JP2002236918A - 撮像システムとその画像データ制御に用いられるプログラムおよびその撮像システムにおける撮像画像の歪み補正方法とその手順を記憶させた記憶媒体 - Google Patents

撮像システムとその画像データ制御に用いられるプログラムおよびその撮像システムにおける撮像画像の歪み補正方法とその手順を記憶させた記憶媒体

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JP2002236918A JP2001034691A JP2001034691A JP2002236918A JP 2002236918 A JP2002236918 A JP 2002236918A JP 2001034691 A JP2001034691 A JP 2001034691A JP 2001034691 A JP2001034691 A JP 2001034691A JP 2002236918 A JP2002236918 A JP 2002236918A
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清 熊田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 レンズ位置が中心射影像が得られる一点に限
定されることなく、双曲面ミラー全面にピントが合った
中心射影像が得られる撮像システムを提供する。 【解決手段】 ２葉双曲面の一方の形状を有する反射ミ
ラー（双曲面ミラー）と、その回転軸上で双曲面ミラ
ーと対向する任意位置にレンズ中心が配置された撮像部
と、撮像データを透視変換画像データに変換する画像
処理手段を有する。モニターの透視変換画像に歪み
がある場合、操作パネルから信号を入力し、座標変換時
に用いるレンズ中心から受光素子撮像面までの距離Ｆを
変化させる。レンズが中心射影条件を満足する位置から
ずれても画像処理により中心射影像に変換可能であり、
レンズ位置を双曲面ミラーの他方の焦点位置から遠ざ
けて、全面にピントを合わせることが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、周囲３６０°の視
野を１度に撮影可能で、かつ、得られた画像から空間の
幾何学的配置および物体の形状等を正確に把握すること
ができ、店内や銀行等の安全監視のためのセキュリティ
分野、車の衝突防止や車内監視等の車載分野、工業用ロ
ボットの視覚部としての計測機器分野等、広い分野に好
適に用いることができる、撮像システムとその画像デー
タ制御に用いられるソフトウェアおよびその撮像システ
ムにおける撮像画像の歪み補正方法とその手順を記憶さ
せた記憶媒体に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、双曲面ミラーを用いて周囲３６０
°の視野を撮影可能とした撮像システムにおいて、中心
射影像を得るためには、２葉双曲面のうちの一方の双曲
面形状を有する反射ミラー（双曲面ミラー）を用い、そ
れと対向する他方の双曲面形状の焦点位置にカメラのレ
ンズ中心を配置していた（例えば特開平６−２９５３３
３号公報）。
【０００３】図２に示すように、２葉双曲面の一方（図
では上側）の形状を有する双曲面ミラーを用い、他方
（図では下側）の焦点Ｏ２の位置にレンズ中心を配置し
て撮影した入力画像（撮像画像）は中心射影撮像とな
り、この中心射影像と被写体との位置関係は下記式
（２）および下記式（３）で示すことができる。
【０００４】
【数２】 このような双曲面ミラーを用いた撮像システムの利点の
一つは、中心射影像を容易に周囲の空間位置に画像変換
することができるということである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
双曲面ミラーを用いた撮像システムにおいては、レンズ
位置が中心射影像が得られる一点に限定されてしまうた
め、レンズを設置する場合に最適な位置に位置合わせす
ることが非常に困難である。
【０００６】さらに、このレンズ位置では、双曲面ミラ
ーの内部に形成される虚像（双曲面ミラーに映る被写
体）までの最小距離（双曲面ミラー頭頂部とレンズとの
間の距離）が短く、双曲面ミラーに映る像を撮影するた
めにピントを双曲面ミラーの全面に合わせるのは、レン
ズの性能上、容易ではない。その結果、従来の双曲面ミ
ラーを用いた撮像システムで撮影された中心射影像は、
双曲面ミラーの全面にピントを合わせることができず、
一部分の範囲のみでピントが合うことになる。この範囲
は、例えばドーナツ状に現れる。
【０００７】本発明は、このような従来技術の課題を解
決するべくなされたものであり、レンズ位置が中心射影
像が得られる一点に限定されることなく、双曲面ミラー
の全面にピントが合った中心射影像が得られる、撮像シ
ステムとその画像データ制御に用いられるソフトウェア
およびその撮像システムにおける撮像画像の歪み補正方
法とその手順を記憶させた記憶媒体を提供することを目
的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の撮像システム
は、２葉双曲面のうちの一方の形状を有する反射ミラー
