DE69925696T2

DE69925696T2 - Bildaufnahmevorrichtung, Bildanzeigevorrichtung und Informationsaufzeichnungsmedium mit einem Fischaugenobjektiv

Info

Publication number: DE69925696T2
Application number: DE69925696T
Authority: DE
Inventors: Tooru Suwa-gun Nagano-Pref Nagaoka
Original assignee: FIT Corp; Advanet Inc; Rios Corp
Current assignee: FIT Corp; Advanet Inc; Rios Corp
Priority date: 1998-11-25
Filing date: 1999-06-17
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2019-06-18
Also published as: DE69925696D1; EP1004915A1; EP1004915B1; US6128145A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bildaufnahmevorrichtung, welche ein Fischaugenobjektiv, eine Bildanzeigevorrichtung und ein Informationsaufzeichnungsmedium aufweist, welche alle ein qualitativ hochwertiges umgewandeltes Bild erzeugen können, wenn ein von dem Fischaugenobjektiv aufgenommenes Bild in ein ebenes Bild umgewandelt wird.
Ein Überwachungssystem, welches eine Kamera verwendet, welche die Produktprüfung in einer Anlage oder die Überwachung von Bauarbeiten auf einer Baustelle von einem entfernten Ort aus ermöglicht, wurde kürzlich entwickelt. Bei diesem Überwachungssystem ist, je nachdem was überwacht wird, die Fähigkeit der Überwachung eines großen Bereiches mit einer begrenzten Anzahl von Kameras erwünscht. Um dies umzusetzen, ist ein Überwachungssystem in Entwicklung, welches ein Fischaugenobjektiv aufweist, welches ein Bild aller Richtungen des Gesichtsfeldes um die optische Achse herum mit einem Bildfeldwinkel von mindestens 90° in jede Richtung bezüglich der optischen Achse aufnehmen kann.
Die Verwendung dieses Fischaugenobjektivs ermöglicht das Erzeugen eines Bildes des gesamten Raumes mit einer einzigen Kamera. Dass heißt, der Raum wird als einzelner Bereich angesehen, eine Kamera wird in der Mitte des Bereichs installiert, ein Bild der Hälfte des Bereichs wird vom Fischaugenobjektiv aufgenommen, die Kamera wird von dieser Position aus um einen Winkel von 180° gedreht, ein Bild der anderen Hälfte des Bereichs in entgegengesetzter Richtung wird aufgenommen und die beiden Bilder werden kombiniert, um ein Bild aller Richtungen des Gesichtsfeldes im Raum von 360°, d.h. des Bereiches zu erhalten. Dieses Bild wird in ein ebenes Bild umgewandelt.
Als Überwachungssystem, welches ein Fischaugenobjektiv des Standes der Technik umfasst, wurde zum Beispiel durch die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. Hei6-501585 (im Folgenden der „Stand der Technik") ein System offenbart. Obwohl dieser Stand der Technik das Aufnehmen eines Bildes aller Richtungen des Gesichtsfeldes ermöglicht, ist das im Stand der Technik verwendete Objektiv ein Fischaugenobjektiv mit einem Verhältnis von h = f θ (wobei h die Höhe eines Bildes eines Objektes an einem bestimmten Punkt erzeugt durch das Fischaugenobjektiv ist, f ist die Brennweite des Fischaugenobjektivs und θ ist ein Bildfeldwinkel). Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass in der obengenannten offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. Hei6-501585 das 8 mm f/2,8 Objektiv von Nikon als Fischaugenobjektiv verwendet wird. Herkömmliche Fischaugenobjektive weisen im Allgemeinen ein Verhältnis von h = f·θ auf, und das 8 mm f/2,8 Fischaugenobjektiv von Nikon weist das obengenannte Verhältnis h = f·θ auf.
Das Verfahren der Aufnahme eines Bildes durch ein Fischaugenobjektiv mit diesem Verhältnis h = f·θ und der Umwandlung des Bildes in ein ebenes Bild nennt man „äquidistante Projektion". Da ein durch ein Fischaugenobjektiv mit den obengenannten Eigenschaften aufgenommenes Bild ein kleines Volumen an Bilddaten in seinem peripheren Abschnitt aufweist (Bildfeldwinkel von etwa 90° bezüglich der optischen Achsen des Fischaugenobjektivs), gibt es bei der Umwandlung des Bildes in ein ebenes Bild viele fehlende Abschnitte der Bilddaten im peripheren Abschnitt des Bildes und die fehlenden Abschnitte müssen interpoliert werden. Außerdem weist das durch das Fischaugenobjektiv mit den obengenannten Eigenschaften aufgenommene Bild ein solches Problem auf, dass der periphere Abschnitt des Bildes verzerrt ist.
Andere bekannte Fischaugenobjektive sind in US-A-4908705 und US-A-3953111 beschrieben.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Bildaufnahmevorrichtung, welche ein Fischaugenobjektiv, eine Bildanzeigevorrichtung und ein Informationsaufzeichnungsmittel aufweist, welche die fehlenden Abschnitte der Bilddaten minimiert, indem ein großes Volumen an Bilddaten mit einem Bildfeldwinkel von etwa 90° bezüglich der optischen Achse des Fischaugenobjektivs extrahiert wird, um das Interpolieren der fehlenden Abschnitte zu reduzieren, und welche ein natürliches ebenes Bild erzeugen kann, wenn Bilder aller Richtungen des Gesichtsfeldes um die optische Achse herum mit einem Bildfeldwinkel von mindestens 90° bezüglich der optischen Achse aufgenommen und in ebene Bilder umgewandelt werden.
Verschiedene andere Ziele, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann leicht ersichtlich sein, und auf die neuen Merkmale sind insbesondere in den beigefügten Patentansprüchen dargelegt.
