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WO 98/19176 PCT/CH97/00405
Svstéme de <,uida'_e de caméra.
La présente invention concerne un svstéme de ~~uida!;e de caméra tel que
décrit dans
le preambule de la revendication 1
I1 est connu des svstémes de yuida~~e de cameras tel que le svsteme décrit
dans la
demande PCT/IB9.~/00-I31, du mème déposant. dans laquelle une lorme
panieuliére W
realisation fait appel à des systèmes GPS (Global l'ositioninV~ Svstemsl dans
le but
d~aequérir les données de position d'une c:ibl~. jette cible étant vise par
une caméra
montée sur une plateforme. exprimees dans un svstéme de coordonnees lié a
cette
plateforme.
L~usaue a montré que dans certains cas. une pluralité de récepteurs GPS, uu
plus
«énéralement de systèmes GNSS (Global Navi~,ation Satellite Svstem), ces
svstémes
incluant les GPS classiques et d'autres svstème~ de type GPS. pouvait
présenter des
inconvénients liés à une certaine lourdeur. En etiet. lorsque l'assiette d'un
objet est
déterminée par un ensemble de par exemple trois récepteurs GNSS situés sur cet
objet.
le traitement des données émises par ces récepteurs G\SS nécessite une brande
puissance de calcul. en mème temps que la conü~;uration à trois récepteurs
G~'SS par
objet confère au svstéme une ri~_idité défavorable. La demande précitée décrit
Sommairement l'utilisation complémentaire de svstémes de navigation
inertielle.
constitués par exemple d'unités de mesure inertielle uu I1U ( Ineniai
Measurement
L~nitl constitués chacune de trois accéléromètres et de trois ~=vroscopes. ces
derniers
mesurant les vitesses an!~ulaires. qui complémentent l'action des récepteurs
GNSS.
notamment dans le cas uù de mauvai,es mnditiuns de réception afTectent
nés=ativement
et pour une courte duree la réception des signaux GNSS
II a cté découvert qu~une utilisation judicieuse de ces unites de mesure
inertielle_
abréviées ci-après l~lUs, pouvait contribuer à simplifier le fonctionnement du
svstéme
de ~~uida~e de cameras dans les cas où les objets. c-a-d la uu les cibles. la
ou les
plateformes. ou la ou les stations-relais. se déplacent avec une certaine
vitesse dans
l'espace à trois dimensions. .-ainsi le probléme evoque plus haut est resolu
par les
moyens décrits dans la partie caractérisante de ia revendication I
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L'assiette d'une cible, d'une caméra, plateforme ou station-relais, appelé
plus
généralement objet. équipé de seulement un récepteur GNSS et un IMU peut être
déterminée à condition que cet objet se déplace avec une vitesse suffisante
sur un trajet
quelconque de l'espace tridimensionnel. La vitesse doit simplement ètre
suffisante pour
perlrtettre un bon fonctionnement de l'IMU. mais n'a pas besoin d'ëtre
prédéfinie, pas
plus que la trajectoire de l'objet. Un tel système est fonctionnellement
comparable à un
svstéme de détermination d'assiette comprenant plusieurs récepteurs GNSS, mais
le
mème récepteur est ici utilisé pour mesurer plusieurs positions différentes
dans
l'espace tridimensionnel. Alors que les mesures de position par ce récepteur
sont faites
à des intervalles de temps, l'IMU est utilisé pour mesurer avec précision
l'évolution
relative de la position de l'objet entre les mesures de position par ce
récepteur GNSS.
Ceci permet le calcul de l'orientation du repère de coordonnées (ié à l'objet
par rapport
au repère de coordonnées GNSS lié au sol, c'est-à-dire la détermination des
angles
d'Euler du repère de coordonnées lié à l'objet mobile par rapport au repère de
coordonnées üé au sol, autrement dit de l'assiette précise de l'objet.
Les mesures de l'IMU sont entachées d'erreurs dites erreurs de dérive, mais
ces
erreurs peuvent être facilement corrigées en adaptant la durée des intervalles
séparant
deux mesures GNSS à la précision requise. Ces mesures GNSS, plus précises,
permettent de maitriser ces erreurs de dérive à la fin de chaque intervalle.
