专利名称：自动天体跟踪/图像捕获方法及自动天体跟踪/图像捕获摄像机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种自动跟踪和拍摄天体的方法，所述方法能够捕获天体的定格画面，本发明还涉及一种使用该方法的摄像机。
背景技术：
如果长时间曝光天体摄影使用固定摄像机进行，则因为天体由于地球自转(周日运动)而相对于摄像机移动，因此在长时间曝光过程中恒星的补充光在捕获图像中形成直的或弯曲的光迹。为了进行长时间曝光以拍摄天体，使得天体显示为静止(发光点)，一般使用装配自动追踪系统的赤道仪。近年来，已提出一种方法，其中使用固定数码摄像机多次拍摄天体而不使用赤道仪，之后，将因此多次获得的图像相加，同时使用数据在所得图像上校正天体的位置(专利 文献I和2)。引文列表专利文献专利文献I :日本未审专利公布No. 2006-279135专利文献2 :日本未审专利公布No. 2003-259184专利文献3 :日本未审专利公布No. 2007-2561
发明内容
技术问题然而，装配自动跟踪系统的赤道仪昂贵、繁重并难以处理。合成多个图像的数码摄像机的类型(公开于专利文献I和2中)具有较差的图像配准精度，并具有较慢的图像处理速度，因此，仅使用这种类型的数码摄像机实际上不可能合成多个图像。本发明的一个目的是获得一种自动跟踪和拍摄天体的方法以及获得一种使用该方法的摄像机，所述方法能够在其中每个天体显得固定的情况下简单地通过使用摄像机进行曝光而不使用赤道仪来捕获天体的静止图像，所述摄像机朝向任意选择的天体，并相对于地面固定。问题的解决方法提供了一种根据本发明自动跟踪和拍摄天体的方法，所述天体由于周日运动而相对于拍摄装置移动，在跟踪和拍摄操作过程中，使得经由拍摄光学系统在摄像装置的成像表面上形成的天体图像相对于所述摄像装置的成像表面的预定成像区域变得固定，所述方法包括输入拍摄位点处的纬度信息、拍摄方位角信息、拍摄仰角信息、所述拍摄装置的姿势信息和所述拍摄光学系统的焦距信息；使用所有输入信息来计算所述天体图像相对于所述拍摄装置的移动量，拍摄装置用于相对于所述摄像装置的预定成像区域固定所述天体图像；以及通过基于所述计算的相对移动量来移动所述预定成像区域和所述天体图像中的至少一个来获得拍摄图像。在本发明的一个方面，所述自动跟踪和拍摄天体的方法还包括获得拍摄图像，同时基于所述计算的相对移动量，在与所述拍摄光学系统的光轴正交的方向上以平行方式移动所述摄像装置，并围绕平行于所述光轴的轴线旋转所述摄像装置以将所述天体拍摄为点。在本发明的另一方面，在自动跟踪和拍摄天体的方法中，所述预定成像区域为由所述摄像装置的整个成像区域的电子调节部分定义的调节区域，所述方法还包括获得拍摄图像，同时基于所述计算的相对移动量，在与所述拍摄光学系统的光轴正交的方向上以平行方式移动所述调节区域，并围绕平行于所述光轴的轴线旋转所述调节区域以将所述天体拍摄为点。
在本发明的又一方面，在自动跟踪和拍摄天体的方法中，所述预定成像区域为由所述摄像装置的整个成像区域的电子调节部分定义的调节区域，所述方法还包括获得拍摄图像，同时基于所述计算的相对移动量，通过使所述拍摄光学系统的一部分偏心而相对于所述拍摄装置移动所述天体图像，并围绕平行于所述拍摄光学系统的光轴的轴线旋转所述调节区域以将所述天体拍摄为点。术语“拍摄光学系统的光轴”指在进行偏心调节之前初始状态的拍摄光学系统的光轴。