Um das obengenannte Ziel zu erreichen, wird nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Bildaufnahmevorrichtung bereitgestellt, welche ein Fischaugenobjektiv zur Aufnahme eines Bildes aller Richtungen des Gesichtsfeldes um die optische Achse des Fischaugenobjektivs herum mit einem Bildfeldwinkel von mindestens 90° in jeder Richtung bezüglich der optischen Achse umfasst, wobei das Fischaugenobjektiv ein Verhältnis von h = nf·tan(θ/m) aufweist (wobei h die Höhe eines Bildes eines Objektes an einem bestimmten Punkt erzeugt durch das Fischaugenobjektiv ist, f ist die Brennweite des Fischaugenobjektivs, 1,6 ≤ m ≤ 3, m – 0,4 ≤ n ≤ m + 0,4 und θ ist ein Bildfeldwinkel).
Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Fischaugenobjektiv aus einem Hauptobjektiv und einem an dem Hauptobjektiv zu befestigenden Aufsatzobjektiv zusammengesetzt.
Ferner ist nach einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Bildanzeigevorrichtung vorgesehen, welche eine Bilddatenverarbeitungseinheit zum Umwandeln eines durch die Bildaufnahmevorrichtung des ersten und zweiten Aspektes der vorliegenden Erfindung erzeugten Bildes in ein ebenes Bild sowie eine Anzeigeeinheit zum Anzeigen des umgewandelten ebenen Bildes aufweist.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Informationsaufzeichnungsmedium vorgesehen, welches ein Programm aufzeichnet, das mindestens einen Schritt der Umwandlung eines durch das Fischaugenobjektiv mit einem Verhältnis von h = nf·tan(θ/m) erzeugten Bildes (wobei h die Höhe eines Bildes eines Objektes an einem bestimmten Punkt ist, f ist die Brennweite des Fischaugenobjektivs, θ ist ein Bildfeldwinkel, 1,6 ≤ m ≤ 3, und m –0,4 ≤ n ≤ m + 0,4) in ein ebenes Bild enthält, sowie den Schritt der Anzeige eines vorbestimmten Abschnittes des umgewandelten ebenen Bildes auf einer Anzeigeeinheit und den Schritt der kontinuierlichen Änderung des vorbestimmten Abschnittes mit Befehlsmitteln.
Eines der in der vorliegenden Erfindung verwendeten Fischaugenobjektive weist ein Verhältnis von h = 2f·tan(θ/2) auf. Verglichen mit einem gewöhnlichen Fischaugenobjektiv mit einem Verhältnis von h = f·θ wird ein Bild an einem peripheren Abschnitt (Bildfeldwinkel von etwa 90° bezüglich der optischen Achse des Fischaugenobjektivs) vergrößert und fehlende Abschnitte der Bilddaten im peripheren Abschnitt können mit dem Fischaugenobjektiv gemäß der vorliegenden Erfindung minimiert werden. Damit kann, wenn ein aufgenommenes Bild in ein ebenes Bild umgewandelt werden soll, die Interpolation der Bilddaten verringert werden, wodurch es möglich wird, ein natürlicheres ebenes Bild zu erzeugen.
Das Fischaugenobjektiv nach der vorliegenden Erfindung kann durch das Befestigen eines Aufsatzobjektivs auf einem Hauptobjektiv, welches an einer vorhandenen Kamera vorgesehen ist, zusammengesetzt werden, so dass das Fischaugenobjektiv an nahezu allen verfügbaren Kameras befestigt werden kann. Außerdem wird nur das Aufsatzobjektiv neu hergestellt, wodurch die Kosten reduziert werden können.
Ferner ermöglicht es die Bildanzeigevorrichtung zum Anzeigen eines ebenen Bildes, welches aus einem Bild umgewandelt wurde, welches mit der Bildaufnahmevorrichtung aufgenommen wurde, welche das obengenannte Fischaugenobjektiv an einer Anzeigeeinheit aufweist, dass das angezeigte Bild leicht sichtbar ist, wodurch der Wert der Vorrichtung verbessert wird. Wenn das Informationsaufzeichnungsmedium, welches die obengenannten Schritte aufzeichnet, von einem Computer gelesen und das Programm ausgeführt wird, kann auf der Anzeigeeinheit ein natürlicheres ebenes Bild angezeigt werden und der angezeigte Abschnitt kann innerhalb des Bereiches des durch die Bildaufnahmevorrichtung aufgenommenen Bildes frei verschoben werden.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei sich gleiche Bezugsnummern auf gleiche Elemente und Teile beziehen, wobei:
1 ein schematisches Strukturdiagramm eines Bildverarbeitungssystems ist, welches eine Bildaufnahmevorrichtung verwendet, welche ein Fischaugenobjektiv nach der vorliegenden Erfindung umfasst;
2 ist ein Strukturdiagramm des in 1 gezeigten Fischaugenobjektivs und ein entsprechendes Diagramm, welches die Linsenabstände schematisch darstellt (Linsenabstände und Linsenstärken);
3(A) ist ein Diagramm, welches das Verhältnis zwischen dem Bildfeldwinkel θ und der Bildhöhe h in Bezug auf Fischaugenobjektive mit einem Verhältnis h = f·θ, h = 2f·sin (θ/2), h = f·sin θ, h = f·tan θ, h = 3f·tan (θ/3), h = 2f·(tan θ/1,6) und eines der Fischaugenobjektive der vorliegenden Erfindung, welches ein Verhältnis h = 2f·tan(θ/2) aufweist, zeigt;
3(B) ist ein Diagramm, welches das Verhältnis zwischen dem Bildfeldwinkel θ und der Bildhöhe h in Bezug auf Fischaugenobjektive mit einem Verhältnis h = 2f·tan(θ/1,6), h = 2,4f·tan(θ/2), h = 3,4f·tan(θ/3), h = 1,2f·tan (θ/1,6), h = 1,6f·tan(θ/2) und h = f·θ zeigt;
4(A) bis 4(D) sind Ansichten, welche, in konzentrischen Kreisen, welche sich jeweils um die optische Achse jedes in 3 gezeigten Fischaugenobjektivs zentrieren, Veränderungen von Bildhöhen illustrieren, wenn der Bildfeldwinkel um 10° bezüglich der optischen Achse jedes Fischaugenobjektives verändert wird;
5 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zur. Polarkoordinatenumwandlung eines hemisphärischen Bildes, welches durch ein Fischaugenobjektiv erzeugt wurde;
6 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zur Erzeugung der Position eines Bildformationspunktes auf der Oberfläche von CCD-Bildaufnahmeelementen bei der Polarkoordinatenumwandlung von 5;
7 ist ein Fließdiagramm zur Erläuterung der Schritte der Bearbeitung eines Bildes mittels des Bildbearbeitungssystems aus 1;
8(A) und 8(B) sind Schemazeichnungen, welche ein weiteres Anwendungsbeispiel der Bildaufnahmevorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigen, wobei 8(A) eine schematische Ansicht ist, welches die Seitenansicht davon zeigt, und 8(B) ist eine Ansicht aus der durch einen Pfeil B in 8(A) angegebenen Richtung;
9(A) und 9(B) sind Schemazeichnungen, welche ein weiteres Anwendungsbeispiel der Bildaufnahmevorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigen, wobei 9(A) eine schematische Ansicht ist, welches eine Seitenansicht davon zeigt, und 9(B) ist eine Ansicht aus einer durch einen Pfeil B in 9(A) angegebenen Richtung; und
10 ist ein Schema, welches ein weiteres Beispiel eines Bildbearbeitungssystems zeigt, welches die Bildaufnahmevorrichtung nutzt, welche ein Fischaugenobjektiv der vorliegenden Erfindung aufweist.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Hinweis auf 1 bis 10 beschrieben.
