JP2011095112A - 三次元位置測定装置、飛翔体のマッピングシステム、およびコンピュータプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 １台のカメラによって１箇所から撮影しても、飛翔体の三次元位置座標を演算し、その三次元位置座標から飛翔図などのマップを作成して表示する。
【解決手段】 所定の空間領域(11)の飛翔体(50)を撮影する１台のカメラ(12)と、そのカメラ(12)の測定位置原点Ｏから飛翔体(50)までの距離ｒを計測する距ｇ離計測手段(24)を備える。測定位置原点Ｏの位置データとカメラ(12)の光軸(13)の方位方向Θは、ＧＰＳレシーバ(15)による位置データと方位データに基づいて演算する。カメラ(12)の光軸(13)が通る画面中心位置Ｃの三次元位置を演算する。撮影画面上の飛翔体(50)の三次元位置は、画面中心位置Ｃからの高さと水平距離から演算する。その画面中心位置Ｃからの高さと水平距離は、測定位置原点Ｏから飛翔体(50)までの距離ｒと、相対高さ仰角ψと、相対方位θから演算する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鳥や飛行物体などの飛翔体を、１台のカメラによって１箇所から撮影しても、飛翔体の定量的な三次元位置座標を算出可能な三次元位置測定装置、および飛翔体の飛翔図のマップを作成して表示する飛翔体のマッピングシステムに関する。

大規模な屋外フィールドにて鳥などの飛翔体の飛翔図を作成する方法としては、一般的には、以下のような方法が採用されている。すなわち、２台のカメラを遠く離して２箇所へ設置して撮影し、スラレオ画像法を用いて三次元位置座標を計測する。その計測データに基づいて飛翔体の位置を地図上に３Ｄ表示（３Ｄマッピング）する、という方法である。

特許文献１は、移動物体の三次元軌跡を計測する技術であり、球技スポーツにおけるボールのように高速で移動する物体の移動軌跡を解析するための技術である。 これは、複数（たいてい２台）のカメラによって飛翔体を含む画像データを取得し、同期させた複数の画像データ中において一致する粒子や画素を抽出する（ＰＴＶステレオペアマッチング法）。一致した粒子や画素について、三次元における速度の情報に変換し、三次元の軌跡を求めるものである。
ＰＴＶステレオペアマッチング法の技術は、鳥などの飛翔体の軌跡を解析するために利用することができる。

また、特許文献２，３などに開示されるように、離間させた左カメラおよび右カメラによって所定の空間領域を互いに異なる方向から同期させて連続撮影し、それぞれ左側画像データおよび右側画像データを取得する。 次に、左側画像データおよび右側画像データの粒子の対応付けを実行する。その対応付けした粒子に対して時刻間の対応付けをする。このとき、複数の時刻間で対応付けが検証されていた。
上記の対応付けられた複数の時刻間の粒子に基づいて、その粒子の三次元速度ベクトルが算出される。この方法は、「多時刻法」と呼ばれる。

一方、1台のカメラを水平に設置してから、そのカメラによって、予め大きさが把握できている飛翔体を撮影する。撮影画像に記録された飛翔体が撮影画像においてどの程度の大きさであるか、を把握するとともに、その飛翔体が映っている角度を計測することによって、飛翔体が飛翔している高さを算出するシステムがあった。

例えば特許文献４では、レーザ装置を用いて飛翔体の高度を求める技術が開示されている。 すなわち、高繰返しパルスレーザ装置によってレーザ光を飛翔体へ投射し、その飛翔体で反射する反射光を受光することによって飛翔体までの距離を求める。さらに、反射光パルスの受光方向および受光光学系の光軸の仰角より飛翔物体を見る仰角を求め、飛翔体までの距離と方向から飛翔体の高度を算出するのである。

特開２００７−１１５２３６号公報 特開平８−１４８２８号公報 特開平１０−１２２８１９号公報 特開平８−１０１２７２号公報

前述した技術はいずれも、２台のカメラを遠く離して異なる２箇所へ設置する必要がある。すなわち、飛翔体を撮影可能な２箇所のカメラ設置場所を確保する必要がある。 さて、野原などの広い場所であれば、カメラ設置場所を確保することは容易な場合もあるが、山間部や都市部などでは２台のカメラ設置場所を確保することが困難であった。たとえば、１箇所のカメラ設置場所を確保できても、他のカメラ設置場所を所望の位置に確保できないとすれば、撮影条件を変更する必要が生じてくるのである。

加えて、２台のカメラの撮影範囲を重ねた領域内が計測対象となるので、飛翔体が前記領域外を飛行することが判明したときは、遠く離れた２台のカメラの撮影範囲や設置箇所を再設定することが困難であった。 また、２セットの撮影装置が必要となる上に、設定を合理的に進めるには２名の作業者が必要となってしまう。
以上のように、カメラを設置する場所の確保および設定作業、作業人員の確保、遠く離れた２箇所間の連携作業の必要性などが必要であり、飛翔体を撮影することそのものが大掛かりであり、費用や手間もかかってしまう。

前述した１台のカメラにて飛翔体の高度を求めるシステムは、高度情報しか得られない。そのため、飛翔図などのマップを作成することができなかった。
また、レーザ装置にて飛翔体の高度を求めるシステムでも、高度情報しか得られない。したがって、やはり飛翔図などのマップを作成することができなかった。

本発明が解決しようとする課題は、１台のカメラによって１箇所から撮影しても、飛翔体の三次元位置座標を演算する飛翔体の三次元位置測定装置、および飛翔体の三次元位置座標から飛翔図などのマップを作成して表示する飛翔体のマッピングシステムを提供することにある。