在本发明的另一方面，在自动跟踪和拍摄天体的方法中，所述预定成像区域为由所述摄像装置的整个成像区域的电子调节部分定义的调节区域，所述方法还包括获得拍摄图像，同时基于所述计算的相对移动量，在与所述拍摄光学系统的光轴正交的方向上以平行方式移动所述摄像装置，并围绕平行于所述光轴的轴线旋转所述调节区域以将所述天体拍摄为点。相对移动量可由所有输入信息和球面三角形计算，所述球面三角形连接天顶、天极和半天球上的像平面的中心的位置。更具体地，所述自动跟踪和拍摄天体的方法还包括由纬度ε、方位角Α、仰角h、作为所述拍摄装置的姿势信息的从水平方向和围绕所述拍摄光学系统的光轴的转动角ξ以及所述拍摄光学系统的焦距f，根据如下公式(14)计算在所述天体处水平方向与赤道之间的角度Y ;以及根据如下公式(III)和(IV)，相对于所述摄像装置的长侧方向和短侧方向在预定时间T计算天体图像的相对移动量Δχ和Ay，其中Y =arctan [cos ( ε ) Xsin (A) / (sin ( ε ) X cos (h) -cos ( ε ) Xsin (h) X cos (A))]··· (14)，Δ x=xX cos ( Y + ξ ) +y X sin ( Y + ξ )... (Ill),且Δ y=x X sin ( Y + ξ ) +y X cos ( Y + ξ ) ··· (IV)，其中Ax=fxsin9xsinfp .-.(10),且
Ay=fxsin9xcos0(I-cosq>) ■ · '(11)，其中θ表示朝向天极的方向与所述拍摄光学系统的光轴之间的角度，且φ表示在所述预定时间T时地球的自转角。提供了一种天体自动跟踪拍摄摄像机，其包括用于计算所述相对移动量的操作设备以进行上述自动跟踪和拍摄天体的方法。在本发明的一个方面，所述天体自动跟踪拍摄摄像机包括移动器，所述移动器基于所述计算的相对移动量，在与所述拍摄光学系统的光轴正交的方向上以平行方式移动所述摄像装置，并围绕平行于所述光轴的轴线旋转所述摄像装置。在本发明的另一方面，在所述天体自动跟踪拍摄摄像机中，所述预定成像区域为由所述摄像装置的整个成像区域的电子调节部分定义的调节区域，且其中所述天体自动跟踪拍摄摄像机包括移动器，所述移动器基于所述计算的相对移动量，在与所述拍摄光学系统的光轴正交的方向上以平行方式移动所述调节区域，并围绕平行于所述光轴的轴线旋转所述调节区域。在本发明的又一方面，在所述天体自动跟踪拍摄摄像机中，所述预定成像区域为由所述摄像装置的整个成像区域的电子调节部分定义的调节区域，且其中所述天体自动跟踪拍摄摄像机包括移动器，所述移动器基于所述计算的相对移动量，通过使所述拍摄光学系统的一部分偏心而相对于所述拍摄装置移动所述天体图像，并围绕平行于所述拍摄光学 系统的光轴的轴线旋转所述调节区域。术语“拍摄光学系统的光轴”指在进行偏心调节之前初始状态的拍摄光学系统的光轴。在本发明的又一方面，在所述天体自动跟踪拍摄摄像机中，所述预定成像区域为由所述摄像装置的整个成像区域的电子调节部分定义的调节区域，且其中所述天体自动跟踪拍摄摄像机包括移动器，所述移动器在与所述拍摄光学系统的光轴正交的方向上以平行方式移动所述摄像装置，并围绕平行于所述光轴的轴线旋转所述调节区域。操作设备可由所有输入信息和球面三角形计算相对移动量，所述球面三角形连接天顶、天极和半天球上的像平面的中心的位置。更具体地，所述操作设备由纬度ε、方位角Α、仰角h、作为所述拍摄装置的姿势信息的从水平方向和围绕所述拍摄光学系统的光轴的转动角I以及所述拍摄光学系统的焦距f，根据如下公式(14)计算在所述天体处水平与赤道之间的角度Y，并根据如下公式