1 ist eine schematische Darstellung eines Bildbearbeitungssystems, welches eine Bildaufnahmevorrichtung nutzt, welche ein Fischaugenobjektiv der vorliegenden Erfindung aufweist. Dieses Bildbearbeitungssystem enthält eine Kamera (wie z.B. eine Videokamera) 2, bei der es sich um eine Bildaufnahmevorrichtung handelt, die ausgestattet ist mit einem Fischaugenobjektiv 1, einer Bilddatenverarbeitungseinheit 3 zur Verarbeitung von Bilddaten von der Kamera 2 und einer Monitoreinheit 4 zum Anzeigen eines Bildes, welches von der Bilddatenverarbeitungseinheit 3 bearbeitet wurde. Die Bilddatenverarbeitungseinheit 3 weist eine CPU, Speichermittel und dergleichen auf und führt mit Hilfe der Bilddatenausgabe von der Kamera 2 verschiedene Verarbeitungsschritte durch. Im Falle der vorliegenden Erfindung wandelt die Bilddatenverarbeitungseinheit 3 auch ein Bild, welches von dem Fischaugenobjektiv 1 aufgenommen wurde, in ein ebenes Bild um.
Wie in 2 gezeigt, besteht das in dieser Ausführungsform verwendete Fischaugenobjektiv 1 grundsätzlich aus einer Objektiveinheit (genannt Hauptobjektiveinheit) 10, welche an der Kamera 2 vorhanden ist, und einer Objektiveinheit (genannt Aufsatzobjektiveinheit) 20, welche an der Hauptobjektiveinheit 10 befestigt und wieder entfernt werden kann. Das Fischaugenobjektiv 1 der vorliegenden Erfindung funktioniert als ein Fischaugenobjektiv, wenn die Aufsatzobjektiveinheit 20 an der Hauptobjektiveinheit 10 befestigt ist.
Die Aufsatzobjektiveinheit 20 besteht aus einer ersten Linse 21, einer zweiten Linse 22, einer dritten Linse 23, einer vierten Linse 24 und einer Platte 25. Die Hauptobjektiveinheit 10 besteht aus einer fünften Linse 11, einer sechsten Linse 12, einer siebenten Linse 13, einer achten Linse 14, einer neunten Linse 15 und einem Diaphragma 26, eingeschoben zwischen der sechsten Linse 12 und der siebenten Linse 13.
Die Krümmung R (Durchmesser der gekrümmten Oberfläche der Linse) jeder Linse und Intervall D (Linsenstärke oder Linsenabstand) sind in dieser Ausführungsform wie folgt. Das sind, beginnend mit der Krümmung R1 der linken gekrümmten Oberfläche der ersten Linse 21 an der am weitesten links dargestellten Seite von 2, abwechselnd die Krümmung R1 und R2 der ersten Linse 21 40,0 mm bzw. 9,0 mm, die Krümmung R3 und R4 der zweiten Linse 22 –26,0 mm bzw. 80,0 mm, die Krümmung R5 und R6 der dritten Linse 23 ist –36,0 mm bzw. –20,0 mm und die Krümmung R7 und R8 der vierten Linse 24 –81,0 mm bzw. –27,0 mm.
Ferner ist die Krümmung R9 und R10 der fünften Linse 11 14,0 mm bzw. 68,0 mm, die Krümmung R11 und R12 der sechsten Linse 12 ist 9,0 mm bzw. 3,0 mm, die Krümmung R13 und R14 der siebenten Linse 13 ist 0,0 mm bzw. –8,0 mm, die Krümmung R15 und R16 der achten Linse 14 ist sind 10,0 mm bzw. –6,0 mm und die Krümmung R17 und R18 der neunten Linse 15 ist 11,0 mm bzw. –9,0 mm.
Währenddessen ist die Stärke D1 der ersten Linse 21 auf der am weitesten links abgebildeten Seite von 2 1,2 mm, der Abstand D2 zwischen der ersten Linse 21 und der zweiten Linse 22 beträgt 10,00 mm und die Stärke D3 der zweiten Linse 22 ist 1,2 mm. Der Abstand D4 zwischen der zweiten Linse 22 und der dritten Linse 23 beträgt 14,0 mm, die Stärke D5 der dritten Linse 23 ist 2,0 mm, der Abstand D6 zwischen der dritten Linse 23 und der vierten Linse 24 beträgt 3,0 mm und die Stärke D7 der vierten Linse ist 5,0 mm.