と、該反射ミラーの回転軸上であって、該反射ミラーと
対向する任意の位置に中心が配置されたレンズによって
集光された光を受光する撮像素子を有する撮像部とを備
えた撮像システムにおいて、所定の検査図を撮像して得
られる撮像データを透視変換画像データに座標変換し、
得られた透視変換画像に歪みがあった場合に、座標変換
時に用いるレンズ位置と受光面との距離に関する値を増
減して撮像画像の歪みを補正して中心射影像に変換する
手段を有し、そのことにより上記目的が達成される。
【０００９】下記式によって撮像データを透視変換画像
データに座標変換することができる。
【００１０】
【数３】 （上記式において、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は被写体の位置、
ａ、ｂおよびｃはミラー定数、（ｘ、ｙ）は撮像画像の
座標、Ｆはレンズ位置と受光面との距離を示す）前記検
査図として桝目状検査図を用いることができる。
【００１１】前記撮像画像の歪みを補正する手段は、撮
像データを透視変換画像データに変換する画像処理手段
と、得られた透視変換画像に歪みがあった場合にレンズ
と受光面との距離に関する値を増減する指示を入力する
操作パネルとを有していてもよい。
【００１２】前記撮像画像の歪みを補正手段は、撮像デ
ータを透視変換画像データ変換する画像処理手段と、得
られた透視変換画像と撮像画像が中心射影像である場合
に得られる期待値画像とを比較して透視変換画像に歪み
があるか否かを認識する画像認識手段とを有していても
よい。
【００１３】前記操作パネルまたは前記画像認識手段か
らの指示信号によって、前記画像処理手段が座標変換処
理を行うものであってもよい、前記画像処理手段は、演
算処理動作を制御するＣＰＵ、撮像データを記憶する入
力バッファメモリ、演算処理に用いられるＬＵＴ、演算
処理回路および透視変換画像データを記憶する出力バッ
ファメモリがバスラインに接続されているものであって
もよい。
【００１４】本発明のプログラムは、コンピュータと、
２葉双曲面のうちの一方の形状を有する反射ミラーと、
該反射ミラーの回転軸上であって、かつ、該反射ミラー
と対向する任意の位置に中心が配置されたレンズにて集
光された光を受光する撮像素子を有する撮像部とを備え
た撮像システムの画像データ制御に用いられるプログラ
ムであって、該コンピュータを所定の検査図を撮像して
得られる撮像データを透視変換画像データに座標変換す
る座標変換手段と、得られた透視変換画像に歪みがあっ
た場合に、歪みの種類に応じて座標変換時に用いるレン
ズ位置と受光面との距離に関する値を増減して座標変換
する歪み補正手段として機能させ、そのことにより上記
目的が達成される。
【００１５】本発明の撮像システムにおける撮像画像の
歪み補正方法は、２葉双曲面のうちの一方の形状を有す
る反射ミラーと、該反射ミラーの回転軸上であって、該
反射ミラーと対向する任意の位置に中心が配置されたレ
ンズによって集光された光を受光する撮像素子を有する
撮像部とを備えた撮像システムにおいて、撮像画像の歪
みを補正して中心射影像に変換するための方法であっ
て、所定の検査図を撮像し、得られた撮像データを画像
処理手段の入力バッファメモリに記憶させる第１のステ
ップと、操作パネルまたは画像認識手段からの指示信号
に基づいて、ＣＰＵからの命令により該入力バッファメ
モリに記憶された撮像データを演算処理回路により透視
変換画像データに座標変換し、得られた透視変換画像デ
ータを画像処理手段の出力バッファメモリに記憶させる
第２のステップと、該操作パネルまたは該画像認識手段
からの信号に基づいて、ＣＰＵからの命令により該出力
バッファメモリに記憶された透視変換画像データを、モ
ニターに出力して検査者が画像を確認するか、または画
像認識手段により撮像画像が中心射影像である場合に得
られる期待値画像データと比較する第３のステップを行
い、該第３のステップにおいて所定の検査図を撮像して
得られる透視変換画像に歪みがあると判断された場合
に、検査者が該操作パネルからレンズと受光面との距離
に関する値を増減する指示を入力するか、または該画像
認識手段からレンズと受光面との距離に関する値を増減
する指示信号を出力することによりレンズ位置と受光面
の距離に関する値を変更して、該第１のステップから該
第３のステップを繰り返し、そのことにより上記目的が
達成される。
【００１６】本発明の撮像システムは、本発明の撮像シ
ステムにおける撮像画像の歪み補正方法により、所定の
検査図を撮像して得られる透視変換画像に歪みが無いと
判断された場合のレンズ位置と受光面の距離に関する値
を用いて撮像データを透視変換画像データに変換し、そ
のことにより上記目的が達成される。
【００１７】本発明の記憶媒体は、本発明の撮像システ
ムにおける撮像画像の歪み補正方法の手順を記憶させて
あり、そのことにより上記目的が達成される。
【００１８】以下に、本発明の作用について説明する。
【００１９】双曲面ミラーを用いた撮像システムにおい
て、中心射影を満足するレンズ位置（他方の焦点位置）
では、双曲面ミラーに映る被写体までの最小距離が短
く、双曲面ミラーに映る像の全景を撮影するためには、
レンズの性能上、全面にピントを合わせることは困難で
