Устройство для высокоскоростной съемки
HIGH-SPEED SHOOTING DEVICE

Изобретение относится к области автоматической высокоскоростной съемки, а именно к системам регистрации поведения динамических объектов в условиях неподвижной высокоскоростной камеры, и может быть использовано для изучения поведения в полете летательных аппаратов и спортивных снарядов, для высокоскоростной съемки животных, в кинематографии, телевидении и других областях.
Известен мехатронный комплекс высокоскоростной съемки «Tracker2 Flight Follower», использующий схему с одним вращающимся зеркалом (http://specialised-imaging.com/products/tracker2-award-winning-flight-follower-system, обращение 10.03.2016).
Известное устройство обладает высокими скоростными параметрами, но ограниченной по азимуту рабочей зоной, позволяющей производить съемку исключительно линейно перемещающихся объектов, что существенно снижает область применения.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбрано устройство «Saccade mirror» для высокоскоростной съемки, включающее неподвижную камеру и оптическую систему из двух согласованно подвижных зеркал, формирующих ось поля зрения камеры, причем первичное зеркало установлено с возможностью отражения объекта съемки на вторичное зеркало, а вторичное зеркало установлено с возможностью отражения изображения объекта съемки от первичного зеркала в поле зрения камеры, зеркала выполнены с возможностью первичное - зенитного, а вторичное - азимутального относительно оптической оси камеры поворотов (Okumura, К.; Oku, Н.; Ishikawa, М., "High-speed gaze controller for millisecond-order pan/tilt camera," Robotics and Automation (ICRA), 2011 IEEE International Conference on, vol., no., pp. 6186, 6191, 2011; http://okulab.wix.com/okulab-e#!1msautopantilt/cesc, обращение 10.03.2016).
Прототип обладает очень высокими скоростными характеристиками и позволяет отслеживать объект съемки в реальном времени.
Недостатком известного устройства (прототипа) является ограниченность его технологических возможностей, обусловленная диапазоном рабочей зоны - не более 40° как по азимуту, так и по зениту, а в случае добавления третьего зеркала рабочая зона может быть расширена лишь до 190,5° по азимуту. Это связано с тем, что оба зеркала прототипа обладают исключительно одной вращательной степенью подвижности каждая. Ось поля зрения, проходя через центр первого зеркала, отклоняется на величину, пропорциональную углу поворота плоскости первого зеркала. Второе зеркало при этом лишено возможности соответствующим образом сместиться, удерживая ось поля зрения в своем центре. Это, в свою очередь, приводит к тому, что при больших углах между оптической осью камеры и плоскостью первого зеркала, объект съемки перестает отражаться в объектив.
Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи расширения рабочей зоны вплоть до 360° по азимуту и до 90° по зениту.
Технический результат - расширение технологических возможностей устройства для высокоскоростной съемки за счет расширения рабочей зоны.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в устройстве для высокоскоростной съемки, включающем неподвижную камеру и оптическую систему из двух согласованно подвижных зеркал, формирующих ось поля зрения камеры, причем первичное зеркало установлено с возможностью отражения объекта съемки на вторичное зеркало, а вторичное зеркало установлено с возможностью отражения изображения объекта съемки от первичного зеркала в поле зрения камеры, зеркала выполнены с возможностью первичное - зенитного, а вторичное - азимутального относительно оптической оси камеры поворотов, первичное зеркало выполнено с возможностью азимутального поворота относительно точки его пересечения с осью поля зрения камеры и перемещения по дуге вокруг оси поворота вторичного зеркала.
Заявленное техническое решение позволяет, в отличие от прототипа, смещать первичное зеркало таким образом, чтобы ось поля зрения камеры всегда была направлена на центр первичного зеркала - оптимально, когда дуга перемещения первичного зеркала составляет не менее 120° - при этом значении достигается возможность наводить ось поля зрения на любую точку на полусфере вокруг центра комплекса. Форма дуги окружности выбрана из соображения, чтобы перемещение первичного зеркала не вносило изменение в съемочное расстояние во всех конфигурациях комплекса - путь луча в рамках структуры имеет равное расстояние. Дополнительным положительным аспектом использования двух зеркал является четное количество отражений в системе, что возвращает объект съемки в исходное состояние в пространстве изображений.
Изобретение иллюстрируется изображениями, где:
на фиг. 1 показана схема взаимного расположения отдельных элементов комплекса и их степенями подвижности, вид сверху;
на фиг. 2 показана схема взаимного расположения отдельных элементов комплекса и их степенями подвижности, вид сбоку;
на фиг. 3 показан вариант промышленного исполнения комплекса высокоскоростной съемки динамических объектов.
Позиции, приведенные на изображениях, соответствуют следующему:
- первичное зеркало 1;
- вторичное зеркало 2;
- высокоскоростная камера 3;
- объект съемки 4;
- азимутальная ось первичного зеркала 5;
- зенитная ось первичного зеркала 6;
- азимутальная ось вторичного зеркала 7;
- дуга окружности 8, формируемая поступательными степенями подвижности первичного зеркала;
- оптическая ось 9 высокоскоростной камеры;
- ось поля зрения 10 высокоскоростной камеры;
- промышленный манипулятор 11 с шестью степенями подвижности в качестве способа исполнения комплекса.
