JP2002290807A - 全方位カメラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 無駄な光電変換素子がなく、リアルタイムに
均一な解像度の画像データを出力することが可能な全方
位カメラを提供する。 【解決手段】 全方位カメラ１００は、所定の曲線に沿
った反射面を有するミラー１と、ミラー１の反射面によ
って反射された光を基板３上に集光する光学レンズ２
と、基板３の中心に対して放射状に広がるように基板３
上に配置された複数の光電変換素子５とを備えている。
複数の光電変換素子５のそれぞれは、光学レンズ２によ
って集光された光を受け取り、その受け取った光の強度
を電気信号に変換する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、３６０度（全方
位）の画像を撮像することが可能な全方位カメラに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、３６０度（全方位）の画像を撮像
することが可能な全方位カメラが知られている。全方位
カメラは、広視野画像を必要とする監視システムなどに
有効に利用されている。

【０００３】全方位カメラでは、光の強度を電気信号を
変換すること（すなわち、光電変換）が必要である。従
来の全方位カメラでは、このような光電変換は、ＣＣＤ
（Ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）によ
って行われていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ＣＣＤでは、複数の光
電変換セルの配置が長方形マトリクスに規格化されてい
るため、３６０度（全方位）の円状の画像データをＣＣ
Ｄを用いて処理するには、以下に示す問題点があった。

【０００５】・円状の画像データが長方形マトリクスに
入力されるため、長方形マトリクスの周辺部には光が届
かない光電変換セルが存在する。このように光が届かな
い光電変換セルは、結果として光電変換をしないため無
駄であった。

【０００６】・ＣＣＤから出力された電気信号をコンピ
ュータによって処理することにより、円状の画像データ
を矩形の画像データに幾何学的に変換する必要があっ
た。このような変換には長時間を要するため、リアルタ
イム処理には不向きであった。

【０００７】・矩形の画像データを得るために幾何学的
な変換を必要としたため、変換後の画像データの解像度
が不均一になりやすかった。

【０００８】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたものであり、無駄な光電変換素子がなく、リ
アルタイムに均一な解像度の画像データを出力すること
が可能な全方位カメラを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の全方位カメラ
は、所定の曲線に沿った反射面を有するミラーと、前記
ミラーの前記反射面によって反射された光を基板上に集
光する光学レンズと、前記基板の中心に対して放射状に
広がるように前記基板上に配置された複数の光電変換素
子とを備え、前記複数の光電変換素子のそれぞれは、前
記光学レンズによって集光された前記光を受け取り、前
記受け取った光の強度を電気信号に変換し、これによ
り、上記目的が達成される。

【００１０】前記ミラーの前記反射面は、（数４）によ
って表される双曲面であってもよい。前記双曲面の焦点
の座標は（０，０，ｃ）であり、ｃは（数５）によって
表され、前記基板上に配置された前記光電変換素子の座
標（ｘ，ｙ）は、（数６）によって表され、

【００１１】

【数４】

【００１２】

【数５】

【００１３】

【数６】 ここで、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、前記全方位カメラに入射し
た光が通過する空間上の点の座標を示す。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態を説明する。

【００１５】図１は、本発明の実施の形態の全方位カメ
ラ１００の構成を示す。

【００１６】全方位カメラ１００は、所定の曲面に沿っ
た反射面を有するミラー１と、ミラー１の反射面によっ
て反射された光を基板（チップ）３上に集光する光学レ
ンズ２とを含む。

【００１７】基板３は、光学レンズ２の光軸６に直交す
るように配置される。

【００１８】なお、基板３と光学レンズ２の光軸６との
なす角度が、正確に９０度である必要はない。基板３
は、光学レンズ２の光軸６にほぼ直交するように配置さ
れていればよい。ここで、本明細書において、「ＡがＢ
にほぼ直交する」とは、ＡとＢとのなす角度と基準角度
（９０度）との差が通常の設計の誤差の範囲内であるこ
とを意味する。

【００１９】全方位カメラ１００は、３６０度の全方位
からの光を入射可能なように構成されている。全方位カ
メラ１００に入射された光は、ミラー１によって反射さ
れ、光学レンズ２を介して基板３上に集光される。例え
ば、全方位カメラ１００に入射された光は、光路４に沿
って基板３に到達する。