ある。全面にピントを合わせるためには、広角度の特殊
加工した結像レンズを用いることが考えられるが、レン
ズだけでは合わせきれず、絞りを極限まで絞って合わせ
ているのが現実である。しかし、絞りを絞りすぎると、
得られる入力画像の輝度は暗く、撮影する条件が限定さ
れて実用に乏しい。
【００２０】そこで、本発明にあっては、カメラ（撮像
部）のレンズ位置を、双曲面ミラーの他方の焦点位置か
らずらせて双曲面ミラーから遠ざけることにより、双曲
面ミラーに映る虚像の全てをレンズの焦点深度の範囲内
に入れて、双曲面ミラーの全面にピントが合うよにする
ことが可能となる。さらに、レンズ位置が双曲面ミラー
の他方の焦点位置からずれて、幾何光学上の中心射影像
を満足する条件の位置からずれても、撮像画像（入力画
像）の歪みを補正し、中心射影像に変換することが可能
である。
【００２１】さらに、レンズが幾何学的中心射影を満足
するレンズ位置にある場合でも、レンズの歪曲収差によ
り見かけ上の中心射影を満足する位置がずれる場合があ
る。このような場合に、従来では中心射影を満足させる
ためにレンズ位置を機械的に調整していたため、調整が
面倒で時間がかかっていた。
【００２２】これに対して、本発明にあっては、はじめ
に所定のレンズ位置に合わせる。そして、桝目状検査図
等、所定の検査図を撮像し、撮像データを透視変換画像
データに座標変換して、得られた透視変換画像に歪みが
あった場合に、座標変換時に用いるレンズ位置と受光面
との距離に関する値（Ｆ）を増減させる。従って、画像
処理を行う際に、ソフトウェアにより簡単に中心射影条
件を満足させて、光学調整の工程を短縮化することが可
能である。さらに、中心射影像の調整精度も向上させる
ことが可能である。
【００２３】上記撮像画像の歪みを補正する手段とし
て、撮像データを透視変換画像データに変換する画像処
理手段と、得られた透視変換画像に歪みがあった場合に
補正すべき歪み量を入力する操作パネルを有するものを
用いることにより、例えば予め操作パネルのキーに対応
してＦ値の一定の増減量を設定しておき、後述する実施
形態において図９に示すように、ステップ４において樽
型歪み（歪みが＋方向）であるか否かを判断し、樽型歪
み（歪みが＋方向）であればステップ６においてＦ値の
減少キーを操作する。その制御信号が画像処理手段に伝
えられてステップ２に戻り、変更されたＦ値を元に上記
式（２）および上記式（３）により再度演算処理が行わ
れ、透視変換画像が再表示される。そして、ステップ８
において再度歪みの有無を確認し、歪みがあれば再びス
テップ４に戻るという操作を繰り返す。一方、ステップ
４において樽型歪みではない（糸巻き歪み（歪みが−方
向））と判断された場合には、ステップ５においてＦ値
の増加キーを操作する。その制御信号が画像処理手段に
伝えられてステップ２に戻り、変更されたＦ値を元に上
記式（２）および上記式（３）により再度演算処理が行
われ、透視変換画像が再表示される。そして、ステップ
８において再度歪みの有無を確認し、歪みがあれば再び
ステップ４に戻るという操作を繰り返す。以上の操作を
画像に歪みが無くなるまで繰り返し、歪みが無くなれば
その操作を終了する。ここで、操作パネルからＦ値を増
減する指示をキー入力するのではなく、歪み量から推定
されるＦ値の変更値を直接操作パネルから入力すること
も可能である。
【００２４】または、上記撮像画像の歪みを補正する手
段として、撮像データを透視変換画像データ変換する画
像処理手段と、得られた透視変換画像と撮像画像が中心
射影像である場合に得られる期待値画像とを比較して、
透視変換画像に歪みがあるか否かを認識する画像認識手
段とを有するものを用いることにより、上記Ｆ値の補正
ステップにおいて、人が判断していた歪みの有無および
歪みの向き（樽型歪みであるか否か）の判定を、画像認
識手段により自動判定することも可能である。
【００２５】上記操作パネルまたは上記画像認識手段を
上記画像処理手段に直接接続し、操作パネルまたは画像
認識手段からの指示信号によって画像処理手段に座標変
換処理を行わせることにより、自動的にＦ値を補正する
ことも可能である。すなわち、画像認識手段により歪み
の有無および歪み量を判定し、対応する補正値信号を自
動的に画像処理手段に送って補正値に基づいて再度演算
処理を行わせ、その補正値に対応する画像を表示し、そ
の画像について再度画像認識手段により歪みの有無およ
び歪み量を判定するという操作を自動的に繰り返して歪
みが一定値以下になるまで繰り返すことができる。
【００２６】上記画像処理手段として、演算処理動作を
制御するＣＰＵ、撮像データを記憶する入力バッファメ
モリ、演算処理に用いられるＬＵＴ、演算処理回路およ
び透視変換画像データを記憶する出力バッファメモリが
バスラインに接続されているものを用いることにより、
上記画像処理の速度を、ソフトウェアによって処理する
場合に比べて大幅に改善することが可能であり、画質を
落とさずに（ＶＢＡレベルで）動画対応が可能となる。
【００２７】本発明のプログラムは、コンピュータを所
定の検査図を撮像して得られる撮像データを透視変換画
像データに座標変換する座標変換手段と、得られた透視
変換画像に歪みがあった場合に、歪みの種類に応じて座