Dans une forme particulière de réalisation de l'invemion. la trajectoire des
objets ou
véhicules n'est pas quelconque. mais est inscrite dans des limites connues et
répertoriées, comme par exemple la piste d'un circuit automobile de
compétition. Dans
un tel cas, les limites de la piste et sa topographie tridimensionnelle,
comprenant par
exemple des variations d'altitude. des franchissements de cois, ponts, et plus
spécialement tunnels. peuvent étre pré-enregistrées par les moyens de
traitement
d'informations. Dés lors, la position et l'assiette d'un véhicule ou objet
équipé
simplement d'une IMU, et se déplaçant dans de telles limites connues et pré-
enre~: istrées, peuvent être déterminées par corrélation des accélérations
tridimensionnelles et des rotations enregistrées par l'IMU. Ce processus de
corrélation
dispose par ailleurs de suffisamment d'informations pour étalement calculer
les erreurs
de dérive des accéléromètres de l'IMU et de ses gyroscopes. Il est simplement
r ~
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nécessaire, pour obtenir des résultats vraiment précis, que le véhicule ou
objet
s'approche de temps à autre des limites de trajectoire, comme le bord de la
piste dans
lé cas précité. Plus précisément. lorsque le véhicule ou objet frôle le bord
de la piste,
les secousses provoquées par le changement de revètement sont immédiatement
décelées par i'IMU et utilisées par les moyens de traitement d'informations
pour
ratraichir le repérage de la limite de piste. C'est ainsi qu'une configuration
constituée
par seulement une IMU par véhicule ou objet. sans récepteur GNSS, peut être
suffisante dans un tel cas uù le parcours est connu et répertorié. Toujours
dans ie cas
d'une course automobile, on sait que la perfbrmance des systèmes GNSS se
dérade
lorsque le parcours des véhicules comprend des tunnels, ou plus généralement
des
parties se prètant à des réverbérations de signaux. ou présentant des
caractéristiques de
~'multipath". C'est le cas avec des bàtiments de ~rande hauteur ou des ponts
Les
données transmises par l'IMU sont alors essentielles pour le repérage continu
de
l'objet par les moyens de traitement de l'information.
Dans une forme particulière de réalisation de l'invention, s'appliquant au cas
précédent
où la trajectoire des objets ou véhicules est inscrite dans des limites
connues,
l'initialisation du système peut ètre facilitée et rendue plus rapide si tes
moyens de
traitement de l'information est approvisionnée en indices complémentaires r
d'orientation, par exemple par des signaux émis par une cellule photo-
électrique
disposée sur la trajectoire. L'emplacement de la cellule est enregistrée dans
les
mémoires des moyens de traitement de l'information, et les signaux , émis par
la cellule
chaque fois qu'un véhicule ou objet donné passe devant cette cellule,
permettent alors
au systéme de suivre avec certitude l'évolution de la position du véhicule ou
objet.
Dans une forme particulière de réalisation de l'invention, s'appliquant
particulièrement
aux cas où les objets doivent pouvoir évoluer à basse vitesse ou mème
s'arrèter sans
compromettre l'efficacité du systéme, des capteurs de rotation de roue ou
d'organes
de direction sont disposés sur tes objets pour fournir aux moyens de
traitement de
l'information des données supplémentaires. Par contre, lors d'évolutions à
brande
vitesse ces capteurs sont désactivés. ou leur données sont ignorées, parce que
les
dérapages fréquents des roues introduisent des erreurs aléatoires et donc
dif~tciles à
corriger
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Dans une forme particulière de réalisation de l'invention. s'appliquant en
particulier au
fonctionnement en milieu confine comme les sports ou compétitions de salle,
les
satellites GNSS peuvent ètre remplacés par des pseudo-satellites, communément
appelés depuis peu ''pseudolites", qui sont montés à proximité immédiate du
plafond
de la salle. Ces pseudolites ont des fonctionnalisés comparables aux
satellites GNSS et
peuvent ei~icacement fournir aux plateformes et caméras les données
nécessaires à la
prise de vue sur les cibles, par l'intermédiaire des moyens de traitement
d'informations
Dans une forme particulière de réalisation de l'invention, les cameras sont au
moins au
nombre de deux, et les moyens de traitement d'informations ont Ia capacité
d'analyser
les images tümées. Cette capacité permet au système de fonctionner en
s'atFranchissant de la nécessité, pour les objets, de fournir constamment des
données
pour le calcul de leur position et assiette par les moyens de traitement
d'informations.
En particulier et à titre d'exemple, lorsque les cibles se déplacent sur un
trajet compris
essentiellement dans un plan, c'est-à-dire sur deux dimensions et non plus
trois, l'une
des caméras peut ètre positionnée assez loin de ce plan. Les moyens de
traitement
d'informations analysent les images filmées par cette caméra. dont la position
est
connue par les moyens de traitement d'informations. Il est alors possible de
reconnaitre
une ou plusieurs cibles par analyse d'images et entreprendre une estimation de
leur
position dans le plan considéré, mème si ces cibles n'émettent pas directement
d'informations sur leur position ou leur déplacement. Cette estimation peut
être affinée
de façon similaire par une ou plusieurs autres caméras, plus proches des
cibles, dont la
position est également connue par les moyens de traitement d'informations. On
peut
~râce à de telles capacités d'analyse d'image faire fonctionner le système
même avec
des cibles non coopérantes. c'est-à-dire ne révélant pas directement leur
position.
On va maintenant expliquer de façon plus détaillée le fonctionnement
particulier des
pseudoütes GNSS dans une manifestation ou évènement sportif en salle. Des
sources
de signaux électromagnétiques sont disposés sur les pseudofites, eux-même
fixés à
proximité immédiate du plafond de la salle, par exemple à ia manière de
plafonniers.
Lors de mesures d'assiette et de position par pseudolites GNSS, la distance
séparant
ces diverses sources de signaux électromagnétiques de récepteurs, ou points de
a
T I
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réception, ou transmetteurs de ces signaux est mesurée et sert de hase aux
calculs des
moyens de traitement de l'information, visant à déterminer la position de ces
récepteurs ou points de réception.