(III)和(IV)，相对于所述摄像装置的长侧方向和短侧方向在预定时间T计算所述天体图像的相对移动量Λχ和Ay，其中Y =arctan [cos ( ε ) Xsin (A) / (sin ( ε ) X cos (h) -cos ( ε ) Xsin (h) X cos (A))]··· (14)，Δ x=xX cos ( Y + ξ ) +y X sin ( Y + ξ ) ··· (III),且Δ y=x X sin ( Y + ξ ) +y X cos ( Y + ξ ) ··· (IV)，其中Ax=fxsin0xsin(p -..(10),且Ay=fxsin0xcos0( I-cos(p) ^'(11),其中θ表示朝向天极的方向与所述拍摄
光学系统的光轴之间的角度，且φ表示在所述预定时间τ时地球的自转角。本发明的有益效果根据本发明，在所述自动跟踪和拍摄天体的方法以及使用该方法的摄像机中，有可能在其中每个天体显得固定的情况下简单地通过使用摄像机进行曝光而不使用赤道仪来拍摄天体的静止图像，所述摄像机朝向任意选择的天体，并相对于地面固定。
图I为示出了根据本发明的具有自动跟踪和拍摄天体的功能的数码摄像机的一个实施方案的主要元件的框图；图2为显示在北极进行天体拍摄操作的方式的图，天球的半径定义为r ；图3为示出了直接从下方观察的图2所示的方式的图；图4为示出了从不同方向(al)至(a4)观察的天体的轨道(圆形轨道)的图；图5为显示从不同方向(al)至(a4)捕获的天体的圆形轨道的图像的图；图6为示出了使用指向天体的摄像机，由于地球自转所产生的由天体图像所描绘的轨道的图； 图7为显示当天体移动并同时描绘明显椭圆(圆形)轨道时，在图像传感器中心捕获天体的同时跟踪天体的方式的图；图8为示出了椭圆与椭圆切线之间的关系的图；图9为示出了根据本发明的天体自动跟踪摄影的天球图；图10为示出了在所述天球图上的球面三角形的图，所述球面三角形连接北极、目标天体和天顶；图11为显示其中数码摄像机从围绕拍摄光轴的水平位置倾斜的状态的图；图12为显示与天体自动跟踪摄影相关的主要过程的流程图；图13为示出了天体自动跟踪摄影的流程图；以及图14为示出根据本发明的具有自动跟踪和拍摄天体的功能的数码摄像机的另一实施方案的主要元件的框图，其对应于图I所示的框图。
具体实施例方式在下文将讨论根据本发明的自动跟踪和拍摄天体的方法的一个实施方案以及使用该方法的数码摄像机的一个实施方案。如图I所示，数码摄像机10(拍摄装置)的本实施方案具有摄像机机身11和拍摄镜头101 (拍摄光学系统L)。用作摄像装置的图像传感器13安装于摄像机机身11中，以被设置于拍摄光学系统L之后。拍摄光学系统L的光轴LO与图像传感器13的成像表面14正交。图像传感器13安装于图像传感器驱动单元(移动器)15上。图像传感器驱动单元15具有固定台、可相对于所述固定台移动的可移动台，和用于相对于所述固定台移动所述可移动台的电磁回路，且图像传感器13由所述可移动台保持。图像传感器13 (可移动台)被控制和驱动，从而以所需的移动速度在与光轴LO正交的所需方向上以平行方式移动，并以所需的旋转速度围绕平行于光轴LO的轴线(瞬时中心位于在与所述光轴正交的平面中的一些点上)旋转。此类图像传感器驱动单元15在本领域中已知为公开于例如专利文献3中的引入图像振动校正器(振动减弱系统)的摄像机中的防振单