【００２０】図２は、複数の光電変換素子５の配置例を
示す。図２において、各黒点が１つの光電変換素子５を
示す。複数の光電変換素子５は、基板３の中心３ａに対
して放射状に広がるように基板３上に配置されている。
複数の光電変換素子５のそれぞれは、光学レンズ２によ
って集光された光を受け取り、その受け取った光の強度
を電気信号に変換する。

【００２１】複数の光電変換素子５の配置は、後述され
るように、ミラー１の反射面を表す式に基づいて、空間
上の点Ｐ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を基板３上の点ｐ（ｘ，ｙ）に
投影することによって決定される。すなわち、光電変換
素子５の基板３上の位置は、ｐ（ｘ，ｙ）によって表さ
れる。

【００２２】このように、複数の光電変換素子５を基板
３の中心３ａに対して放射状に広がるように基板３上に
配置することにより、以下に示す（１）および（２）の
効果が得られる。

【００２３】（１）円状の画像データが放射状に配置さ
れた光電変換素子５に入力されるため、基板３上に配置
されたすべての光電変換素子５に光が届く。すなわち、
光が届かない無駄な光電変換素子５が存在しない。

【００２４】（２）光電変換素子５の基板３上の位置
が、ミラー１の反射面を表す式に基づいて、空間上の点
Ｐ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を基板３上の点ｐ（ｘ，ｙ）に投影す
ることによって決定されるため、円状の画像データを矩
形の画像データに幾何学的に変換する必要がない。幾何
学的な変換が不要なため、リアルタイム処理が可能にな
り、かつ、画像データの解像度が均一化される。

【００２５】上記（１）および（２）により、無駄な光
電変換素子がなく、リアルタイムに均一な解像度の画像
データを出力することが可能な全方位カメラを提供する
ことが可能になる。

【００２６】リアルタイムに画像データを出力すること
が可能な全方位カメラは、例えば、３６０度の全方位を
見回すロボットなどの「目」として有効に使用され得
る。均一な解像度の画像データを出力することが可能な
全方位カメラは、例えば、広視野を監視するシステムに
おいて有効に使用され得る。

【００２７】複数の光電変換素子５のそれぞれは、例え
ば、ＣＭＯＳイメージセンサであり得る。ＣＭＯＳイメ
ージセンサは、基板３上の任意の位置に自由に配置可能
という性質を有している。従って、空間上の点Ｐ（Ｘ，
Ｙ，Ｚ）を投影することによって得られた基板３上の点
ｐ（ｘ，ｙ）にＣＭＯＳイメージセンサを配置すること
は容易である。このことから、ＣＭＯＳイメージセンサ
は、光電変換素子５の例として好適である。

【００２８】図３は、ＣＭＯＳイメージセンサの構成の
一例として、フォトダイオード型のＣＭＯＳイメージセ
ンサ２００の基本構成を示す。

【００２９】ＣＭＯＳイメージセンサ２００は、画素２
０１と、アンプ／ノイズキャンセル回路２０２と、画素
列を選択する水平走査回路２０３と、垂直走査回路２０
４と、インピーダンス変換を行う出力部２０５とを含
む。

【００３０】画素２０１は、フォトダイオード２０１ａ
と、フォトダイオード２０１ａの電位を増幅するための
ソースホロワアンプのドライバトランジスタ２０１ｂ
と、フォトダイオード２０１ａの電位をリセットするた
めのリセットゲート２０１ｃと、垂直走査用の選択ゲー
ト２０１ｄとを含む。

【００３１】ソースホロワアンプのドライバトランジス
タ２０１ｂのソースは、共通の信号線を介してアンプ／
ノイズキャンセル回路２０２に接続されている。アンプ
／ノイズキャンセル回路２０２は、画素２０１ごとに設
けられた増幅器の利得とオフセット電圧のばらつきを補
償する。

【００３２】なお、ＣＭＯＳイメージセンサとして、時
間差分処理機能を有するＣＭＯＳイメージセンサが知ら
れている。このような機能を有するＣＭＯＳイメージセ
ンサを光電変換素子５として使用することにより、画像
中の物体を追跡することが可能になる。

【００３３】また、ＣＭＯＳイメージセンサとして、空
間微分機能を有するＣＭＯＳイメージセンサが知られて
いる。このような機能を有するＣＭＯＳイメージセンサ
を光電変換素子５として使用することにより、画像中の
物体の輪郭を抽出することが可能になる。