La vitesse des signaux concernés est proche de la vitesse de la lumiére. et la
distance
parcourue par un signal est évaluée à l'aide du temps mis par ce signal pour
parcourir
la distance de la source ou d'un transmetteur à un récepteur ou point de
réception.
En pratique. on s'assure d'une certaine redondance dans les mesures. Ceci
permet
d'améliorer la précision des mesures par des calculs de moyennes, et
éventuellement
d'éliminer les mesures erronnées par des tests de plausibilité connus en soi
Dans certains cas, notamment pour des applications en salle impliquant des
distances
courtes entre les sources. transmetteurs et récepteurs, on peut utiliser
d'autres
technologies que les ondes électromagnétiques pour mesurer les distances. Les
ultrasons peuvent constituer une première alternative. Une autre possibilité
est
d'utiliser des capteurs à déroulement de til, tels que décrits par exemple
dans la
demande de brevet suisse n° 19 9 6 25 3 8 /9 6 du mème déposant,
déposée le
17 octobre 1996. Un tel capteur à déroulement de til est constitué d'un
tambour, d'un
6l mince enroulé sur ce tambour, dont l'axe de rotation est muni d'un ressort
de rappel
et relié à un capteur d'angle. Au fur et à mesure que le til est tiré par
l'objet dont on
veut mesurer le déplacement, le tambour tourne d'un certain angle, angle qui
est
mesuré par le capteur et fournit une mesure du déplacement. Lorsque la force
qui
éloignait l'objet diminue. le ressort de rappel maintient le fil tendu. De
tels capteurs à
déroulement de fil présentent des caractéristiques de précision remarquables
et tout-à-
fait satisfaisantes pour les besoins de Ia présente invention. Un exemple en
est donné
dans ia brochure PT-OOl-B de la Société Space ,4ge Control, 38850 ?Oth Street
East,
Palmdale. Californie.
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Le fonctionnement du système va maintenant ëtre décrit par référence au dessin
ci-
annexé, dans lequelr
la figure 1 représente une cible filmée par une caméra sur sa plateforme et
- la figure ? représente une forme de réalisation avec au moins deux caméras
et des
cibles non coopérantes.
Le systéme représenté à ia figure 1 comprend une cible S, équipée d'un
récepteur
GNSS, filmée par un ensemble constitué d'une caméra et d'une plateforme 7. Cet
ensemble comprenant la plateforme 7 se déplace sur une trajectoire tri-
dimensionnelle
1. La plateforme 7 est équipée d'un récepteur G~JSS et d'un IMU (non
représentés)
Pendant son mouvement, au moins trois positions 3, -l et 5 sur fa trajectoire
sont
mesurées par rapport au repère '' de coordonnées GNSS.
Simultanément avec ces mesures de positions par GNSS, l'1MU enregistre lui
aussi les
accélérations subies par la plateforme, et mesure lui aussi la position des
points 3, -~ et
par rapport au repère inertiel 6.
Les moyens de traitement d'intbrmations utilisent ces mesures de position (qui
doivent
ëtre au nombre de six au minimum) pour calculer la position et l'assiette
précises de la
plateforme 7, c'est-à-dire ses angles d'Eider par rapport au repère fixe 2. La
position
de la cible 8 est déterminée par son récepteur GNSS.
Les moyens de traitement d'informations déduisent alors de la position de la
cible 8,
ainsi que de la position et assiette de la platefotirte 7, des angles de
pointage de la
caméra par rapport à la plateforme, ainsi que les données de zoom de cette
caméra,
pour garder en tout temps la cible 8 dans le champ de fa caméra avec la mise
au point
voulue.
La figure ? représente le cas concret d'une course automobile filmée par au
moins
deux caméras. L'une de ces caméras est embarquée dans un avion 9 survolant le
circuit
de course. qui dans le cas présent ne comprend pas de tunnels. Les moyens de
traitement d'informations (non représentés) comprennent des capacités
d'analyse des
images filmées par cette caméra et effectuent une estimation de la position
des cibles
et 11, qui sont deux concurrents de la course. Ils fournissent à la seconde
caméra
I Z des éléments de vidage vers la cible la plus appropriée, par exemple 10,
mais qui
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peut ètre choisie selon des critères connus en soi par exemple de la demande
PCT/IB94/00431. La seconde caméra 12 fournit elle aussi des images
susceptibles de
Uraitement par les capacités d'anavse précitées, ce qui permet d'affiner le
repérage de
position de la cible choisie 10, et de permettre un cadrage satisfaisant de
cette caméra.
Les prises de vues effectuées sont commercialement exploitables,
particulièrement
lorsque la caméra est située à un emplacement considéré comme trop dangereux
pour
risquer la vie d'un caméraman. comme par exemple à proximité immédiate de la
piste
On conçoit que les deux caméras, grâce aux capacités d'analyse d'images
associées a
ces caméras. s'entraident dans le suivi de la cible choisie 10 supposée non
coopérante.