（第一の発明）
本願における第一の発明は、 所定の空間領域(11)の飛翔体(50)を撮影する１台のカメラ(12)と、 前記カメラ(12)の測定位置原点Ｏの位置データおよび方位データを取得するＧＰＳレシーバ(15)と、 前記カメラ(12)の測定位置原点Ｏから飛翔体(50)までの距離ｒを計測する距離計測手段(24)と、 前記ＧＰＳレシーバ(15)で取得した方位データに基づいて前記カメラ(12)の光軸(13)の方位方向Θを前記測定位置原点Ｏから水平角で演算する光軸方向演算手段(25)と、 前記カメラ(12)によって撮影した画像データにおいて、画面中心位置Ｃから飛翔体(50)の高さ位置までのピクセル角度演算に基づいてカメラ(12)の光軸(13)から前記飛翔体(50)までの相対高さ仰角ψを演算する高さ仰角演算手段(26)と、 前記カメラ(12)によって撮影した画像データにおいて、画面中心位置Ｃから飛翔体(50)の相対方位位置までのピクセル角度演算に基づいてカメラ(12)の光軸(13)から前記飛翔体(50)までの相対方位θを演算する相対方位演算手段(27)と、 前記測定位置原点Ｏ、飛翔体(50)までの距離ｒ、光軸(13)の方位方向Θ、相対高さ仰角ψおよび相対方位θから飛翔体(50)の空間位置を演算し、その空間位置を経度、緯度および高度に換算する三次元位置座標演算手段(28)と、
を備えた飛翔体の三次元位置測定装置(20)に係る。

（作用）
カメラ(12)の測定位置原点Ｏの位置データとカメラ(12)の光軸(13)の方位方向Θは、ＧＰＳレシーバ(15)で取得した位置データと方位データに基づいて演算する。これによって、カメラ(12)の光軸(13)が通る画面中心位置Ｃの三次元位置を演算できる。したがって、カメラ(12)による撮影画面上の飛翔体(50)の三次元位置は、画面中心位置Ｃからの高さと水平距離から演算できる。その画面中心位置Ｃからの高さと水平距離は、測定位置原点Ｏから飛翔体(50)までの距離ｒと、相対高さ仰角ψと、相対方位θから演算される。その結果として、1台のカメラ(12)にて１箇所で撮影しても、飛翔体(50)の三次元位置座標が演算される。

（第一の発明のバリエーション１）
第一の発明は、以下のようなバリエーションを提供することもできる。
すなわち、 前記三次元位置座標演算手段(28)は、前記カメラ(12)の光軸(13)を水平方向から上方へ傾けた際の前記光軸(13)と水平方向とのなす相対光軸仰角ψ’を補正値として飛翔体(50)の三次元位置座標の演算を補正する補正機構を備えてもよい。

（作用）
前記カメラ(12)の光軸(13)を水平方向から上方へ傾けることによって、飛翔体(50)の飛ぶ領域の撮影範囲が広がる。このとき、カメラ(12)の光軸(13) と水平方向とのなす相対光軸仰角ψ’を補正値として補正することにより、飛翔体(50)の三次元位置座標が演算できる。

（第一の発明のバリエーション２）
第一の発明は、以下のようなバリエーションを提供することもできる。
すなわち、 前記カメラ(12)は、飛翔体(50)が撮影画像内に入ったことを認知して出力する鳥トリガ(41)と、その鳥トリガ(41)による飛翔体(50)の認知出力を入力するとともに、前記空間領域(11)の画像データを所定時間取得する撮影起動手段(42)と、を備え、 前記カメラ(12)が取得した所定時間の画像データに基づいて試験的なＰＴＶ処理を実行するＰＴＶ演算手段(43)と、 そのＰＴＶ演算手段(43)が実行したＰＴＶ処理の結果を出力するＰＴＶ処理出力手段(44)と、 そのＰＴＶ処理出力手段(44)の出力結果に基づいて、ＰＴＶ処理が可能な画像データが取得できているか否かを判断する判断手段(45)と、 その判断手段(45)によってＰＴＶ処理が可能な画像データを取得できていると判断された場合に、前記カメラ(12)に対して本番撮影用の画像データを所定時間取得するように命令信号を発信し、かつ前記距離計測手段(24)に対して距離ｒを計測するように命令信号を発信する制御手段(46)と、を備えてもよい。

（作用）
カメラ(12)の撮影画像に飛翔体(50)が入ると、鳥トリガ(41)が自動的に認知して警報発生的に出力する。その飛翔体(50)の認知出力によって試し撮りが開始され、その画像データは所定時間取得される。その取得した画像データはＰＴＶ演算手段(43)によって試験的なＰＴＶ処理が行われる。その結果がＰＴＶ処理出力手段(44)によって出力され、判断手段(45)では、その結果に基づいて、ＰＴＶ処理が可能な画像データが取得できているか否かを判断する。良好であると判断した時、カメラ(12)で本番撮影を開始し、かつ距離計測手段(24)によって飛翔体(50)までの距離ｒを計測し、飛翔体(50)の三次元座標を計測する。

（第一の発明のバリエーション３）
第一の発明は、以下のようなバリエーションを提供することもできる。
すなわち、 前記制御手段(46)は、その発信する命令信号に基づいて前記カメラ(12)および前記距離計測手段(24)に対して本番起動開始指示を表示する本番開始表示手段(47)を備えてもよい。

（作用）
カメラ(12)および距離計測手段(24)の起動が手動で行われる場合は、本番開始表示手段(47)によって対応し、制御手段(46)の命令信号を操作員に知らせる。