Ferner beträgt der Abstand D8 zwischen der vierten Linse 24 und der fünften Linse 11 7,0 mm, die Stärke D9 der fünften Linse 11 ist 2,0 mm, der Abstand D10 zwischen der fünften Linse 11 und der sechsten Linse 12 beträgt 0,3 mm und die Stärke D11 der sechsten Linse 12 ist 0,8 mm. Die siebente Linse 13, die achte Linse 14 und die neunte Linse 15 können zur Veränderung der Vergrößerung in Richtung der optischen Achse bewegt werden, und die im Folgenden beschriebenen Abstände zwischen benachbarten Linsen sind jeweils Maximalwerte. Der Abstand D12 zwischen dem Diaphragma 26 und der siebenten Linse 13 beträgt 4,0 mm, die Stärke D13 der siebenten Linse 13 ist 1,0 mm, der Abstand D14 der siebenten Linse 13 und der achten Linse 14 beträgt 1,0 mm und die Stärke D15 der achten Linse 14 ist 4,0 mm.
Der Abstand D16 zwischen der achten Linse 14 und der neunten Linse 15 beträgt 2,0 mm und die Stärke D17 der neunten Linse ist 4,0 mm. Die parallelen Platten 16 und 17 sind in 2 auf der rechten Seite der neunten Linse 15 angeordnet.
In dieser Anordnung gelangt durch die erste Linse 21 einfallendes Licht durch die erste bis vierte Linse 21 bis 24, weiter durch die fünfte bis neunte Linse 11 bis 15 und wird in die CCD-Bildaufnahmeelemente 30 in der Kamera 2 aufgenommen. In dieser Aufsatzobjektiveinheit 20 werden parallele Strahlen, welche in die erste Linse 21 einfallen, von der vierten Linse 24 als parallele Strahlen abgegeben. Daher kann diese Aufsatzobjektiveinheit 20 an nahezu allen Kameras angebracht werden. Die Breite des Parallelstrahlenbündels, welches von der vierten Linse 24 der Aufsatzobjektiveinheit 20 abgegeben wird (in der Figur durch „w" gekennzeichnet), ist auf 1/2 oder weniger des effektiven Durchmessers des Hauptobjektivs 10 der Kamera, an dem die Aufsatzobjektiveinheit 20 angebracht ist, eingestellt. In 2 stellt die sphärische Oberfläche 40 an der Vorderseite der ersten Linse 21 eine virtuelle Objektoberfläche des aufgenommenen Bildes dar.
Wie oben beschrieben ist die vorliegende Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass ein gewünschtes Fischaugenobjektiv 1 aus der Hauptobjektiveinheit 10 und der Aufsatzobjektiveinheit 20 zusammengesetzt ist und ein Verhältnis h = 2f·tan(θ/2) aufweist (wobei h die Höhe eines Bildes eines Objektes an einem bestimmten Punkt ist, f ist die Brennweite des Fischaugenobjektivs und θ ist ein Bildfeldwinkel). Es wird darauf hingewiesen, dass obwohl die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das oben angegebene Verhältnis aufweist, die vorliegende Erfindung auch Fischaugenobjektive einschließt, welche das Verhältnis h = n·f·tan(θ/m) aufweisen, wobei m den Wert 1,6 ≤ m ≤ 3 hat, und n hat den Wert m – 0,4 ≤ n ≤ m + 0,4. Außerdem umfasst die vorliegende Erfindung ein solches Verhältnis, bei dem m gleich n ist. Außerdem ist auch das Verhältnis h = 1,2f·tan(θ/m), m ≥ 1,6 durch die vorliegende Erfindung abgedeckt. Jedoch sind zum Zweck der Diskussion hierin m und n gleich 2.
Das Fischaugenobjektiv, welches im Stand der Technik im Allgemeinen verwendet wurde, weist ein Verhältnis h = f·θ wie oben beschrieben auf. Diese Funktionen werden verwendet, um ein sphärisches Bild als ein Polarkoordinaten-umgewandeltes Bild abzubilden. Das Verhältnis kann ansonsten h = 2f·sin(θ/2), h = 2f·sin θ oder h = f·tan θ sein.
3(A) ist ein Diagramm, welches das Verhältnis zwischen Bildfeldwinkel θ und Bildhöhe h zeigt, wenn Fischaugenobjektive, welche das Verhältnis h = 2f·tan(θ/2), h = f·θ, h = f·sin(θ/2), h = f·sin θ und h = f·tan θ, usw. aufweisen, verwendet werden. Hier zeigt θ = 90° einen Bildfeldwinkel in Bezug auf die optische Achse (der Bildfeldwinkel der optischen Achse ist 0°).
In 3(A) zeigt eine Kurve C1 das Verhältnis zwischen Bildfeldwinkel θ und Bildhöhe h, wenn das Fischaugenobjektiv der vorliegenden Erfindung, welches ein Verhältnis h = 2f tan(θ/2) aufweist, verwendet wird, und eine Kurve C2 zeigt das Verhältnis zwischen Bildfeldwinkel θ und Bildhöhe h, wenn ein Fischaugenobjektiv, welches das Verhältnis h = f·θ aufweist, verwendet wird. Eine Kurve C3 zeigt das Verhältnis zwischen Bildfeldwinkel θ und Bildhöhe h, wenn ein Fischaugenobjektiv, welches das Verhältnis h = 2f·sin(θ/2) aufweist, verwendet wird, eine Kurve C4 zeigt das Verhältnis zwischen Bildfeldwinkel θ und Bildhöhe h, wenn ein Fischaugenobjektiv, welches das Verhältnis h = 2f·sinθ aufweist, verwendet wird, und eine Kurve C5 zeigt das Verhältnis zwischen Bildfeldwinkel θ und Bildhöhe h, wenn ein Fischaugenobjektiv, welches das Verhältnis h = f·tanθ aufweist, verwendet wird. Eine Kurve C1' zeigt das Verhältnis h = 3f·tan (θ/3) und eine Kurve C" zeigt das Verhältnis h = 2f·tan (θ/1,6).