J Li ο摄像机机身11装配CPU 21,所述CPU 21控制摄像机的全部操作。CPU 21驱动图像传感器13并控制其操作，对所捕获的目标图像的图像信号进行信号处理操作以在LCD显示器23上显示该图像，并将该图像的图像数据写入记忆卡25。当图像传感器驱动单元15用作防振单元时，为了检测应用于数码摄像机10的振动，将由X方向陀螺仪传感器GSX、Y方向陀螺仪传感器GSY和旋转感应陀螺仪传感器GSR检测的信号输入CPU 21。
摄像机机身11装配各种开关，如电源开关27、释放开关28和设定开关30。CPU 21根据这些开关27、28和30的开/关状态来进行控制。例如，CPU 21在从电源开关27接收操作信号时打开/关闭来自电池的电源供应(在图中未显示)，并在从释放开关28接收操作信号时进行聚焦过程、光度测量过程和图像捕获过程(天文图像捕获过程)。设定开关30用于选择性设定各种摄影模式(曝光模式)，如天体跟踪拍摄模式和正常拍摄模式。摄像机机身11在其中具有用作纟韦度信息输入器的GPS单兀31、用作方位角信息输入器的方位角传感器33，和用作拍摄仰角信息输入器的重力传感器35。纬度信息ε、拍摄方位角信息A和拍摄仰角信息h分别从GPS单元31、方位角传感器33和重力传感器35输入至CPU21。另外，重力传感器35包括校平功能，并将图11所示的摄像机机身11的姿势信息提供至CPU 21 (重力传感器35充当摄像机姿势信息输入器)。摄像机姿势信息表示摄像机机身11 (图像传感器13)从摄像机机身11 (图像传感器13)的参考位置围绕光轴LO旋转的角度的信息I。摄像机机身11 (图像传感器13)的所述参考位置为，例如，这样的位置(姿势):其中矩形形状的图像传感器的长侧方向与水平方向(X方向)一致，且在摄像机机身11旋转之后水平方向(X方向)与长侧方向V之间的角度ξ对应于该转动角信息。
上述GPS单元31、方位角传感器33和重力传感器35的每一个或全部可为附接至摄像机机身的外置型，而不是加入摄像机机身11中的内置型。具体地，有可能将这种外置设备安装至附接至摄像机机身11的基板的配件插座或支架，来自上述外置设备的输出信号可经由配件插座或连接器(如USB连接器)上的电接触而被输入至CPU 21。输入至CPU21的日期/时间信息可获自内置时钟，纬度信息ε可由使用者经由设定开关30手动输入至 CPU 21。当进行天体跟踪拍摄操作时，CPU 21基于如下信息经由图像传感器驱动单元15控制图像传感器13的平行和旋转移动由GPS单元31输入的纬度信息ε、由方位角传感器33输入的拍摄方位角信息Α、由重力传感器35输入的拍摄仰角信息h和转动角信息(摄像机姿势信息)ξ，和由焦距检测器105输入的焦距信息f。使用上述数码摄像机10的天体跟踪摄影的原理将在下文具体讨论。[从北极拍摄(北纬90度)]在地球上从北极(90度纬度)拍摄指在如下状态(示于图2)下拍摄其中位于地轴(地球自转轴)的延长的北极星(北极星)与天顶一致。本文假设天球为有限的球体，示于图2中的“r”表示天球的半径，其在实际中应为无限大的，示于图2中的“ Θ ”表示数码摄像机10的拍摄光学系统L的光轴LO从北极星偏离的角度(即朝向天极的方向与拍摄光学系统的光轴之间的角度)。在此情况中，数码摄像机10的拍摄仰角h由下式表示90- Θ (h=90- Θ )。当如图3所示直接从下方观察天球时，所有天体的每一个围绕北极星(天极)描绘圆形轨道。该圆形轨道的半径表示为R。圆形轨道的半径R取决于数码摄像机10的拍摄仰角h，因此能够由Θ表示。圆形轨道的半径R可通过如下公式给出R=r X sin Θ …⑴。在天体在24小时(=1440分钟=86400秒)沿着圆形轨道旋转一个回转360度的角度的前提下，在其中天体每t秒旋转角度φ的情况中，确立如下公式