標変換時に用いるレンズ位置と受光面との距離に関する
値を増減して座標変換する歪み補正手段として機能させ
ることができ、補正処理を自動化することが可能であ
る。
【００２８】本発明の撮像システムにおいて、撮像画像
の歪みを補正する際には、桝目状検査図等の所定の検査
図を撮像して撮像データを画像処理手段の入力バッファ
メモリに記憶させ、操作パネルまたは画像認識手段から
の操作信号に基づいてＣＰＵからの命令により撮像デー
タを演算処理回路で座標変換して透視変換画像データを
得る。この透視変換画像データを画像処理手段の出力バ
ッファメモリに記憶させ、操作パネルまたは画像認識手
段からの操作信号に基づいてＣＰＵからの命令により透
視変換画像データをモニターに出力する。このモニター
に出力された桝目状検査図の画像を操作者が確認して、
歪みが確認された場合には、操作パネルに入力するレン
ズ位置と受光面の距離に関する値（Ｆ値）を増減し、以
上の手順を繰り返す。これにより、撮像画像の歪みを補
正して中心射影像に変換することが可能となる。
【００２９】このような撮像画像の歪み補正の手順を記
憶させた記憶媒体を用いることにより、補正処理を自動
化することが可能である。
【００３０】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて、図面を参照しながら説明する。
【００３１】図１は本発明の一実施形態である撮像シス
テムの基本構成とその幾何学的位置関係を説明するため
の図である。この撮像システムは、双曲面ミラー、撮
像部（結像レンズと受光素子）、画像処理手段
およびＴＶモニターを備えている。
【００３２】双曲面ミラーは、２葉双曲面の一方の形
状を有する反射ミラーである。２葉双曲面関数の一般式
は、下記式（１）のように表される。
【００３３】
【数４】 この式をグラフ化した２葉双曲面を図２に示す。この２
葉双曲面は回転軸がＺ軸であり、Ｚ軸上の正方向と負方
向に焦点と称される特殊な点Ｏ１、Ｏ２を有する。これ
らの焦点Ｏ１、Ｏ２の位置は、各々Ｘ，Ｙ，Ｚの座標系
でＯ１＝（０、０、ｃ）、Ｏ２＝（０、０、−ｃ）で表
される。なお、ｃ＝√（ａ2＋ｂ2）であり、ａおよびｂ
は双曲面の形状を定義する定数である。以下では、ａ、
ｂ、ｃをミラー定数と称する。
【００３４】ここで、双曲面の外側にある任意の点Ｐ
（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と焦点Ｏ１を結ぶ線分ＰＯ１と、上記式
（１）を満たす双曲面との交点をＭ１とすると、Ｍ１に
おける上記双曲面の接平面Ｈ１に対する線分ＰＯ１の入
射角（η）と同じ反射角度（η）で出て行く線分Ｍ１Ｏ
２は、常に他方の焦点Ｏ２を通過する。
【００３５】図３に、レンズ位置が中心射影条件を満足
する撮像システムの幾何学的位置関係を示す。この場合
に最も重要なことは、双曲面ミラーの焦点Ｏ１と対にな
る他方の焦点Ｏ２の位置に結像レンズの中心を配置する
ということである。このとき、上記レンズ中心からＦの
距離に受光面を設置している受光素子により得られる入
力画像（撮像画像）は中心射影像と称され、入力画像の
座標ｐ（ｘ、ｙ）と被写体の位置Ｐ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）との
関係は下記式（２）および下記式（３）で示される。
【００３６】
【数５】 なお、上記式（２）および上記式（３）は、図２および
図３に示す位置関係から、下記式（４）〜（６）を用い
て求められる。
【００３７】
【数６】 ここで、中心射影条件を満足する入力画像とは、上記式
（４）〜（６）を同時に満足する画像である。この条件
を満足する入力画像からは、上記式（４）〜（６）を用
いることにより、焦点Ｏ１から見た透視画像への変換を
容易に行うことができる。この変換を透視変換と称す
る。この変換により得られる像（透視画像）は、我々が
普通に見ている像であり、３次元空間が２次元空間に射
影される。なお、Ｆはレンズ中心から受光素子の撮像面
までの垂直距離であり、αはミラーの焦点を含む水平面
からの角度、βは撮像機構中心からミラー上の入射点を
見たときの天頂角である。また、上記入力画像は、双曲
面ミラーに映された虚像をレンズで撮像したものであ
る。
【００３８】図４は、レンズ位置が中心射影条件を満足
する撮像システムの幾何学的位置関係を示す断面図であ
る。また、図５は、レンズ位置が中心射影条件を満足し
ない撮像システムの幾何学的位置関係を示す断面図であ
る。図４と図５の相違点は、図５では結像レンズが本来
中心射影を満足する位置Ｏ２からずれてＯ３の位置にあ
ることである。このずれは、双曲面ミラー側にずれてい
ても、その反対側にずれていてもよい。以下の説明で
は、レンズが中心射影を満足するときのレンズ中心位置
から双曲面ミラーと反対側に距離Ｌだけずれた場合につ
いて考える。なお、ここではレンズが中心射影を満足す
るときのレンズ中心位置からずれただけであり、空間に
ある被写体の位置Ｐ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は変わらないものと
する。
【００３９】次に、上記図４および図５において、双曲
面ミラーに映る像がどのように受光面に映るかについて