（第二の発明）
本願における第二の発明は、 所定の空間領域(11)の飛翔体(50)を撮影する１台のカメラ(12)と、 前記カメラ(12)の測定位置原点Ｏの位置データおよび方位データを取得するＧＰＳレシーバ(15)と、 前記カメラ(12)の測定位置原点Ｏから飛翔体(50)までの距離ｒを計測する距離計測手段(24)と、 前記ＧＰＳレシーバ(15)で取得した方位データに基づいて前記カメラ(12)の光軸(13)の方位方向Θを前記測定位置原点Ｏから水平角で演算する光軸方向演算手段(25)と、 前記カメラ(12)によって撮影した画像データにおいて、画面中心位置Ｃから飛翔体(50)の高さ位置までのピクセル角度演算に基づいてカメラ(12)の光軸(13)から前記飛翔体(50)までの相対高さ仰角ψを演算する高さ仰角演算手段(26)と、 前記カメラ(12)によって撮影した画像データにおいて、画面中心位置Ｃから飛翔体(50)の相対方位位置までのピクセル角度演算に基づいてカメラ(12)の光軸(13)から前記飛翔体(50)までの相対方位θを演算する相対方位演算手段(27)と、 前記測定位置原点Ｏ、飛翔体(50)までの距離ｒ、光軸(13)の方位方向Θ、相対高さ仰角ψ、相対方位θから、飛翔体(50)の空間位置を演算し、その空間位置を経度、緯度、高度に換算する三次元位置座標演算手段(28)と、 前記三次元位置座標演算手段(28)によって演算した位置座標を時間ごとの位置から前記飛翔体(50)の軌跡を演算する飛翔体軌跡演算手段(31)と、 前記飛翔体軌跡演算手段(31)によって演算したデータを三次元マップにて表示する出力表示手段(32)と、を備えた飛翔体のマッピングシステム(10)に係る。

（作用）
カメラ(12)の測定位置原点Ｏの位置データとカメラ(12)の光軸(13)の方位方向Θは、ＧＰＳレシーバ(15)で取得した位置データと方位データに基づいて演算する。これによって、カメラ(12)の光軸(13)が通る画面中心位置Ｃの三次元位置を演算できる。したがって、カメラ(12)による撮影画面上の飛翔体(50)の三次元位置は、画面中心位置Ｃからの高さと水平距離から演算できる。その画面中心位置Ｃからの高さと水平距離は、測定位置原点Ｏから飛翔体(50)までの距離ｒと、相対高さ仰角ψと、相対方位θから演算される。その結果として、1台のカメラ(12)にて１箇所で撮影しても、飛翔体(50)の三次元位置座標が演算される。その飛翔体(50)の三次元位置座標を時間ごとの位置から飛翔体(50)の軌跡を演算し、三次元マップにて表示する。

（第二の発明のバリエーション１）
第二の発明は、以下のようなバリエーションを提供することもできる。
すなわち、 前記三次元位置座標演算手段(28)は、前記カメラ(12)の光軸(13)を水平方向から上方へ傾けた際の前記光軸(13)と水平方向とのなす相対光軸仰角ψ’を補正値として飛翔体(50)の三次元位置座標の演算を補正する補正機構を備えてもよい。

（作用）
前記カメラ(12)の光軸(13)を水平方向から上方へ傾けることによって、飛翔体(50)の飛ぶ領域の撮影範囲が広がる。このとき、カメラ(12)の光軸(13) と水平方向とのなす相対光軸仰角ψ’を補正値として補正するだけで、飛翔体(50)の三次元位置座標が簡単に演算される。

（第二の発明のバリエーション２）
第二の発明は、以下のようなバリエーションを提供することもできる。
すなわち、 前記カメラ(12)は、飛翔体(50)が撮影画像内に入ったことを認知して出力する鳥トリガ(41)と、 その鳥トリガ(41)による飛翔体(50)の認知出力を入力するとともに、前記空間領域(11)の画像データを所定時間取得する撮影起動手段(42)と、を備え、 前記カメラ(12)が取得した所定時間の画像データに基づいて試験的なＰＴＶ処理を実行するＰＴＶ演算手段(43)と、 そのＰＴＶ演算手段(43)が実行したＰＴＶ処理の結果を出力するＰＴＶ処理出力手段(44)と、 そのＰＴＶ処理出力手段(44)の出力結果に基づいて、ＰＴＶ処理が可能な画像データが取得できているか否かを判断する判断手段(45)と、 その判断手段(45)によってＰＴＶ処理が可能な画像データを取得できていると判断された場合に、前記カメラ(12)に対して本番撮影用の画像データを所定時間取得するように命令信号を発信し、かつ前記距離計測手段(24)に対して距離ｒを計測するように命令信号を発信する制御手段(46)と、を備えてもよい。

（作用）
カメラ(12)の撮影画像に飛翔体(50)が入ると、鳥トリガ(41)が自動的に認知して警報発生的に出力する。その飛翔体(50)の認知出力によって試し撮りが開始され、その画像データは所定時間取得される。その取得した画像データはＰＴＶ演算手段(43)によって試験的なＰＴＶ処理が行われる。その結果がＰＴＶ処理出力手段(44)によって出力され、判断手段(45)では、その結果に基づいて、ＰＴＶ処理が可能な画像データが取得できているか否かを判断する。良好であると判断した時、カメラ(12)で本番撮影を開始し、かつ距離計測手段(24)によって飛翔体(50)までの距離ｒを計測し、飛翔体(50)の三次元座標を計測する。

（第二の発明のバリエーション３）
第二の発明は、以下のようなバリエーションを提供することもできる。
すなわち、 前記制御手段(46)は、その発信する命令信号に基づいて前記カメラ(12)および前記距離計測手段(24)に対して本番起動開始指示を表示する本番開始表示手段(47)を備えてもよい。

（作用）
カメラ(12)および距離計測手段(24)の起動が手動で行われる場合は、本番開始表示手段(47)によって対応し、制御手段(46)の命令信号を操作員に知らせる。