3(B) ist ein Diagramm, welches das Verhältnis zwischen Bildfeldwinkel θ und Bildhöhe h zeigt, wenn Fischaugenobjektive verwendet werden, welche das Verhältnis h = 2f tan(θ/1,6), h = 2,4f·tan(θ/2), h = 3,4f·tan(θ/3), h = 1,2f·tan(θ/1,6), h = 1,6f·tan(θ/2) und h = f·θ aufweisen. All diese Fischaugenobjektive, außer h = f·θ, sind durch die vorliegende Erfindung erfaßt.
Wie aus 3 ersichtlich wird, ist eine Erhöhung der Bildhöhe h mit einem Bildfeldwinkel θ von etwa 90° am größten, wenn das Fischaugenobjektiv verwendet wird, welches das Verhältnis h = f·tanθ aufweist, und sie ist am zweitgrößten, wenn das Fischaugenobjektiv verwendet wird, welches das Verhältnis h = 2f·tan(θ/2) aufweist. Änderungen der Bildhöhe h in Bezug auf Änderungen des Bildfeldwinkels θ werden linear, wenn das Fischaugenobjektiv verwendet wird, welches das Verhältnis h = f·θ aufweist, und ferner tendiert eine Änderung der Bildhöhe h kleiner zu sein, wenn der Bildfeldwinkel θ näher 90° wird, wenn die Fischaugenobjektive verwendet werden, welche das Verhältnis h = 2f sin(θ/2) und h = f·sinθ aufweisen.
Eine Erhöhung der Bildhöhe wird in Richtung des peripheren Abschnittes (Bildfeldwinkel 90°) größer, wenn die Fischaugenobjektive verwendet werden, welche das Verhältnis h = f·tanθ aufweisen, und es können mehr Bilddaten erzeugt werden. Bei einem Bildfeldwinkel θ von 90° jedoch wird tanθ unendlich. Da das Fischaugenobjektiv ein Bild aller Richtungen des Gesichtsfeldes um die optische Achse herum mit einem Bildfeldwinkel von mindestens 90° bezüglich der optischen Achse erzeugen soll, kann gesagt werden, dass das Fischaugenobjektiv, welches ein Verhältnis h = f·tanθ aufweist, nicht geeignet ist.
Daher können die Fischaugenobjektive, welche das Verhältnis h = 2f·tan(θ/2), h = f·θ, h = 2f·sin(θ/2) und h = f·sinθ aufweisen, verwendet werden. 4(A) bis 4(D) zeigt, in konzentrischen Kreisen, welche sich jeweils um die optische Achse jedes Fischaugenobjektivs zentrieren, Bildhöhen h, wenn der Bildfeldwinkel θ um 10° bezüglich der optischen Achse jedes Fischaugenobjektives verändert wird. 4(A) zeigt die Bildhöhe bei den Fischaugenobjektiven, welche das Verhältnis h = 2f·tan(θ/2) aufweisen, 4(B) zeigt die Bildhöhe bei den Fischaugenobjektiven, welche das Verhältnis h = f·θ aufweisen, 4(C) zeigt die Bildhöhe bei den Fischaugenobjektiven, welche das Verhältnis h = 2f·sin(θ/2) aufweisen, und 4(D) zeigt die Bildhöhe bei den Fischaugenobjektiven, welche das Verhältnis h = f·sinθ aufweisen. In 4(A) bis 4(D) steht h_o für die Höhe eines Bildes M_o nahe der optischen Achse jedes Fischaugenobjektivs, und h_e steht für die Höhe eines Bildes M_e bei einem Bildfeldwinkel von etwa 90°.
Es ergibt sich aus 4(A) bis 4(D), dass die Bildhöhe bei einem Bildfeldwinkel von etwa 90°, wenn das Fischaugenobjektiv, welches das Verhältnis h = 2f·sin(θ/2) aufweist, oder das Fischaugenobjektiv, welches das Verhältnis h = f·sinθ aufweist, verwendet wird, kleiner ist, als die Bildhöhe nahe der optischen Achse, und dass nur ein geringes Volumen an Bilddaten erzeugt werden kann. Die Bildhöhe h_e eines Bildes M_e in einem peripheren Abschnitt des Fischaugenobjektivs, welches im Allgemeinen verwendet wurde und welches das Verhältnis h = f·θ aufweist, ist die gleiche wie die Bildhöhe h_o eines Bildes M_o nahe der optischen Achse, und das Bild ist verzerrt.
Anhand dieser Fakten kann man sagen, dass die Fischaugenobjektive, welche das Verhältnis h = 2f·sin(θ/2) und h = f·sinθ aufweisen, angesichts dessen, wie groß das Datenvolumen ist, welches bei einem Bildfeldwinkel von 90° oder darum herum erzeugt werden kann, nicht bevorzugt werden. Selbst das Fischaugenobjektiv, welches im Allgemeinen verwendet wurde und welches das Verhältnis h = f·θ aufweist, ist nicht zufriedenstellend.
Im Gegensatz dazu wird die Bildhöhe h_e des Bildes M_e im peripheren Abschnitt des Fischaugenobjektivs 1, welches gemäß der vorliegenden Erfindung das Verhältnis h = 2f tan(θ/2) aufweist, vergrößert und ist größer als die Bildhöhe h_o des Bildes M_o nahe der optischen Achse; im Vergleich zu dem herkömmlichen Fischaugenobjektiv kann ein größeres Volumen an Bilddaten erzeugt werden, und das erzeugte Bild ist nicht verzerrt.