簡単に説明するために、図６を参照しながら説明する。
図６では双曲面ミラーに映る虚像を物体Ａと置き換え、
レンズ位置Ｏ２（Ａ）、Ｏ３（Ａ）、レンズの焦点距離
ｆ、各レンズ位置から物体Ａまでの距離をＳ2Ｓ3とす
る。
【００４０】レンズが点Ｏ２の位置にある場合には、物
体Ａの頂点Ｈの像は点Ｈ2に生じる。一方、レンズが点
Ｏ３の位置にある場合には、物体Ａの頂点Ｈからの光線
は点Ｏ２を通過し、さらに直進してレンズが設けられて
いる点Ｌに到達してレンズで屈折され、点Ｈ3に到達し
て結像される。この結像点Ｈ3は下記式（７）により簡
単に求められる。
【００４１】
【数７】 なお、Ｓはレンズ位置と物体Ａまでの距離、Ｆはレンズ
位置と結像面までの距離、ｆはレンズの焦点距離であ
る。また、そのときの倍率ｍを下記式（８）に示す。
【００４２】
【数８】 従って、レンズ位置Ｏ２（Ａ）の条件での像の倍率ｍ２
はｆ／（Ｓ2−ｆ）、レンズ位置Ｏ３（Ａ）の条件での
像の倍率ｍ３はｆ／（Ｓ3−ｆ）となる。ここで、物体
Ａの高さをＨとすれば、各レンズ位置で撮像された像の
高さｈ2、ｈ3はｍ２×Ｈ、ｍ３×Ｈとなる。この像の高
さｈ2、ｈ3は光学軸からの距離、すなわち、Ｚ軸からの
距離であるので、上記式（６）中の√（ｘ2＋ｙ2）（半
径）と表せる。
【００４３】各レンズ位置Ｏ２（Ａ）、Ｏ３（Ａ）に設
置された状態で撮影された像の関係は、Ｆの値が異なる
だけであるので、上記式（２）および上記式（３）か
ら、ｈ 2／ｈ3＝（Ｓ2＋Ｌ−ｆ）／（Ｓ2−ｆ）となる。
このことは、レンズ位置Ｏ３（Ａ）が中心射影条件を満
足する位置から距離Ｌだけずらせた位置であるとき、得
られる入力画像（撮像画像）は中心射影条件を満足する
入力画像と定数倍異なるだけであるということを示す。
【００４４】このように、レンズ位置が中心射影条件を
満足する位置にない場合には、入力画像の√（ｘ2＋
ｙ2）の位置座標は中心射影条件を満足する場合の定数
倍だけ異なるだけである。よって、上記式（６）に示す
ように、中心射影条件を満足しないレンズ位置から結像
面までの距離Ｆを、中心射影条件を満足するレンズ位置
から結像面までの距離Ｆ0を用いて表することにより、
ソフトウェアによって入力画像（撮像画像）を中心射影
条件を満足する中心射影像に変換する手段を実現するこ
とができる。すなわち、従来技術においては、Ｆ値はレ
ンズの光学系から一定に定められたもの（上記Ｆ0）を
用いていたが、本発明ではＦ値を光学系の変化に従って
任意に選び出すことができる。例えば、倍率変数εを導
入してＦをε×Ｆと置き換え、εを可変として調節する
ことができる。または、Ｆ＝Ｆ０＋ΔＦとしてΔＦを画
素（ピクセル単位）等で適切なステップずつ変化させる
ことにより調節することができる。
【００４５】最適なＦ値を設定する方法の一例として
は、図７に示すような正方形の桝目を描いた検査図を用
いる方法がある。図７（ａ）は桝目状検査図を真上から
見た図であり、図７（ｂ）はそれを斜め上から見た図で
ある。図８に、この桝目状検査図の透視画像図を示す。
図８（ａ）はＦ値＜最適値の場合（例えばレンズ位置が
中心射影を満足するレンズ位置から０．４ｍｍ〜０．７
ｍｍ程度、双曲面ミラー側にずれている場合）の検査図
の映像（糸巻き歪み）を示し、図８（ｂ）はＦ値＝最適
値の場合の検査図の映像を示し、図８（ｃ）はＦ値＞最
適値の場合（例えばレンズ位置が中心射影を満足するレ
ンズ位置から０．４ｍｍ〜０．７ｍｍ程度、受光素子側
にずれている場合）の検査図の映像（樽型歪み）を示
す。Ｆ値設定前の撮像システムでその検査図を撮影し
て、その像を透視変換し、透視画像が正しく正方形の桝
目を描くように、すなわち図８（ｂ）の映像が得られる
ようにＦ値を調整して定める。
【００４６】図９にＦ値変更のフローを示す。上述した
ような正方形の桝目を描いた検査図を作成し、Ｆ値設定
前の撮像システムでその検査図を撮影する。ステップ１
ではそのときのレンズ主点から結像面までの距離Ｆを入
力する。これは、操作者が操作パネルから入力すること
も可能であり、ソフトウェア（プログラム）によって予
め設定されているものが演算処理回路に入力されるよう
にしてもよい。そして、ステップ２においてその透視変
換画像を表示し、ステップ３において画像に歪みがある
か否か、すなわち、正しく正方形の桝目が表示されてい
るか否かを判断する。画像に歪みがあった場合には、ス
テップ４においてその歪みが樽型歪みであるか糸巻き歪
みであるかを判断し、糸巻き歪みである場合にはステッ
プ５においてＦ値を増加させ、樽型歪みである場合には
ステップ６においてＦ値を減少させる。これを繰り返し
て、最も正しく正方形の桝目が表示されるようにＦ値を
定める。なお、ここでは検査図として桝目状のものを用
いたが、これはかのこ状模様（色の濃淡部を千鳥状に配
置したもの）等を用いてもよい。その外にも、水平や垂
直の直線が分かるものであれば、いずれも用いることが
できる。
【００４７】図１０にＦ値変更の詳細フローを示す。ま
ず、ステップ１１ではミラー定数、レンズ主点−結像面
間距離、透視変換画像の中心座標、入力画像の幅と高
さ、三角関数テーブル（ＬＵＴに含まれる。Ｆ値が変る
と再計算されるので、初期化が必要）、透視変換画像の
幅と高さ等の変数を初期化する。これらの変数の初期化