（第三の発明）
第三の発明は、 所定の空間領域の飛翔体を撮影する１台のカメラ、 前記カメラの測定位置原点の位置データおよび方位データを取得するＧＰＳレシーバ、および前記カメラの測定位置原点から飛翔体までの距離ｒを計測する距離計測手段を用いて飛翔体の三次元位置を測定するためのコンピュータプログラムに係る。
そのプログラムは、 前記ＧＰＳレシーバで取得した方位データに基づいて前記カメラの光軸の方位方向Θを前記測定位置原点から水平角で演算する光軸方向演算手順と、
前記カメラによって撮影した画像データにおいて、画面中心位置から飛翔体の高さ位置までのピクセル角度演算に基づいてカメラの光軸から前記飛翔体までの相対高さ仰角ψを演算する高さ仰角演算手順と、
前記カメラによって撮影した画像データにおいて、画面中心位置から飛翔体の相対方位位置までのピクセル角度演算に基づいてカメラの光軸から前記飛翔体までの相対方位θを演算する相対方位演算手順と、
前記測定位置原点、飛翔体までの距離ｒ、光軸の方位方向Θ、相対高さ仰角ψおよび相対方位θから飛翔体の空間位置を演算し、その空間位置を経度、緯度および高度に換算する三次元位置座標演算手順と、をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラムである。

（第四の発明）
第四の発明は、 所定の空間領域の飛翔体を撮影する１台のカメラと、 前記カメラの測定位置原点の位置データおよび方位データを取得するＧＰＳレシーバと、 前記カメラの測定位置原点から飛翔体までの距離ｒを計測する距離計測手段と、を用いて前記飛翔体の軌跡を三次元マップにて表示するためのコンピュータプログラムに係る。
そのプログラムは、 前記ＧＰＳレシーバで取得した方位データに基づいて前記カメラの光軸の方位方向Θを前記測定位置原点から水平角で演算する光軸方向演算手順と、 前記カメラによって撮影した画像データにおいて、画面中心位置から飛翔体の高さ位置までのピクセル角度演算に基づいてカメラの光軸から前記飛翔体までの相対高さ仰角ψを演算する高さ仰角演算手順と、 前記カメラによって撮影した画像データにおいて、画面中心位置から飛翔体の相対方位位置までのピクセル角度演算に基づいてカメラの光軸から前記飛翔体までの相対方位θを演算する相対方位演算手順と、 前記測定位置原点、飛翔体までの距離ｒ、光軸の方位方向Θ、相対高さ仰角ψおよび相対方位θから、飛翔体の空間位置を演算し、その空間位置を経度、緯度および高度に換算する三次元位置座標演算手順と、 その三次元位置座標演算手順にて演算した位置座標を時間ごとの位置から前記飛翔体の軌跡を演算する飛翔体軌跡演算手順と、 その飛翔体軌跡演算手順にて演算したデータを三次元マップにて表示する出力表示手順と、をコンピュータに実行させることとしたコンピュータプログラムである。

第三および第四の発明は、記録媒体に記録させて提供すること、および通信回線を通じて提供することが可能である。

第一の発明および第三の発明によれば、１台のカメラと距離計測手段を用いて、１箇所から撮影しても、飛翔体の三次元位置であるＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の座標データを演算することができる。その結果、カメラを設置する場所の確保、操作人員の確保が容易となり、費用や手間も少なくする飛翔体の三次元位置測定装置およびそれを実現するコンピュータプログラムを提供することができた。

第二の発明および第四の発明によれば、１台のカメラと距離計測手段を用いて、１箇所から撮影しても、飛翔体の三次元位置であるＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の座標データを演算することができる。その三次元位置座標を時間ごとの位置から飛翔体の軌跡を演算し、その飛翔体の飛翔図を作成して表示することができる。その結果、カメラを設置する場所の確保、操作人員の確保が容易となり、費用や手間も少なくする飛翔体のマッピングシステムおよびそれを実現するコンピュータプログラムを提供することができた。

本発明の実施形態の飛翔体の三次元位置測定装置および飛翔体のマッピングシステムを示す概略的な斜視図である。 図１を横から見た側面図である。 図１を上から見た平面図である。 本発明の実施形態の三次元位置測定装置および飛翔体のマッピングシステムのコンピュータの構成ブロック図である。 他の実施形態を示す側面図である。 本発明の実施形態の飛翔体の三次元位置測定装置および飛翔体のマッピングシステムに対して付加する試し撮り装置を示す構成ブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１ないし図３を参照するに、本実施形態に係る飛翔体のマッピングシステム１０（コンピュータ）は、１台のカメラ１２、ＧＰＳレシーバ１５、距離計測手段２４、光軸方向演算手段２５、高さ仰角演算手段２６、相対方位演算手段２７、三次元位置座標演算手段２８によって構成される飛翔体の三次元位置測定装置２０と、この三次元位置測定装置２０に加えて、飛翔体軌跡演算手段３１、出力表示手段３２によって構成される。

なお、上記の各手段１２，１５，２４，２５，２６，２７，２８，３１，３２は、図４に示すように、飛翔体のマッピングシステム１０（コンピュータ）の中央処理装置であるＣＰＵ２１に接続されている。このＣＰＵ２１には、種々のデータなどを入力するための入力手段２２と、種々のデータを記憶する記憶手段２３が接続されている。

１台のカメラ１２は、鳥５０などの飛翔体を計測したい所定の空間領域１１（撮影領域）を連続撮影するための撮影手段である。前記空間領域１１の全体を撮影するために、ほどよく離れた場所へ三脚１６などの設置用固定具を用いて設置される。基本的には、図２に示すように前記カメラ１２の光軸１３が水平方向に向けられる。なお、本実施形態では飛翔体として鳥５０で説明する。
また、前記カメラ１２では、鳥５０の軌跡を示す飛翔図を作成するための撮影画像データ１７（以下、単に「画像データ」という）を取得するために、本実施形態では１秒間に５０回の連続撮影が行われ、例えば５〜１０分間の撮影が行われる。図１では、説明のために、前記カメラ１２で取得する撮影画面１４の範囲を図示している。

前記カメラ１２はＣ−ＭＯＳセンサを用いたカメラである。Ｃ−ＭＯＳセンサを備えているのは、ＣＣＤ素子よりも露光時間の制御が容易であり、飛行速度の速い鳥類の画像を捉えるのに適している。また曇天などにおいても撮影が容易でレーザ光の照射などの設備が不要となるからである。