Wenn ein einzelnes sphärisches Bild, welches durch Kombination zweier hemisphärischer Bilder aller Richtungen des Gesichtsfeldes um die optische Achse des Fischaugenobjektivs 1 herum, welche bei einem Bildfeldwinkel von 90° in Bezug auf die optische Achse aufgenommen werden, erzeugt wird, durch die Bilddatenverarbeitungseinheit 3 in ein ebenes Bild umgewandelt wird, ist es notwendig, die fehlenden Daten im peripheren Abschnitt (Bildfeldwinkel von etwa 90° bezüglich der optischen Achse) des Bildes zu interpolieren. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann, da ein Bild im peripheren Abschnitt vergrößert wird und ein großes Volumen an Daten im peripheren Bereich extrahiert werden kann, das Volumen der Bilddaten, welche interpoliert werden müssen, im Vergleich zum herkömmlichen System erheblich reduziert werden.
Ein Bild aller Richtungen des Gesichtsfeldes um die optische Achse herum wird bei einem Bildfeldwinkel von mindestens 90° bezüglich der optischen Achse aufgenommen und es wird in folgender Art und Weise durch Polarkoordinatenumwandlung in ein ebenes Bild umgewandelt.
Ein X-, Y- und Z-Koordinatensystem wie in 5 gezeigt steht imaginär im Objektraum. An dieser Stelle erfolgt die Darstellung der optischen Achse des Fischaugenobjektivs durch die Z-Achse. Die Koordinaten eines bestimmten Punktes p sind als (X1, Y1, Z1) veranschaulicht und der Erhebungswinkel des Punktes p vom Ursprung O der Koordinaten aus bezüglich der XZ-Ebene ist durch θ dargestellt. Der Erhebungswinkel des Punktes p von der Position Z1 auf der Z-Achse aus bezüglich der XZ-Ebene ist durch ∅ dargestellt.
Wenn ein x- und y-Koordinatensystem, welches eine optische Achse (Z-Achse) als einen Ursprung o aufweist, imaginär auf der Oberfläche der CCD-Bildaufnahmeelemente 30 steht, wie in 6 gezeigt, und die Brennweite des Fischaugenobjektivs 1 durch f dargestellt ist, befindet sich der Bildformationspunkt (p') für den Punkt p wie in 6 gezeigt. In 6 wird π zu ∅ hinzugefügt, da ein Bild, welches an dem Punkt p' gebildet wird, vertikal und horizontal bezüglich des Bildes der Objektoberfläche (Punkt p) umgekehrt ist. Die optische Achse in 6 befindet sich in einer Richtung senkrecht zum Papier vom Ursprung o der x- und y-Koordinaten aus.
Die Position des Punktes p' ist als Polarkoordinaten mit einer Länge (h) zwischen dem Ursprung o und dem Punkt p' und einem Winkel ∅ + π gebildet durch op' und der x-Achse ausgedrückt. Werden die Polarkoordinaten auf den rechtwinkligen x- und y-Koordinaten ausgedrückt, wird die Position (x1, y1) auf den rechtwinkligen x- und y-Koordinaten wie folgt ausgedrückt. x1 = h·cos(∅ + π) (1) y1 = h·sin(∅ + π) (2)
Außerdem wird die Bildhöhe h des Punktes p' durch h = 2f·tan(θ/2) dargestellt, folglich sind, wenn h = 2f·tan(θ/2) in die obengenannten Ausdrücke (1) und (2) substituiert wird, die Koordinaten (x1, y1) des Bildformationspunktes p' auf der Oberfläche der CCD-Bildaufnahmeelemente 30 wie Folgt. x1 = 2f·tan(θ/2)·cos(∅ + π) (3) y1 = 2f·tan(θ/2)·sin(∅ + π) (4)
Folglich werden sie wie Folgt ausgedrückt. x1 = –2f·tan(θ/2)·cos∅ (5) y1 = 2f·tan(θ/2)·sin∅ (6)
In den Ausdrücken oben sind θ und ∅ wie Folgt definiert. θ = tan–1 (X12+Y12/Z1) ∅ = tan–1 (Y1/X1)
Somit erhält man die Position des Punktes p' auf der Oberfläche der CCD-Bildaufnahmeelemente 30 für den Punkt p auf der Oberfläche des Objektes.
Anschließend wird unter Bezugnahme auf 7 eine Beschreibung der Schritte geliefert, welche erforderlich sind, wenn der Bereich (alle Richtungen) durch die Kamera 2 fotografiert wird, welche das Fischaugenobjektiv 1 umfasst, und ein Bild davon wird auf der Monitoreinheit 4 angezeigt, welche die Anzeigeeinheit darstellt.
Kurz sind die Schritte S1 bis S7 folgende:
S1 Fotografieren einer Hemisphäre mit einer Kamera 2 ausgestattet mit einem Fischaugenobjektiv
S2 Fotografieren der anderen Hemisphäre mit der Kamera 2 ausgestattet mit dem Fischaugenobjektiv
S3 Kombinieren von zwei Bildern, welche in Polarkoordinaten angezeigt werden und Umwandeln des kombinierten Bildes in ein ebenes Bild auf der Oberfläche der CCD-Bildaufnahmeelemente 30 als ein Polarkoordinaten-umgewandeltes Bild.
Die beiden Bilder oben werden dann kombiniert und das kombinierte Bild wird durch die Bilddatenverarbeitungseinheit 3 in ein ebenes Bild umgewandelt (Schritt S3). An dieser Stelle muss ein Bereich, welcher einem Verbindungsabschnitt zwischen diesen Hemisphären entspricht, korrigiert werden. Da das durch das Fischaugenobjektiv 1 erzeugte Polarkoordinatenumgewandelte Bild ein großes Volumen an Informationen in einem peripheren Abschnitt aufweist, ist das Verarbeiten der Kombination dieser Bilder einfach. Danach wird ein vorbestimmter Abschnitt des so erzeugten ebenen Bildes extrahiert und auf der Monitoreinheit 4 angezeigt (Schritt S4).
Wenn der Nutzer den angezeigten vorbestimmten Abschnitt ändern möchte, verschiebt er/sie den Bildschirm mit Befehlsmitteln wie einer Maus. Diese Verschiebung kann kontinuierlich in einer Richtung von 360° um den auf der Monitoreinheit 4 angezeigten Abschnitt herum erfolgen (Schritt S5).