は、ソフトウェア（プログラム）により自動的に行うこ
とができる。本実施形態では、ミラー定数ａ＝９．５、
ｂ＝６．２、ｃ＝１１．３４、レンズ主点−結像面間距
離Ｆ＝３６０．０（ＣＣＤの画素数に換算した値）、画
像中心座標ｃＸ＝３２０、ｃＹ＝２４０、入力画像の幅
ｗ＝６４０、入力画像の高さｈ＝４８０、透視変換画像
の幅ｐｗ＝２００、透視変換画像の高さｐｈ＝１５０
（ＣＣＤの画素数に換算した値）とし、また、三角関数
テーブルを作成する。
【００４８】次に、ステップ１２においてｒ［α］の値
を格納する変換テーブル（ＬＵＴに含まれる）を初期化
する。
【００４９】次に、ステップ１３においてｒ［α］の変
換テーブルを作成する。本実施形態では、α＝０〜３６
００個（０°〜３６０°を０．１°区切り）としてミラ
ー定数とαを用いて上記式（５）からβを計算し、上記
式（６）からｒ［α］＝Ｆ×ｔａｎ（π／２−β）によ
りｒ［α］を計算する。
【００５０】次に、ステップ１４においてパン角、チル
ト角（α）およびミラー焦点から透視変換画像までの距
離ｄ等の変数を入力する。本実施形態では、パン角Ｐａ
ｎ＝０°、チルト角Ｔｉｌｔ＝−９０°、ミラー焦点か
ら透視変換画像までの距離ｄ＝１００とする。
【００５１】次に、ステップ１５において透視変換画像
を作成する。まず、パン角Ｐａｎ、チルト角Ｔｉｌｔ、
ミラー焦点から透視変換画像までの距離ｄを用いて、透
視変換画像の座標（ｘ１，ｙ１）に対する三次元空間座
標（ｔｘ，ｔｙ，ｔｚ）を計算する。この計算は、ｄ＝
√（ｔｘ2＋ｔｙ2＋（ｔｚ−ｃ）2）、ｔａｎα＝（ｔ
ｚ−ｃ）／√（ｔｘ2＋ｔｙ2）、ｓｉｎα＝ｔｚ／ｄ、
ｃ＝√（ａ2＋ｂ2）により行うことができる。ここで、
図１４に示すように、ＣＣＤの画像面のサイズがＷ×Ｈ
で中心座標が（ｃＸ、ｃＹ）となり、３次元空間に仮想
する透視変換画面のサイズがｐｈ×ｐｗである。ここで
は透視変換画面としてＴｉｌｔ角＝９０°、すなわちｚ
軸に直交する平面を仮想している。そして、この仮想画
面上の各画素に対応するＣＣＤ画面上の座標を上記式
（２）および（３）を用いて計算する。この仮想画面に
おいて座標軸ｚ軸周りの回転角がＰａｎ角となり、仮想
画面のｘ、ｙ座標軸がＣＣＤ受光面のｘ、ｙ座標軸と一
致しているときにＰａｎ＝０となる。また、ミラー定数
と計算されたｔｘ、ｔｙ、ｔｚを用いてθ（図３に示す
Ｚ軸周りの回転角）とαを計算する。αは上記式（５）
および（６）により計算することが可能であり、θはｔ
ａｎ-1（ｙ／ｘ）により求めることができる。さらに、
変換テーブルからｒ＝ｒ［α］を求め、ｘ＝ｃＸ＋ｒ×
ｃｏｓ（θ）、ｙ＝ｃＹ−ｒ×ｓｉｎ（θ）から（ｘ
１，ｙ１）の値を計算する。
【００５２】次に、ステップ１７において画像に歪みが
あるか否かを判断し、画像に歪みがない場合には処理を
終了する。また、画像に歪みがあった場合には、ステッ
プ１７においてその歪みが樽型歪みであるか糸巻き歪み
であるかを判断する。糸巻き歪みである場合にはステッ
プ１８においてＦ値を増加させ、樽型歪みである場合に
はステップ１９においてＦ値を減少させる。本実施形態
では、Ｆ値の調整ステップ（Ｆ＝Ｆ０＋ΔＦのΔＦ）
を、画素（ピクセル）単位で１０ステップ、実際の距離
換算で４０μｍ〜７０μｍステップずつとした。これを
以上のステップ１３からステップ１８またはステップ１
９を繰り返して、最も正しく正方形の桝目が表示される
ようにＦ値を定める。
【００５３】このようなＦ値の調整処理は、例えば図１
１に示すような画像処理手段とこれに接続された操作パ
ネルを用いて行うことができる。撮像システムで撮影さ
れた検査図の画像データは、画像処理手段の入力バッフ
ァメモリ８に取り込まれた後、操作パネルからの操作信
号に基づいてＣＰＵ９からの命令により、演算ロジック
回路１１でＬＵＴ１０のデータを元に座標変換が行われ
る。このＬＵＴ１０は、上記ｒ［α］の変換テーブルを
格納したものであり、例えば図１２に示すようなデータ
構成とされている。これにより得られた透視変換画像は
出力バッファメモリ１２に入力され、さらに、ＣＰＵ９
からの命令によりモニターに出力される。操作者（検査
者）は、モニター画像の歪みの有無を確認し、歪みがあ
る場合にはその歪みが図８（ｃ）に示した樽型歪みであ
るか、図８（ａ）に示した糸巻き歪みであるかを判定し
て、歪みの種類に応じてＦ値を増減する操作を操作パネ
ルを用いて行う。
【００５４】例えば、糸巻き歪みの場合には、Ｆ値を増
加させる操作を行うと、その操作信号が操作パネルから
ＣＰＵ９に送られ、ＣＰＵ９からさらにバスラインを介
して演算ロジック回路１１に送られて、Ｆ値を増加させ
た後に座標変換が行われる。そして、Ｆ値を増加させた
透視変換画像が出力バッファメモリ１２に入力され、さ
らにＣＰＵ９からの命令によりモニターに出力されて、
操作者（検査者）がモニター画像の歪みの減少を確認す
る。この操作を歪みが最小になるまで繰り返す。
【００５５】このような調整処理を、例えば製品の出荷
検査時に行うことにより、レンズの配置位置がずれて
も、Ｆ値を最適化して中心射影像を得ることが可能とな
り、光学調整を容易化して製造歩留まりを向上させるこ
とができる。この場合、撮像システムは最適化されたＦ