ＧＰＳレシーバ１５は、前記カメラ１２の測定位置原点Ｏの位置データおよび方位データを取得するために該カメラ１２に対して備えられる。すなわち、ＧＰＳレシーバ１５によって、カメラ１２の設置場所の緯度、経度、海抜の高度の位置データおよび方位データが得られる。カメラ１２の位置データとしては、例えば、地図上地表面におけるカメラ１２の測定位置原点Ｏが、海抜０ｍを基準点とするＸ軸（例えば、Ｎ極方向），Ｙ軸，Ｚ軸の座標データで表わされる。なお、Ｘ軸−Ｙ軸平面は水平面であり、Ｚ軸は垂線方向の軸である。
前記カメラ１２の光軸１３は、前記測定位置原点Ｏと、該カメラ１２で取得する画面中心位置Ｃを通過する。その光軸１３の方位方向Θは、図１および図３に示すように、前記測定位置原点Ｏを中心としてＮ極方向（Ｘ軸）に対する水平角で表わされる。これらの情報は、ＧＰＳに備えられている機能を利用して得られる。

距離計測手段２４は、前記カメラ１２の測定位置原点Ｏから鳥５０までの距離ｒを計測するもので、例えば、レーザ距離計などのセオドライトが用いられる。例えば、高繰返しパルスレーザ装置によってレーザ光ＬＢを鳥５０へ投射し、その鳥５０で反射する反射光を受光することによって鳥５０までの距離ｒを求める。
前記距離ｒは手動で計測してもできるが、前記距離計測手段２４を三脚などの設置用固定具を用いて設置し、鳥５０に向けて追跡駆動する駆動装置によって自動的に追跡し、前記距離ｒを時間ごとに自動的に計測することもできる。自動的に距離ｒを計測する場合は、その計測したデータを入力手段２２から三次元位置測定装置２０（コンピュータ）に自動的に入力することによって、時刻ごとに鳥５０の軌跡を計測することが容易となる。

光軸方向演算手段２５は、前記ＧＰＳレシーバ１５で取得した方位データに基づいて前記カメラ１２の光軸１３の方位方向Θを前記測定位置原点Ｏから水平角で演算するものである。前記カメラ１２の光軸１３は、前記測定位置原点Ｏと、該カメラ１２で取得する画面中心位置Ｃを通過する。その光軸１３の方位方向Θは、図１および図３に示すように、前記測定位置原点Ｏを中心としてＮ極方向（Ｘ軸）に対する水平角Θで表わされる。これらの情報は、ＧＰＳに備えられている機能を利用して得られる。

高さ仰角演算手段２６は、前記カメラ１２によって撮影した撮影画面１４において、画面中心位置Ｃから鳥５０の高さ位置までのピクセル角度演算に基づいてカメラ１２の光軸１３から前記鳥５０までの相対高さ仰角ψを演算するものである。例えば、図２に示すように、カメラ１２のレンズの高さ方向の撮影角度を４５°とし、撮影撮影画面１４の高さ方向の画素数を２００ピクセルとすると、１ピクセル当りの角度が０．２２５°（＝４５°/２００）となる。画面中心位置Ｃから鳥５０の高さＨまでの画素数がｈである場合、相対高さ仰角ψは０．２２５°×ｈとなる。

相対方位演算手段２７は、前記カメラ１２によって撮影した撮影画面１４において、画面中心位置Ｃから鳥５０の相対方位位置までのピクセル角度演算に基づいてカメラ１２の光軸１３から前記鳥５０までの相対方位θを演算するものである。例えば、図３に示すように、カメラ１２のレンズの水平方向の撮影角度を６０°とし、撮影画面１４の水平方向の画素数を３００ピクセルとすると、１ピクセル当りの角度が０．２°（＝６０°/３００）となる。画面中心位置Ｃから鳥５０の水平距離Ｖまでの画素数がｖである場合、相対方位θは０．２°×ｖとなる。

三次元位置座標演算手段２８は、前記測定位置原点Ｏ、鳥５０までの距離ｒ、光軸１３の方位方向Θ、相対高さ仰角ψ、相対方位θから、鳥５０の空間位置を演算し、その空間位置を経度、緯度、高度のＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸座標データに換算するものである。例えば、図１ないし図３に示すように、撮影画面１４において、画面中心位置Ｃから鳥５０までの高さＨは、単純に、Ｈ＝ｒsinψとなる。一方、画面中心位置Ｃから鳥５０までの水平距離Ｖは、単純に、Ｖ＝ｒsinθとなる。
測定位置原点Ｏから鳥５０までの距離ｒと光軸１３の方位方向Θとから画面中心位置Ｃの位置座標のデータを演算できるので、画面中心位置Ｃの位置座標と、鳥５０の高さＨおよび水平距離Ｖによって鳥５０の三次元位置Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の座標データを演算できる。

以上のようにして、本実施形態の飛翔体の三次元位置測定装置２０では、１台のカメラ１２と距離計測手段２４を用いて、１箇所から撮影しても、鳥５０の三次元位置であるＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の座標データを演算することができる。その結果、１台のカメラ１２を設置する場所は簡単に確保することができる。また、操作人員は設置場所の１箇所での１組だけであるので容易に確保することができる。また、２台のカメラの場合のように遠く離れた２箇所の間で連携作業をする必要がなくなる。したがって、従来の大掛かりな撮影作業を解消し、費用や手間もかからずに、鳥５０を撮影することができる。

本実施形態に係る飛翔体のマッピングシステム１０（コンピュータ）は、上記の飛翔体の三次元位置測定装置２０で演算した鳥５０の三次元位置であるＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の座標データに基づいて、飛翔体軌跡演算手段３１、出力表示手段３２によって鳥５０の飛翔図などのマップを作成して表示するものである。