- дополнительная степень подвижности манипулятора для вторичного зеркала 12.
Изобретение основано на том, что согласованное управление степенями подвижности первичного и вторичного зеркал, при условии, что угол дуги 8, по которой перемещается первичное зеркало 1, составляет не менее 120°, позволяет направлять в объектив камеры 3 отраженный от объекта съемки 4 свет (изображение) в диапазоне [0°, 360°] по азимуту и [0°, 90°] по зениту, при этом рабочая зона системы будет иметь вид полусферы; кроме того, пользуясь теми фактами, что непараллельность плоскостей первичного и вторичного зеркал вводит искажение в ориентацию снимаемого объекта в кадре, а также в связи с тем, что схема обладает неоднозначным решением обратной задачи кинематики, так как в нахождении направления на объект съемки 4, описывающийся двумя переменными (азимут и возвышение/зенит), используются три степени подвижности, система позволяет наводиться на одну и ту же точку в пространстве в разных конфигурациях системы, исходя из чего искажение можно компенсировать, меняя положение первичного зеркала 1 на дуге 8 вокруг оси вторичного зеркала 7 в процессе съемок; в данной оптической схеме диапазон изменения ориентации для конкретной точки тем более заметен, чем больше угол возвышения/зенита; сохранение ориентации объекта в процессе съемки может положительно повлиять на заполняемость кадра и, как следствие, на угловое разрешение; кроме того оптическая схема позволяет уменьшить максимальную угловую скорость элементов комплекса за счет согласованного движения первичного и вторичного зеркал.
Исходя из требований гибкости устройство предлагается реализовывать на базе промышленного манипулятора 11 с шестью степенями подвижности, причем первичное зеркало 1 установлено на фланец манипулятора таким образом, чтобы ось вращения шестой степени подвижности манипулятора совпадала с одной из вращательных осей (5, 6) первичного зеркала 1. Это решение связано с тем, что в промышленных манипуляторах шестая ось, как правило, обладает самой высокой скоростью вращения, что в свою очередь немаловажно для динамических характеристик комплекса в целом. Кроме того вторичное зеркало 2 установлено на внешней, дополнительной, седьмой вращательной степени подвижности манипулятора 12, также управляемой контроллером робота для обеспечения синхронизации таким образом, чтобы ось ее вращения совпадала с осью вращения вторичного зеркала 7. Центральная точка инструмента (TCP) манипулятора 11 должна находиться в центре первичного зеркала 1 на отражающем слое, в точке пересечения плоскости зеркала с осью поля зрения 10. Оснастку для крепления первичного зеркала необходимо проектировать таким образом, чтобы после установки на фланец ось вращения шестой степени подвижности манипулятора 11 проходила через отражающий слой и центр зеркала. Высокоскоростная камера 3 устанавливается на неподвижном штативе перед вторичным зеркалом 2.
Устройство работает следующим образом.
Первичное зеркало 1 перемещается по дуге окружности вокруг азимутальной оси вторичного зеркала 7, одновременно вращаясь вокруг азимутальной оси 5 и зенитной оси 6, а вторичное зеркало согласованно вращается вокруг оси 7 таким образом, чтобы отраженный от объекта съемки 4 свет попадал в объектив высокоскоростной камеры 3 на протяжении всего движения объекта съемки. Таким образом, оптическая ось 9 высокоскоростной камеры 3 неподвижна, а ось поля зрения 10 подвижна и всегда проходит через центр объекта съемки 4.
Предложенное устройство существенно отличается от прототипа тем, что первичное зеркало 1 выполнено с возможностью азимутального поворота вокруг своего центра и перемещения по дуге 8 вокруг оси поворота вторичного зеркала 7, что в свою очередь позволяет наводиться на объект съемки 4, находящийся в любой точке на полусфере вокруг центра устройства. Это обеспечивает увеличение протяженности траектории «слежения» за объектом съемки, не накладывая ограничений на характер траектории, и позволяет изменять ориентацию объекта съемки в кадре, пользуясь тем, что наведение на одну и ту же точку в пространстве возможно из разных положений первичного зеркала 1 на дуге окружности 8 в рамках степеней подвижности. Изменение ориентации объекта съемки в кадре в определенном диапазоне также позволяет компенсировать искажения ориентации, возникающие из-за непараллельности первичного и вторичного зеркал.
Предложенное устройство также позволяет уменьшить угловые скорости вращения первичного зеркала 1 путем заявленного согласованного движения первичного и вторичного зеркал, что в свою очередь позволит увеличить предельную скорость движения объекта съемки.
Таким образом, использование изобретения позволяет фиксировать на высокоскоростную камеру поведение динамических объектов, двигающиеся по известным заранее сложным траекториям в рамках рабочей зоны, равной полусфере вокруг центра устройства.
С учетом изложенного можно сделать вывод о том, что поставленная задача - расширение рабочей зоны вплоть до 360° по азимуту и до 90° по зениту - решена, а заявленный технический результат - расширение технологических возможностей устройства для высокоскоростной съемки за счет расширения рабочей зоны - достигнут.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении относится к области автоматической высокоскоростной съемки, а именно к системам регистрации поведения динамических объектов в условиях неподвижной высокоскоростной камеры;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте нижеизложенной формулы, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке и/или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.