【００３４】図４は、ミラー１の反射面が双曲面である
場合における全方位カメラ１００の構成を示す。

【００３５】ミラー１の反射面（すなわち、双曲面）
は、（数７）によって表される。

【００３６】

【数７】 ここで、ａ、ｂは定数である。

【００３７】双曲面の焦点は（０，０，ｃ）であり、ｃ
は（数８）によって表される。

【００３８】

【数８】 光学レンズ２は、Ｚ軸にほぼ直交し、かつ、光学レンズ
２の中心２ａがＺ軸上の点（０，０，−ｃ）を通るよう
に配置される。

【００３９】基板３は、Ｚ軸にほぼ直交し、かつ、基板
３の中心３ａがＺ軸上の点（０，０，−（ｃ＋ｆ））を
通るように配置される。ここで、ｆは定数である。

【００４０】図４に示される例では、ａ＝１３．７２２
２７３（ｍｍ）、ｂ＝１１．７０８３９９（ｍｍ）、ｃ
＝１８．０３８４９７（ｍｍ）、ｆ＝４（ｍｍ）であ
る。なお、ａ、ｂ、ｃ、ｆの値は例示である。ａ、ｂ、
ｃ、ｆの値がこれらの値に限定されるわけではない。

【００４１】空間上の点Ｐ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を通って全方
位カメラ１００に入射した光は、ミラー１の反射面（双
曲面）によって反射され、光学レンズ２を介して基板３
上の点ｐ（ｘ，ｙ）に集光される。

【００４２】図４に示すように角度α、γを定義すると
き、（数９）〜（数１１）が成立する。

【００４３】

【数９】

【００４４】

【数１０】

【００４５】

【数１１】 また、点Ｐおよび点ｐの方位角を角度θとするとき、
（数１２）が成立する（図５参照）。

【００４６】

【数１２】 （数９）〜（数１２）から、ｘ，ｙを求めると、（数１
３）が得られる。

【００４７】

【数１３】 （数１３）は、空間上の点Ｐ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が基板３上
の点ｐ（ｘ，ｙ）に投影されることを示している。

【００４８】図６Ａは、光電変換素子５の配置を決定す
るために使用されるモデルの例を示す。図６Ａに示され
るモデルは、３６０度の全方位画像を４面の透視投影画
像（各面の解像度：３２×３２）に変換するために使用
される。このような変換は、図４に示される双曲面の焦
点（０，０，ｃ）に視点を置いて、水平方向の視野角９
０度、仰角１０度、俯角４５度という条件を満たす平面
６０上に３２×３２の点を置くことを想定し、その想定
された３２×３２の各点の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を（数１
３）の（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に代入することによって（ｘ，
ｙ）を求め、基板３上の点ｐ（ｘ，ｙ）の位置に光電変
換素子５を配置することによって達成される。

【００４９】図６Ｂは、図６Ａに示されるモデルに従っ
て得られた光電変換素子５の配置例を示す。図６Ｂにお
いて、各黒点が１つの光電変換素子５を示す。図６Ｂか
ら、光電変換素子５が基板３上に放射状に配置され、基
板３の中心３ａに近づくにつれて光電変換素子５の配置
密度が高くなることが分かる。

【００５０】図７Ａは、光電変換素子５の配置を決定す
るために使用されるモデルの他の例を示す。図７Ａに示
されるモデルは、３６０度の全方位画像をパノラマ画像
（解像度：１２８×３２）に変換するために使用され
る。このような変換は、図４に示される双曲面の焦点
（０，０，ｃ）に視点を置いて、仰角１０度、俯角４５
度という条件を満たす円筒状の曲面７０上に１２８×３
２の点を置くことを想定し、その想定された１２８×３
２の各点の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を（数１３）の（Ｘ，
Ｙ，Ｚ）に代入することによって（ｘ，ｙ）を求め、基
板３上の点ｐ（ｘ，ｙ）の位置に光電変換素子５を配置
することによって達成される。

【００５１】図７Ｂは、図７Ａに示されるモデルに従っ
て得られた光電変換素子５の配置例を示す。図７Ｂにお
いて、各黒点が１つの光電変換素子５を示す。図７Ｂか
ら、光電変換素子５が基板３上に放射状に配置され、基
板３の中心３ａに近づくにつれて光電変換素子５の配置
密度が高くなることが分かる。