飛翔体軌跡演算手段３１は、前記三次元位置座標演算手段２８によって演算した三次元位置座標を時間ごとの位置から前記鳥５０の軌跡を演算するものである。すなわち、前記三次元位置座標データに対して時刻間対応付けをする。その時刻間対応付けは、前記Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の三次元データの鳥５０の粒子と、例えばΔｔ秒後の次の時刻の三次元データの鳥５０の中で最も距離が短い粒子を対応する鳥５０の粒子として決定する。
次に、前記時刻間対応付けによって対応付けられた二つの時刻間（Δｔ秒間）の鳥５０の粒子で、その粒子の三次元速度ベクトルを算出する。
時刻ごとに算出した鳥５０の粒子の三次元速度ベクトルを連続させてたどっていくことによって鳥５０の軌跡が算出される。このときの鳥５０の軌跡は海抜０ｍを基準点とするＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸座標データで表わされる。

出力表示手段３２は、前記飛翔体軌跡演算手段３１によって演算した鳥５０の軌跡を三次元マップにてモニタなどに表示するものである。

以上のようにして、本実施形態の飛翔体のマッピングシステム１０では、１台のカメラ１２と距離計測手段２４を用いて、１箇所から撮影しても、鳥５０の三次元位置であるＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の座標データを演算することができる。その鳥５０の三次元位置座標を時間ごとの位置から三次元速度ベクトルを連続して算出することによって鳥５０の軌跡を演算し、その鳥５０の軌跡を飛翔図に作成して表示することができる。
その結果、飛翔体の三次元位置測定装置２０の説明でも述べたように、１台のカメラ１２を設置する場所は簡単に確保することができる。また、操作人員は設置場所の１箇所での１組だけであるので容易に確保することができる。従来の大掛かりな撮影作業を解消し、費用や手間もかからずに、鳥５０を撮影することができる。

前述した飛翔体の三次元位置測定装置２０、および飛翔体のマッピングシステム１０では、１台のカメラ１２の光軸１３を水平方向に向けて設置しているので、光軸１３より下の空間領域１１にはそれほど鳥５０が飛ばないことが多い。そこで、撮影画面１４の下半分の無駄をなくすために、図５に示すように、カメラ１２の光軸１３を水平より上方へ傾けて鳥５０が飛ぶ領域の撮影範囲を広げることができる。つまり、水平方向に対する光軸１３の仰角ψ’を補正角度とすることができる。

そこで、前記三次元位置座標演算手段２８には、前記カメラ１２の光軸１３を水平方向から上方へ傾けた際の前記光軸１３と水平方向とのなす相対光軸仰角ψ’を補正値として鳥５０の三次元位置座標の演算を補正する補正機構を備えることができる。

基本的には、鳥５０の三次元位置座標データは、前述した実施形態に基づいて撮影画面１４の画面中心位置Ｃからの鳥５０の高さおよび水平距離を演算し、その演算した鳥５０の高さおよび水平距離と画面中心位置Ｃの三次元座標から演算する。その際に、画面中心位置Ｃを通る光軸１３が仰角ψ’で水平方向より傾いている分だけ画面中心位置Ｃの座標が補正される。したがって、鳥５０の三次元位置座標は仰角ψ’だけ補正されて簡単に演算される。

また、前述した飛翔体の三次元位置測定装置２０、および飛翔体のマッピングシステム１０に対して、１台のカメラ１２で本番撮影する前に、予め設定した空間領域１１内に鳥５０が入ったかどうかを確認する試し撮り装置４０を付加することができる。
その理由は、撮影画面１４には、鳥５０などの飛翔体が前記空間領域１１から外れた場合であっても撮影されるので、その撮影した鳥５０が実際に前記空間領域１１内に入ったものか、あるいは外れたものかを見極める必要がある。もし、空間領域１１から外れた鳥５０を撮影するなら無駄なので、バッテリ（動力源）やハードディスク（記録手段）の費用や操作の手間がかかることになる。

試し撮り装置４０としては、図６に示すように、カメラ１２に対して鳥トリガ４１、撮影起動手段４２を備える。これに加えて、ＰＴＶ演算手段４３、ＰＴＶ処理出力手段４４、判断手段４５、制御手段４６を備えて構成される。
なお、上記の各手段４１，４２，４３，４４，４５，４６は、飛翔体のマッピングシステム１０（コンピュータ）の中央処理装置であるＣＰＵ２１に接続されている。

鳥トリガ４１は、鳥５０が撮影画像内に入ったことを自動的に認知して警報発生的に出力するものである。
撮影起動手段４２は、前記鳥トリガ４１による鳥５０の認知出力をカメラ１２に入力することによって、カメラ１２が前記撮影領域１１の画像データ１７を、例えば５〜１０秒間などのように短い所定時間、試験的に取得するものである。
ＰＴＶ演算手段４３は、前記カメラ１２が取得した所定時間の画像データ１７に基づいて試験的なＰＴＶ処理を実行するものである。
ＰＴＶ処理出力手段４４は、前記ＰＴＶ演算手段４３が実行したＰＴＶ処理の結果を出力するものである。

判断手段４５は、前記ＰＴＶ処理出力手段４４の出力結果に基づいて、ＰＴＶ処理が可能な画像データ１７が取得できているか否かを判断するものである。
鳥５０が前記空間領域１１から外れる場合は、カメラ１２の設置位置に対して鳥５０が近すぎたり、速度が速すぎたり、遠くて小さすぎたりする。したがって、試し撮りをした際に、上記のように鳥５０が近すぎたり、速すぎたり、小さすぎたりした場合は、予め設定した空間領域１１から外れていると判断する。

制御手段４６は、前記判断手段４５によってＰＴＶ処理が可能な画像データ１７を取得できていると判断された場合に、前記カメラ１２に対して本番撮影用の画像データ１７を所定時間取得するように命令信号を発信し、かつ前記距離計測手段２４に対して鳥５０までの距離ｒを計測するように命令信号を発信する本番撮影用制御手段である。
一方、前記判断手段４５によってＰＴＶ処理が可能な画像データ１７を取得できていないと判断された場合は、カメラ１２の設置場所を適切な場所に変更することができる。