权利要求
1.一种自动跟踪和拍摄天体的方法，所述天体由于周日运动而相对于拍摄装置移动，在跟踪和拍摄操作过程中，使得经由拍摄光学系统在摄像装置的成像表面上形成的天体图像相对于所述摄像装置的所述成像表面的预定成像区域变得固定，所述方法包括 输入拍摄位点的纬度信息、拍摄方位角信息、拍摄仰角信息、所述拍摄装置的姿势信息和所述拍摄光学系统的焦距信息； 使用所有输入信息来计算所述天体图像相对于所述拍摄装置的移动量，所述拍摄装置用于相对于所述摄像装置的所述预定成像区域固定所述天体图像；以及 通过基于所述计算的相对移动量来移动所述预定成像区域和所述天体图像中的至少一个来获得拍摄图像。
2.根据权利要求I所述的自动跟踪和拍摄天体的方法，其还包括获得拍摄图像，同时基于所述计算的相对移动量，在与所述拍摄光学系统的光轴正交的方向上以平行方式移动所述摄像装置，并围绕平行于所述光轴的轴线旋转所述摄像装置以将所述天体拍摄为点。
3.根据权利要求I所述的自动跟踪和拍摄天体的方法，其中所述预定成像区域为由所述摄像装置的整个成像区域的电子调节部分定义的调节区域，所述方法还包括获得拍摄图像，同时基于所述计算的相对移动量，在与所述拍摄光学系统的光轴正交的方向上以平行方式移动所述调节区域，并围绕平行于所述光轴的轴线旋转所述调节区域以将所述天体拍摄为点。
4.根据权利要求I所述的自动跟踪和拍摄天体的方法，其中所述预定成像区域为由所述摄像装置的整个成像区域的电子调节部分定义的调节区域，所述方法还包括获得拍摄图像，同时基于所述计算的相对移动量，通过使所述拍摄光学系统的一部分偏心而相对于所述拍摄装置移动所述天体图像，并围绕平行于所述拍摄光学系统的光轴的轴线旋转所述调节区域以将所述天体拍摄为点。
5.根据权利要求I所述的自动跟踪和拍摄天体的方法，其中所述预定成像区域为由所述摄像装置的整个成像区域的电子调节部分定义的调节区域，所述方法还包括获得拍摄图像，同时基于所述计算的相对移动量，在与所述拍摄光学系统的光轴正交的方向上以平行方式移动所述摄像装置，并围绕平行于所述光轴的轴线旋转所述调节区域以将所述天体拍摄为点。
6.根据权利要求I至5中任一项所述的自动跟踪和拍摄天体的方法，其中所述相对移动量由所有输入信息和球面三角形计算，所述球面三角形连接天顶、天极和半天球上的像平面的中心的位置。
7.根据权利要求6所述的自动跟踪和拍摄天体的方法，其还包括 由所述纬度ε、所述方位角Α、所述仰角h、作为所述拍摄装置的姿势信息的从水平方向和围绕所述拍摄光学系统的所述光轴的转动角I以及所述拍摄光学系统的焦距f，根据如下公式(14)计算在所述天体处水平方向与赤道之间的角度Y ;以及 根据如下公式(III)和(IV)，相对于所述摄像装置的长侧方向和短侧方向在预定时间T计算所述天体图像的相对移动量Δχ和Ay， 其中 Y =arctan [cos ( ε ) X sin (A) / (sin ( ε ) X cos (h) -cos ( ε ) X sin (h) X cos (A))]... (14)，Δ χ=χX cos ( Y + ξ ) +y X sin ( Y + ξ )... (Ill),且 Δ y=xX sin ( y + ξ ) +y X cos ( Y + ξ ) ··· (IV), 其中
