机6还能对飞机4、5与地面通讯站7之间的通讯起中继作用。应该注意，两个飞机4、5中的任何一个均可既定为目标或者既定为工作台；信息处理装置(未显示)分布在飞机4、5、6。通讯站7与接收器8之间。
图2显示了图1所示的飞机中的任何一个即两个飞机4、5和中继飞机6以何种方式带有(至少)三个GPS接收器9、10、11以使信息处理装置(未显示)能够计算出飞机的位置和姿态。应该注意，一般的GPS可提供30至100米范围的精确度；但是，对距离变化的测定要精确得多，精确在毫米范围内，这是因为，给定卫星所提供的距离信息的误差是恒定的并且会形成一可高度调节的偏差。多个有效卫星会通过冗余形成额外的测定可靠性。具体地说，例如来自前述专利文件的周知信息处理装置本身会计算出所有三个接收器9、10、11的全球位置矢量，从而计算出以飞机为界的坐标系统的方向、该系统的欧拉角度以及上述数据在每个计算周期时的变化。
图3显示了这样的情形即：摄像机16从目标4所采集到的视频信号是如何首先经由天线17、18从工作台5传输(虚线)给中继站6的，然后，又是如何经由天线19传输(虚线)给带有电视监视器20的地面站8的。上述用于传输视频信号的装置的操作包括：不仅通过GPS12和13使摄像机16精确地指向目标4，而且通过GPS13和14使电线17和18彼此精确地对向；以及，还通过GPS19和15使得天线19和地面站6彼此精确地对向。上述信息处理装置(未显示)能进行这种精确的定向，为该信息处理装置提供有GPS数据，并且，该信息处理装置能将任何全球位置矢量从大地坐标转换成相对坐标。例如，目标4的全球位置矢量是这种一种矢量，它具有位于地球中心的原点以及位于GPS12的端占；工作台5的全球位置矢量是这样一种矢量，它具有位于地球中心的原点以及位于GPS 13的端点。所说的信息处理装置会根据带有位于GPS 13的原点以及位于GPS 12的端点的矢量来考虑到三个GPS9、10、11(图2)所确定的工作台5的姿态，以便使摄像机16正确地指向目标4。
图4概略地显示了三个飞机4、5、6和地面站7是如何利用带有非定向天线21、22、23的无线电设备进行通讯的。上述天线与用于传输视频信号的装置的天线不同，不需要彼此对向以进行通讯。图4中的双箭头概略地示出了这一点。上述简化系统的所有装置均可使用相同的频率以广播它们的全球位置矢量、当前使用的卫星、摄像机控制信息以及其它相关数据。为了能使用单一的频率，可以使用符合Collison Detection(冲突检测)通讯标准的无线Carrier Sense Multiple Access(载体检测多路存取)(ANSI/IEEE标准802.3-1985和ISO/DIS 8802/3)。还示出了一地面控制装置24，在该控制装置中进行摄像机选择、目标选择和变焦控制。上述地面控制装置的信息处理装置根据飞机的信息处理装置进行操作以便协调活动并分配信息处理任务。

Claims (10)

1.一种摄像机制导系统，它利用至少一个摄像机来采集至少一个目标的视频信号并将该视频信号传输给接收站，所述系统的特征在于，它包括：
-支承上述至少一个摄像机的工作台，所述摄像机能随着自身相对工作台的运动而聚焦于目标；
-诸如位置和姿态测定系统之类的多个信息处理系统，这些系统能够计算出所述目标在工作台坐标中的位置及方向；
-用于将视频信号传输给接收站的装置；
-上述多个信息处理装置之间的通讯装置。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所说的传输装置将摄像机所采集的视频信号传给记录这种信号的胶片或磁带，或者将其传给至少一个接收站或中继站。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于：
-可以改变一个摄像机与一个目标的归属关系；
-目标可起工作台的作用，工作台也可起目标的作用；
-全球定位系统采集目标、工作台以及中继站的全球位置，相对位置和姿态数据；以及
-中继站配备有可定向式的定向天线，从而能用通讯装置和信息处理装置使这些天线指向其它的中继站或接收站。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，惯性制导系统支承着所说的全球定位系统。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所说的目标和工作台是飞机，并且，工作台上的摄像机可定位成能相对工作台的坐标系统指向任何方向，同时，通过从目标的全球位置矢量中减去工作台的全球位置矢量并将结果矢量影射到工作台坐标系统中，可以获得所述目标在工作台坐标系统中的位置。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所说的工作台和目标是汽车。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所说的工作台是固定的，所说的目标是配备有全球定位系统的汽车，而具有增强变焦能力的摄像机则定位于摩托车赛回路周围，以便能够借助于汽车的全球定位系统所提供的汽车的位置充分地利用变焦系统。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所说的工作台是飞机，所说的目标是地面上的汽车。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所说的工作台承载着两个平行的TV摄像机，这两个摄像机用于进行立体观察，具体地说，用于将视频信号传输至观众所带的虚拟现实头盔。
10.如权利要求1所述系统的使用方法。
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