また、カメラ１２および距離計測手段２４の起動を手動で行われる場合に対応するために、前記制御手段４６には、その発信する命令信号に基づいて前記カメラ１２および前記距離計測手段２４に対して本番起動開始指示を表示する本番開始表示手段４７を備えることができる。この本番開始表示手段４７としては音声発生器や発光装置などを用いることができる。

上記構成により、カメラ１２の撮影画像に鳥５０が入ると、鳥トリガ４１が自動的に認知して警報発生的に出力する。その鳥５０の認知出力によって試し撮りが開始され、その画像データ１７は所定時間取得される。その取得した画像データ１７はＰＴＶ演算手段４３によって試験的なＰＴＶ処理が行われる。その結果がＰＴＶ処理出力手段４４によって出力され、判断手段４５では、その結果に基づいて、ＰＴＶ処理が可能な画像データ１７が取得できているか否か、つまり、鳥５０が前記空間領域１１の中に入ったかどうかを判断する。鳥５０が前記空間領域１１に入ったと判断した時、すぐにカメラ１２で本番撮影を開始し、かつ距離計測手段２４によって鳥５０までの距離ｒを計測する。

上記の試し撮り装置４０を付加することによって、操作員の入力によって撮影画面１４を常時監視することなく、本番撮影する前に、空間領域１１の中に鳥５０が入ったことを自動的に判断することができる。その結果を受けて、無駄なく、カメラ１２で本番撮影を開始し、かつ距離計測手段２４によって距離ｒを計測し、鳥５０の三次元座標を計測し、鳥５０の軌跡を計測し、飛翔図などのマップを作成することができる。

本発明は、飛翔体に関する環境アセスメントの情報を収集するための計測サービスに関する事業、当該計測機器の製造業、当該計測サービスに関するソフトウェア作成業などにおいて、利用可能性を有する。

１０ マッピングシステム １１ 空間領域（撮影領域）
１２ カメラ １３ 光軸
１４ 撮影画面（画面） １５ ＧＰＳレシーバ
１６ 三脚 １７ 撮影画像データ
２０ 三次元位置測定装置 ２１ ＣＰＵ
２２ 入力手段 ２３ 記憶手段
２４ 距離計測手段 ２５ 光軸方向演算手段
２６ 高さ仰角演算手段 ２７ 相対方位演算手段
２８ 三次元位置座標演算手段
３１ 飛翔体軌跡演算手段 ３２ 出力表示手段
４０ 試し撮り装置 ４１ 鳥トリガ
４２ 撮影起動手段 ４３ ＰＴＶ演算手段
４４ ＰＴＶ処理出力手段 ４５ 判断手段
４６ 制御手段 ４７ 本番開始表示手段
５０ 鳥（飛翔体）
Ｏ 測定位置原点 Ｃ 画面中心位置
ＬＢ レーザ光

Claims (10)