値により撮像データを透視画像データに座標変換にする
ことができ、操作パネルは設けなくてもよい。または、
操作パネルを設けて、ユーザーがレンズの距離を用途に
合わせて変化させた場合でも、歪みの無い中心射影像を
得ることができるようにしてもよい。
【００５６】なお、上記説明では、画像の歪みを検査者
がモニター画像を観察して確認したが、予め記憶手段に
記憶させておいた期待値画像データと、演算処理により
得られた画像データとを、画像認識手段により比較して
画像の歪みを検出し、Ｆ値増減の操作信号をＣＰＵに出
力させるようにしてもよい。
【００５７】ところで、図１３（ａ）に示すように、レ
ンズ中心をＯ２（Ａ）からＯ３（Ａ）に移動させると、
ＣＣＤ等の受光部に写る像は縮小するので、ＣＣＤ等の
受光素子の画素を有効に利用できず、解像度が低下す
る。そこで、結像レンズの前部または後部に拡大レンズ
を挿入し、この拡大レンズを前後に調節することによ
り、図１３（ｂ）に示すように、像の大きさを最適化す
ることが可能である。さらに、ピントが合う範囲を広げ
るために、レンズの前部または後部に絞りを挿入するこ
とにより、レンズの焦点深度を深くできることは言うま
でもない。
【００５８】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
双曲面ミラーに映る像までの距離を長くすることができ
るので、特殊加工のレンズを必要とせず、通常レンズの
使用が可能となる。また、その距離が長くなることによ
り、絞りを絞り込む必要がなくなり、撮影条件の制約を
非常に少なくして調整を容易にすることができる。
【００５９】さらに、本発明によれば、はじめに所定の
レンズ位置に合わせ、次に画像処理のＦ値を変更するこ
とにより、簡単に中心射影の条件を満足させることがで
き、光学調整の工程を短縮化させることができる。さら
に、中心射影像の調整精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である撮像システムの基本
構成とその幾何学的位置関係を説明するための図であ
る。
【図２】２葉双曲面関数とその特性を説明するための図
である。
【図３】レンズ位置が中心射影条件を満足する撮像シス
テムの幾何学的位置関係を説明するための図である。
【図４】レンズ位置が中心射影条件を満足する撮像シス
テムの幾何学的位置関係を説明するための断面図であ
る。
【図５】レンズ位置が中心射影条件を満足しない撮像シ
ステムの幾何学的位置関係を説明するための断面図であ
る。
【図６】レンズ１個を使用したときの結像とその倍率を
説明するための概略図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）は桝目状検査図の一例を示
す図である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）はＦ値と画像歪みの関係を説明
するための図である。
【図９】Ｆ値変更のフローを説明するための図である。
【図１０】Ｆ値変更の詳細フローを説明するための図で
ある。
【図１１】本発明における画像処理手段の構成を示すブ
ロック図である。
【図１２】本発明におけるｒ［α］ドット ＬＵＴの一
例を示す図である。
【図１３】（ａ）および（ｂ）はレンズを組み合わせた
一例を説明するための図である。
【図１４】ＣＣＤの画像面と透視変換画面について説明
するための図である。
【符号の説明】 双曲面ミラー 撮像部 結像レンズ 受光素子 画像処理手段 ＴＶモニター ８ 入力バッファメモリ ９ ＣＰＵ １０ ＬＵＴ １１ 演算処理回路（演算ロジック回路） １２ 出力バッファメモリ １３ バスライン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 繁田 徹 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 川上 健一 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 中野 孝一 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 Ｆターム(参考） 2H087 KA03 TA01 TA03 TA06 5B057 AA19 BA02 CA08 CA13 CA16 CB08 CB12 CB16 CD12 CD14 CH07 5C022 AB68 AC01 AC42 AC54 CA01 CA02

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ２葉双曲面のうちの一方の形状を有する
    反射ミラーと、 該反射ミラーの回転軸上であって、該反射ミラーと対向
    する任意の位置に中心が配置されたレンズによって集光
    された光を受光する撮像素子を有する撮像部とを備えた
    撮像システムにおいて、 所定の検査図を撮像して得られる撮像データを透視変換
    画像データに座標変換し、得られた透視変換画像に歪み
    があった場合に、座標変換時に用いるレンズ位置と受光
    面との距離に関する値を増減して撮像画像の歪みを補正
    して中心射影像に変換する手段を有する撮像システム。