8.一种天体自动跟踪拍摄摄像机，其包括用于计算所述相对移动量的操作设备以进行根据权利要求I所述的自动跟踪和拍摄所述天体的所述方法。
9.根据权利要求8所述的天体自动跟踪拍摄摄像机，其包括移动器，所述移动器基于所述计算的相对移动量，在与所述拍摄光学系统的光轴正交的方向上以平行方式移动所述摄像装置，并围绕平行于所述光轴的轴线旋转所述摄像装置。
10.根据权利要求8所述的天体自动跟踪拍摄摄像机，其中所述预定成像区域为由所述摄像装置的整个成像区域的电子调节部分定义的调节区域，且 其中所述天体自动跟踪拍摄摄像机包括移动器，所述移动器基于所述计算的相对移动量，在与所述拍摄光学系统的光轴正交的方向上以平行方式移动所述调节区域，并围绕平行于所述光轴的轴线旋转所述调节区域。
11.根据权利要求8所述的天体自动跟踪拍摄摄像机，其中所述预定成像区域为由所述摄像装置的整个成像区域的电子调节部分定义的调节区域，且 其中所述天体自动跟踪拍摄摄像机包括移动器，所述移动器基于所述计算的相对移动量，通过使所述拍摄光学系统的一部分偏心而相对于所述拍摄装置移动所述天体图像，并围绕平行于所述拍摄光学系统的光轴的轴线旋转所述调节区域。
12.根据权利要求8所述的天体自动跟踪拍摄摄像机，其中所述预定成像区域为由所述摄像装置的整个成像区域的电子调节部分定义的调节区域，且 其中所述天体自动跟踪拍摄摄像机包括移动器，所述移动器在与所述拍摄光学系统的光轴正交的方向上以平行方式移动所述摄像装置，并围绕平行于所述光轴的轴线旋转所述调节区域。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的天体自动跟踪拍摄摄像机，其中所述操作设备由所有输入信息和球面三角形计算所述相对移动量，所述球面三角形连接天顶、天极和半天球上的像平面的中心的位置。
14.根据权利要求13所述的天体自动跟踪拍摄摄像机，其中所述操作设备由所述纬度ε、所述方位角Α、所述仰角h、作为所述拍摄装置的姿势信息的从水平方向和围绕所述拍摄光学系统的所述光轴的转动角I以及所述拍摄光学系统的焦距f，根据如下公式(14)计算在所述天体处水平方向与赤道之间的角度Y，并根据如下公式(III)和(IV)，相对于所述摄像装置的长侧方向和短侧方向在预定时间T计算所述天体图像的相对移动量Λχ和Δγ, 其中Y =arctan [cos ( ε ) Xsin (A) / (sin ( ε ) Xcos(h) -cos ( ε ) Xsin(h) Xcos (A))]... (14)，
全文摘要
本发明提供了一种自动天体跟踪/图像捕获方法及自动天体跟踪/图像捕获摄像机，其中，可仅通过将摄像机朝任意天体导向并在使摄像机相对于地面固定的状态下捕获图像，来在看上去固定的状态下捕获捕获每个天体的图像。所述自动天体追踪/图像捕获方法包括输入关于图像捕获位置的纬度信息、关于图像捕获方位角的信息、关于图像捕获仰角的信息、关于图像捕获装置的姿势的信息和关于图像捕获光学系统的焦距的信息的步骤；使用输入的所有信息，计算相对于图像捕获装置的相对移动量的步骤，其中图像捕获装置用于相对于摄像元件的规定摄像区域固定天体图像；通过基于计算的相对移动量移动规定摄像区域和/或天体图像，来捕获图像的步骤。
文档编号H04N5/232GK102859988SQ20118002101
公开日2013年1月2日 申请日期2011年4月27日 优先权日2010年4月28日
发明者大田真己斗 申请人:宾得理光映像有限公司