1. 所定の空間領域の飛翔体を撮影する１台のカメラと、
   前記カメラの測定位置原点の位置データおよび方位データを取得するＧＰＳレシーバと、
   前記カメラの測定位置原点から飛翔体までの距離ｒを計測する距離計測手段と、
   前記ＧＰＳレシーバで取得した方位データに基づいて前記カメラの光軸の方位方向Θを前記測定位置原点から水平角で演算する光軸方向演算手段と、
   前記カメラによって撮影した画像データにおいて、画面中心位置から飛翔体の高さ位置までのピクセル角度演算に基づいてカメラの光軸から前記飛翔体までの相対高さ仰角ψを演算する高さ仰角演算手段と、
   前記カメラによって撮影した画像データにおいて、画面中心位置から飛翔体の相対方位位置までのピクセル角度演算に基づいてカメラの光軸から前記飛翔体までの相対方位θを演算する相対方位演算手段と、
   前記測定位置原点、飛翔体までの距離ｒ、光軸の方位方向Θ、相対高さ仰角ψおよび相対方位θから飛翔体の空間位置を演算し、その空間位置を経度、緯度および高度に換算する三次元位置座標演算手段と、
   を備えた飛翔体の三次元位置測定装置。
2. 前記三次元位置座標演算手段は、前記カメラの光軸を水平方向から上方へ傾けた際の前記光軸と水平方向とのなす相対光軸仰角ψ’を補正値として飛翔体の三次元位置座標の演算を補正する補正機構を備えた請求項１に記載の飛翔体の三次元位置測定装置。
3. 前記カメラは、飛翔体が撮影画像内に入ったことを認知して出力する鳥トリガと、その鳥トリガによる飛翔体の認知出力を入力するとともに、前記空間領域の画像データを所定時間取得する撮影起動手段と、を備え、
   前記カメラが取得した所定時間の画像データに基づいて試験的なＰＴＶ処理を実行するＰＴＶ演算手段と、そのＰＴＶ演算手段が実行したＰＴＶ処理の結果を出力するＰＴＶ処理出力手段と、そのＰＴＶ処理出力手段の出力結果に基づいて、ＰＴＶ処理が可能な画像データが取得できているか否かを判断する判断手段と、その判断手段によってＰＴＶ処理が可能な画像データを取得できていると判断された場合に、前記カメラに対して本番撮影用の画像データを所定時間取得するように命令信号を発信し、かつ前記距離計測手段に対して距離ｒを計測するように命令信号を発信する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の飛翔体の三次元位置測定装置。
4. 前記制御手段は、その発信する命令信号に基づいて前記カメラおよび前記距離計測手段に対して本番起動開始指示を表示する本番開始表示手段を備えた請求項３に記載の飛翔体の三次元位置測定装置。
5. 所定の空間領域の飛翔体を撮影する１台のカメラと、
   前記カメラの測定位置原点の位置データおよび方位データを取得するＧＰＳレシーバと、
   前記カメラの測定位置原点から飛翔体までの距離ｒを計測する距離計測手段と、
   前記ＧＰＳレシーバで取得した方位データに基づいて前記カメラの光軸の方位方向Θを前記測定位置原点から水平角で演算する光軸方向演算手段と、
   前記カメラによって撮影した画像データにおいて、画面中心位置から飛翔体の高さ位置までのピクセル角度演算に基づいてカメラの光軸から前記飛翔体までの相対高さ仰角ψを演算する高さ仰角演算手段と、
   前記カメラによって撮影した画像データにおいて、画面中心位置から飛翔体の相対方位位置までのピクセル角度演算に基づいてカメラの光軸から前記飛翔体までの相対方位θを演算する相対方位演算手段と、
   前記測定位置原点、飛翔体までの距離ｒ、光軸の方位方向Θ、相対高さ仰角ψおよび相対方位θから、飛翔体の空間位置を演算し、その空間位置を経度、緯度および高度に換算する三次元位置座標演算手段と、
   前記三次元位置座標演算手段によって演算した位置座標を時間ごとの位置から前記飛翔体の軌跡を演算する飛翔体軌跡演算手段と、
   前記飛翔体軌跡演算手段によって演算したデータを三次元マップにて表示する出力表示手段と、
   を備えたことを特徴とする飛翔体のマッピングシステム。
6. 前記三次元位置座標演算手段は、前記カメラの光軸を水平方向から上方へ傾けた際の前記光軸と水平方向とのなす相対光軸仰角ψ’を補正値として飛翔体の三次元位置座標の演算を補正する補正機構を備えた請求項５に記載の飛翔体のマッピングシステム。
7. 前記カメラは、飛翔体が撮影画像内に入ったことを認知して出力する鳥トリガと、その鳥トリガによる飛翔体の認知出力を入力するとともに、前記空間領域の画像データを所定時間取得する撮影起動手段と、を備え、
   前記カメラが取得した所定時間の画像データに基づいて試験的なＰＴＶ処理を実行するＰＴＶ演算手段と、そのＰＴＶ演算手段が実行したＰＴＶ処理の結果を出力するＰＴＶ処理出力手段と、そのＰＴＶ処理出力手段の出力結果に基づいて、ＰＴＶ処理が可能な画像データが取得できているか否かを判断する判断手段と、その判断手段によってＰＴＶ処理が可能な画像データを取得できていると判断された場合に、前記カメラに対して本番撮影用の画像データを所定時間取得するように命令信号を発信し、かつ前記距離計測手段に対して距離ｒを計測するように命令信号を発信する制御手段と、
   を備えた請求項５または請求項６のいずれかに記載の飛翔体のマッピングシステム。
8. 前記制御手段は、その発信する命令信号に基づいて前記カメラおよび前記距離計測手段に対して本番起動開始指示を表示する本番開始表示手段を備えた請求項７記載の飛翔体のマッピングシステム。
9. 所定の空間領域の飛翔体を撮影する１台のカメラ、 前記カメラの測定位置原点の位置データおよび方位データを取得するＧＰＳレシーバ、および前記カメラの測定位置原点から飛翔体までの距離ｒを計測する距離計測手段を用いて飛翔体の三次元位置を測定するためのコンピュータプログラムであって、
   そのプログラムは、 前記ＧＰＳレシーバで取得した方位データに基づいて前記カメラの光軸の方位方向Θを前記測定位置原点から水平角で演算する光軸方向演算手順と、
   前記カメラによって撮影した画像データにおいて、画面中心位置から飛翔体の高さ位置までのピクセル角度演算に基づいてカメラの光軸から前記飛翔体までの相対高さ仰角ψを演算する高さ仰角演算手順と、
   前記カメラによって撮影した画像データにおいて、画面中心位置から飛翔体の相対方位位置までのピクセル角度演算に基づいてカメラの光軸から前記飛翔体までの相対方位θを演算する相対方位演算手順と、
   前記測定位置原点、飛翔体までの距離ｒ、光軸の方位方向Θ、相対高さ仰角ψおよび相対方位θから飛翔体の空間位置を演算し、その空間位置を経度、緯度および高度に換算する三次元位置座標演算手順と、をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラム。
10. 所定の空間領域の飛翔体を撮影する１台のカメラと、
    前記カメラの測定位置原点の位置データおよび方位データを取得するＧＰＳレシーバと、
    前記カメラの測定位置原点から飛翔体までの距離ｒを計測する距離計測手段と、を用いて前記飛翔体の軌跡を三次元マップにて表示するためのコンピュータプログラムであって、
    そのプログラムは、 前記ＧＰＳレシーバで取得した方位データに基づいて前記カメラの光軸の方位方向Θを前記測定位置原点から水平角で演算する光軸方向演算手順と、
    前記カメラによって撮影した画像データにおいて、画面中心位置から飛翔体の高さ位置までのピクセル角度演算に基づいてカメラの光軸から前記飛翔体までの相対高さ仰角ψを演算する高さ仰角演算手順と、
    前記カメラによって撮影した画像データにおいて、画面中心位置から飛翔体の相対方位位置までのピクセル角度演算に基づいてカメラの光軸から前記飛翔体までの相対方位θを演算する相対方位演算手順と、
    前記測定位置原点、飛翔体までの距離ｒ、光軸の方位方向Θ、相対高さ仰角ψおよび相対方位θから、飛翔体の空間位置を演算し、その空間位置を経度、緯度および高度に換算する三次元位置座標演算手順と、
    その三次元位置座標演算手順にて演算した位置座標を時間ごとの位置から前記飛翔体の軌跡を演算する飛翔体軌跡演算手順と、
    その飛翔体軌跡演算手順にて演算したデータを三次元マップにて表示する出力表示手順と、をコンピュータに実行させることとしたコンピュータプログラム。

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