Die obengenannten Schritte dienen der Aufnahme eines Bildes eines Bereiches in allen Richtungen von 360°. Wird nur eine einzelne Hemisphäre fotografiert, erfolgen die gleichen Schritte. Jedoch ist dann Schritt S2 unnötig wie auch die Verarbeitung der Kombination von zwei Bildern in Schritt S3.
In der vorliegenden Erfindung ist es, da das Volumen an Informationen zum peripheren Abschnitt eines mit dem Fischaugenobjektiv 1 erzeugten Bildes groß ist, d.h. ein Bild im peripheren Abschnitt wird vergrößert, günstig, wenn die vorliegende Erfindung für die Prüfung eines Produktes verwendet wird. Wenn zum Beispiel die Innenfläche 52 eines zylindrischen Körpers 51 unter der Bedingung fotografiert wird, dass die optische Achse des Fischaugenobjektivs 1 der vorliegenden Erfindung an der zentralen Achse des zylindrischen Körpers 51 wie in 8(A) und 8(B) gezeigt ausgerichtet ist, kann ein peripherer Abschnitt eines Bildes als ein Bild extrahiert werden, welches ein größeres Volumen an Informationen aufweist als ein zentraler Abschnitt in der vorliegenden Erfindung. Daher ist es einfach zu erkennen, wenn ein Kratzer auf der Innenfläche 52 erzeugt wurde. Demzufolge kann dies zur Prüfung eines rohrförmigen Körpers wie eines Wasserrohres oder eines Gasrohres verwendet werden und ferner auch zur Überwachung eines Risses, welcher in der Wandoberfläche eines Tunnels oder ähnlichem entstanden ist.
Es kann auch zur Prüfung der Verbindungsbedingungen eines kleinen Teils wie eines IC verwendet werden. Das heißt, wenn ein Teil 71 durch ein Lötmetall 73 an seinen beiden Seiten 72 an einem Substrat 74 befestigt wird und 72 wie in 9(A) und 9(B) ist, dann muss der Lötstatus des Teiles beim Stand der Technik aus seitlicher Richtung geprüft werden. Wenn sich jedoch ein anderes Teil 75 in einer seitlichen Richtung befindet, kann man das Lötmetall 73 am Teil 75 nicht durch die Kamera sehen, wodurch die automatische Prüfung schwierig wird. Andererseits kann, selbst wenn das Fischaugenobjektiv 1 direkt über dem Teil 71 wie in 9(A) gezeigt installiert ist, die seitliche Richtung des Teils 71 durch die Kamera 2, welche das Fischaugenobjektiv 1 der vorliegenden Erfindung umfasst, zufriedenstellend fotografiert werden, wodurch eine automatische Prüfung mit der Kamera 2 ermöglicht wird.
Obwohl jede der vorangegangenen Ausführungsformen ein Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, ist zu verstehen, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, und dass verschiedene Änderungen und Modifikationen an der Erfindung vorgenommen werden können. Zum Beispiel kann das Fischaugenobjektiv durch die Aufsatzobjektiveinheit 20 allein ohne das Hauptobjektiv 10 zusammengesetzt sein, oder umgekehrt kann es durch eine integrierte Einheit der Hauptobjektiveinheit 10 und der Aufsatzobjektiveinheit 20 zusammengesetzt sein. Außerdem sind der in der obengenannten Ausführungsform gezeigte Aufbau und die numerischen Werte des Fischaugenobjektivs 1 lediglich Beispiele, und es kann ein Fischaugenobjektiv verwendet werden, welches einen anderen Aufbau und andere numerische Werte aufweist.
Ferner kann, da das System das Fischaugenobjektiv 1 der vorliegenden Erfindung aufweist, ein in 10 gezeigtes Bildverarbeitungssystem 81 verwendet werden. Dieses Bildverarbeitungssystem 81 besteht hauptsächlich aus einer Kamera 2, ausgestattet mit einem Fischaugenobjektiv 1 und einer/m Bilddatenverarbeitungseinheit/-monitor 5, welche/r durch ein Kabel an die Kamera 2 angeschlossen ist. Die/Der Bilddatenverarbeitungseinheit/-monitor 5 ist ein PC ausgestattet mit einem Monitor, und eine Tastatur 5a und eine Maus 5b sind als Befehlsmittel an den Computer angeschlossen.
Außerdem verfügt diese/r Bilddatenverarbeitungseinheit/-monitor 5 über eine Festplatte (nicht gezeigt), auf welcher die Inhalte eines Informationsaufzeichnungsmediums (Diskette) 6, welches ein Programm zum Ausführen der in 7 gezeigten Schritte S3, S4 und S5 aufzeichnet, installiert werden sollen. Durch das Installieren dieses Programms in der/m Bilddatenverarbeitungseinheit/-monitor 5 führt die/der Bilddatenverarbeitungseinheit/-monitor 5 die gleiche Funktion aus wie die Bilddatenverarbeitungseinheit 3, welche vorhergehend beschrieben wurde.
Bildaufnahmedaten können neben einem Kabel auch durch eine Speicherkarte wie eine Flash-Karte oder drahtlose Kommunikation wie Infrarotübertragung von der Kamera 2 auf die/den Bilddatenverarbeitungseinheit/-monitor 5 übertragen werden. Ferner kann das Programm auch ohne eine Diskette, sondern von einem anderen Aufzeichnungsmedium wie einer CD-ROM installiert oder von einer anderen Speichereinheit über ein Netzwerk übertragen werden. Wird das Programm über ein Netzwerk übertragen, dient die Speichereinheit eines Transmitters oder der Festplatte (Speichereinheit) der/s Bilddatenverarbeitungseinheit/-monitors 5 als das informationsaufzeichnende Medium der vorliegenden Erfindung.