  2. 【請求項２】 下記式によって撮像データを透視変換画
    像データに座標変換する請求項１に記載の撮像システ
    ム。 【数１】 （上記式において、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は被写体の位置、
    ａ、ｂおよびｃはミラー定数、（ｘ、ｙ）は撮像画像の
    座標、Ｆはレンズ位置と受光面との距離を示す）
  3. 【請求項３】 前記検査図として桝目状検査図を用いる
    請求項１に記載の撮像システム。
  4. 【請求項４】 前記撮像画像の歪みを補正する手段は、
    撮像データを透視変換画像データに変換する画像処理手
    段と、得られた透視変換画像に歪みがあった場合にレン
    ズ位置と受光面との距離に関する値を増減する指示を入
    力する操作パネルとを有する請求項１乃至請求項３のい
    ずれかに記載の撮像システム。
  5. 【請求項５】 前記撮像画像の歪みを補正手段は、撮像
    データを透視変換画像データ変換する画像処理手段と、
    得られた透視変換画像と撮像画像が中心射影像である場
    合に得られる期待値画像とを比較して透視変換画像に歪
    みがあるか否かを認識する画像認識手段とを有する請求
    項１乃至請求項３のいずれかに記載の撮像システム。
  6. 【請求項６】 前記操作パネルまたは前記画像認識手段
    からの指示信号によって、前記画像処理手段が座標変換
    処理を行う請求項４または請求項５に記載の撮像システ
    ム。
  7. 【請求項７】 前記画像処理手段は、演算処理動作を制
    御するＣＰＵ、撮像データを記憶する入力バッファメモ
    リ、演算処理に用いられるＬＵＴ、演算処理回路および
    透視変換画像データを記憶する出力バッファメモリがバ
    スラインに接続されている請求項４乃至請求項６のいず
    れかに記載の撮像システム。
  8. 【請求項８】 コンピュータと、 ２葉双曲面のうちの一方の形状を有する反射ミラーと、 該反射ミラーの回転軸上であって、かつ、該反射ミラー
    と対向する任意の位置に中心が配置されたレンズにて集
    光された光を受光する撮像素子を有する撮像部とを備え
    た撮像システムの画像データ制御に用いられるプログラ
    ムであって、 該コンピュータを所定の検査図を撮像して得られる撮像
    データを透視変換画像データに座標変換する座標変換手
    段と、得られた透視変換画像に歪みがあった場合に、歪
    みの種類に応じて座標変換時に用いるレンズ位置と受光
    面との距離に関する値を増減して座標変換する歪み補正
    手段として機能させるプログラム。
  9. 【請求項９】 ２葉双曲面のうちの一方の形状を有する
    反射ミラーと、 該反射ミラーの回転軸上であって、該反射ミラーと対向
    する任意の位置に中心が配置されたレンズによって集光
    された光を受光する撮像素子を有する撮像部とを備えた
    撮像システムにおいて、撮像画像の歪みを補正して中心
    射影像に変換するための方法であって、 所定の検査図を撮像し、得られた撮像データを画像処理
    手段の入力バッファメモリに記憶させる第１のステップ
    と、 操作パネルまたは画像認識手段からの指示信号に基づい
    て、ＣＰＵからの命令により該入力バッファメモリに記
    憶された撮像データを演算処理回路により透視変換画像
    データに座標変換し、得られた透視変換画像データを画
    像処理手段の出力バッファメモリに記憶させる第２のス
    テップと、 該操作パネルまたは該画像認識手段からの信号に基づい
    て、ＣＰＵからの命令により該出力バッファメモリに記
    憶された透視変換画像データを、モニターに出力して検
    査者が画像を確認するか、または画像認識手段により撮
    像画像が中心射影像である場合に得られる期待値画像デ
    ータと比較する第３のステップを行い、 該第３のステップにおいて桝目状検査図を撮像して得ら
    れる透視変換画像に歪みがあると判断された場合に、検
    査者が該操作パネルからレンズ位置と受光面との距離に
    関する値を増減する指示を入力するか、または該画像認
    識手段からレンズ位置と受光面との距離に関する値を増
    減する指示信号を出力することによりレンズ位置と受光
    面との距離に関する値を変更して、該第１のステップか
    ら該第３のステップを繰り返す撮像システムにおける撮
    像画像の歪み補正方法。
  10. 【請求項１０】 請求項９に記載の撮像システムにおけ
    る撮像画像の歪み補正方法により、所定の検査図を撮像
    して得られる透視変換画像に歪みが無いと判断された場
    合のレンズ位置と受光面の距離に関する値を用いて撮像
    データを透視変換画像データに変換する撮像システム。
  11. 【請求項１１】 請求項９に記載の撮像システムにおけ
    る撮像画像の歪み補正方法の手順を記憶させた記憶媒
    体。
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