【００５２】図８は、３６０度の全方位画像８０の例を
示す。このような全方位画像は、例えば、全方位カメラ
１００に入射した光を基板３上に投影することによって
得られる。

【００５３】図９Ａは、４面の透視投影画像９１、９
２、９３、９４の例を示す。透視投影画像９１、９２、
９３、９４は、図６Ａに示されるモデルを用いて、図８
に示される全方位画像８０を変換することによって得ら
れる。透視投影画像９１、９２、９３、９４は、全方位
画像８０を前後左右４方向に視野角９０度で展開した画
像に相当する。

【００５４】図９Ｂは、パノラマ画像９５の例を示す。
パノラマ画像９５は、図７Ａに示されるモデルを用い
て、図８に示される全方位画像８０を変換することによ
って得られる。パノラマ画像９５は、全方位画像８０を
全方位に展開した画像に相当する。

【００５５】なお、上述した実施の形態では、ミラー１
の反射面が双曲面である場合を例にとり説明した。しか
し、ミラー１の反射面が双曲面に限定されるわけではな
い。複数の光電変換素子５が基板３上に放射状に配置さ
れる限り、ミラー１の反射面は任意の曲面であり得る。

【００５６】

【発明の効果】本発明によれば、無駄な光電変換素子が
なく、リアルタイムに均一な解像度の画像データを出力
することが可能な全方位カメラを提供することが可能に
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の全方位カメラ１００の構
成を示す図

【図２】複数の光電変換素子５の配置例を示す図

【図３】ＣＭＯＳイメージセンサの構成の一例として、
フォトダイオード型のＣＭＯＳイメージセンサ２００の
基本構成を示す図

【図４】ミラー１の反射面が双曲面である場合における
全方位カメラ１００の構成を示す図

【図５】点Ｐおよび点ｐの方位角θを説明するための図

【図６Ａ】光電変換素子５の配置を決定するために使用
されるモデルの例を示す図

【図６Ｂ】図６Ａに示されるモデルに従って得られた光
電変換素子５の配置例を示す図

【図７Ａ】光電変換素子５の配置を決定するために使用
されるモデルの他の例を示す図

【図７Ｂ】図７Ａに示されるモデルに従って得られた光
電変換素子５の配置例を示す図

【図８】３６０度の全方位画像８０の例を示す図

【図９Ａ】４面の透視投影画像９１、９２、９３、９４
の例を示す図

【図９Ｂ】パノラマ画像９５の例を示す図

【符号の説明】

１ ミラー ２ 光学レンズ ３ 基板 ５ 光電変換素子 １００ 全方位カメラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 土居 元紀 奈良県生駒市高山町8916−５大学宿舎Ｄ− 103 (72)発明者 菅 幹生 奈良県生駒市高山町8916−５大学宿舎Ｃ− 103 (72)発明者 大城 理 奈良県生駒市高山町8916−５大学宿舎Ａ− 105 Ｆターム(参考） 5C022 AA01 AB61 AB62 AC42 AC54 AC70 AC77 CA02 5C024 BX04 DX06 EX04 EX17 JX04 5C054 CC05 CF05 EC07 FD02 HA18 HA19

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の曲線に沿った反射面を有するミラ
   ーと、 前記ミラーの前記反射面によって反射された光を基板上
   に集光する光学レンズと、 前記基板の中心に対して放射状に広がるように前記基板
   上に配置された複数の光電変換素子とを備え、 前記複数の光電変換素子のそれぞれは、前記光学レンズ
   によって集光された前記光を受け取り、前記受け取った
   光の強度を電気信号に変換する、全方位カメラ。
2. 【請求項２】 前記ミラーの前記反射面は、（数１）に
   よって表される双曲面であり、前記双曲面の焦点の座標
   は（０，０，ｃ）であり、ｃは（数２）によって表さ
   れ、前記基板上に配置された前記光電変換素子の座標
   （ｘ，ｙ）は、（数３）によって表され、 【数１】 【数２】 【数３】 ここで、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、前記全方位カメラに入射し
   た光が通過する空間上の点の座標を示す、請求項１に記
   載の全方位カメラ。