Wie oben beschrieben weist in der Bildaufnahmevorrichtung, welche das Fischaugenobjektiv nach dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung aufweist, das Fischaugenobjektiv ein Verhältnis h = nf·tan(θ/m) auf (wobei h eine Bildhöhe ist, f ist eine Brennweite und θ ist ein Bildfeldwinkel). Damit wird, im Vergleich zum gewöhnlichen Fischaugenobjektiv, welches das Verhältnis h = f·θ aufweist (wobei h eine Bildhöhe ist, f ist eine Brennweite und θ ist ein Bildfeldwinkel), ein Bild im peripheren Abschnitt (Bildfeldwinkel von etwa 90° bezüglich der optischen Achse des Fischaugenobjektivs) vergrößert und das Volumen an Informationen ist groß, wodurch es möglich gemacht wird, die fehlenden Abschnitte der Bilddaten im peripheren Abschnitt zu minimieren. Soll das aufgenommene Bild in ein ebenes Bild umgewandelt werden, kann so das Interpolieren der Bilddaten minimiert werden, und es kann ein natürlicheres ebenes Bild erzeugt werden.
Außerdem kann nach dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch das Anbringen des Aufsatzobjektivs zusätzlich zum bereits an der vorhandenen Bildaufnahmevorrichtung (Kamera) vorhandenen Hauptobjektiv das Fischaugenobjektiv durch dieses Hauptobjektiv und das Aufsatzobjektiv zusammengesetzt sein. Daher kann das Fischaugenobjektiv an nahezu allen verfügbaren Bildaufnahmevorrichtungen (Kameras) angebracht werden, und ferner wird nur das Aufsatzobjektiv neu hergestellt, wodurch die Kosten reduziert werden.
Ferner kann nach dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung die Bildanzeigevorrichtung ein sphärisches Bild leicht in ein ebenes Bild umwandeln und ein natürlicheres ebenes Bild anzeigen. Außerdem kann nach dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wenn das in dem Informationsaufzeichnungsmedium aufgezeichnete Programm von einem Computer gelesen und ausgeführt wird, ein natürlicheres ebenes Bild gebildet werden.
Fig. 3(A)
Fig. 7

Claims

Bildaufnahmevorrichtung, welche Folgendes aufweist: ein Fischaugenobjektiv zur Aufnahme eines Bildes aller Richtungen eines Gesichtsfeldes um eine optische Achse des Fischaugenobjektivs herum mit einem Bildfeldwinkel von mindestens 90° in jeder Richtung hinsichtlich der optischen Achse, wobei das Fischaugenobjektiv ein Verhältnis von h = n·f·tan (θ/m) aufweist, wobei h eine Höhe eines Bildes eines Objektes an einem vorbestimmten Punkt ist, welchen man durch das Fischaugenobjektiv erhält, f ist eine Brennweite des Fischaugenobjektives, θ ist ein Bildfeldwinkel, m weist einen Wert von 1,6 ≤ m ≤ 3 auf und n weist einen Wert von m – 0,4 ≤ n ≤ m + 0,4 auf.
Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Fischaugenobjektiv aus einem Hauptobjektiv und einem Aufsatzobjektiv besteht, welches am Hauptobjektiv befestigbar ist.
Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, wobei m und n im Wesentlichen gleich sind.
Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, wobei m und n jeweils im Wesentlichen gleich 2 sind.
Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, wobei m und n jeweils gleich 2 sind, so dass das Fischaugenobjektiv ein Verhältnis von h = 2f·tan (θ/2) aufweist.
Bildanzeigevorrichtung, welche Folgendes aufweist: eine Bilddatenverarbeitungseinheit zum Umwandeln eines Bildes, welches mit einer Bildaufnahmevorrichtung erzeugt wurde, in ein ebenes Bild; wobei die Bildanzeigevorrichtung ferner ein Fischaugenobjektiv zur Aufnahme eines Bildes aller Richtungen eines Gesichtsfeldes um eine optische Achse des Fischaugenobjektivs herum mit einem Bildfeldwinkel von mindestens 90° in jeder Richtung hinsichtlich der optischen Achse aufweist, wobei das Fischaugenobjektiv ein Verhältnis von h = n·f·tan (θ/m) aufweist, wobei h eine Höhe eines Bildes eines Objektes an einem vorbestimmten Punkt ist, welchen man durch das Fischaugenobjektiv erhält, f ist eine Brennweite des Fischaugenobjektives, θ ist ein Bildfeldwinkel, m weist einen Wert von 1,6 ≤ m ≤ 3 auf, und n weist einen Wert von (m – 0,4) ≤ n ≤ (m + 0,4) auf, wobei die Bilddatenverarbeitungseinheit das Bild empfängt, welches von dem Fischaugenobjektiv aufgenommen wurde; und eine Anzeigeeinheit zum Anzeigen des umgewandelten ebenen Bildes.
Verfahren zum Umwandeln eines Bildes, welches durch ein Fischaugenobjektiv erzeugt wurde, in ein ebenes Bild, welches die folgenden Schritte aufweist: Umwandeln eines Bildes, welches durch ein Fischaugenobjektiv erzeugt wurde, welches ein Verhältnis von h = n·f·tan (θ/m) aufweist, in ein ebenes Bild, wobei h eine Höhe eines Bildes eines Objektes an einem vorbestimmten Punkt ist, welchen man durch das Fischaugenobjektiv erhält, f ist eine Brennweite des Fischaugenobjektives, θ ist ein Bildfeldwinkel, m weist einen Wert von 1,6 ≤ m ≤ 3 auf, und n weist einen Wert von m – 0,4 ≤ n ≤ m + 0,4 auf; Anzeigen eines vorbestimmten Teils des umgewandelten ebenen Bildes auf einer Anzeigeeinheit; und kontinuierliches Ändern des vorbestimmten Teils mit Befehlsmitteln.
Computerprogramm, welches Codiermittel umfasst, welches so angepasst sind, dass es, wenn das Programm auf einem Datenverarbeitungssystem läuft, jeden der Schritte nach Anspruch 7 ausführt.