JP2004070002A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の撮像手段から広い範囲の画像を得ることができ、かつ水中において充分な解像度と画質を有する画像を撮影することができる撮像装置を提供する。
【解決手段】広範囲の被写体を分割した複数の各分割被写部をそれぞれ個別に複数の撮像手段１１，１２，１３，１４によって撮影し、各撮像手段１１，１２，１３，１４からの映像情報を入力した処理手段によって１つの映像に張り合わせ処理する構成であり、撮像手段１１，１２，１３，１４を覆って透明防水部材２０が設けられ、水中にあるときに撮像手段１１，１２，１３，１４の各ＮＰ点が１つのＮＰ点を中心とした所定の半径領域内にあるように配置されている撮像装置を構成する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、全天（全方位）等の広い範囲を撮像することができる撮像装置に係わり、特に水中における撮影を行う場合に用いて好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、多数のビデオカメラを１つの筐体に収納して、全方位或いは全周を同時に撮影するカメラが種々開発されている。
【０００３】
即ち、例えば空間のある一点を視点として水平面上でその周囲を撮像してパノラマ画像等の広範囲の画像を得るには、図７及び図８に示すように、点Ｉを中心としてその周囲に４個のビデオカメラ１，２，３，４を等間隔に配置すると共に、各ビデオカメラ１，２，３，４のレンズ５，６，７，８の光軸を放射方向に向けて固定している。
【０００４】
これら４つのカメラ１，２，３，４により、撮影領域９の一部１０をオーバーラップさせて、オーバーラップした個所をつなぎ合わせることにより、全周３６０度の画像を撮影することを可能にする。
【０００５】
しかしながら、上述の従来の撮像装置にあっては、ビデオカメラ１，２，３，４の水平画角は９０°以上必要であり、図８に示す２つのビデオカメラ３，４の撮像領域９がオーバーラップした領域１０で、いわゆるパララックス（視差）を発生する。
【０００６】
カメラから被写体までの距離により、このパララックスの値が異なるので、カメラ３とカメラ４でそれぞれ撮像した画像を張り合わせる際には、オーバーラップした領域１０内の画像のどの位置を基準とするかによって、張り合わせて得られる画像が変わってくる。
即ちパララックスのある画像において、実用的な張り合わせを実施するには、画像のどの部分が重要であるかを編集者が眼で見て判断して、その位置を基準とする必要がある。このため、動画の張り合わせを自動化することは困難であり、撮像した画像の処理を自動化するに当たり大きな障害となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、例えば多角錐状に配置されたミラーを用いて、撮像視点を仮想的に一致させることにより複数カメラ間で発生するパララックス（視差）を解消する方法が提案されている。
【０００８】
上述した多角錐状に配置されたミラーを用いた構成の撮像装置の一例の概略構成図を図９に示す。
この撮像装置は、多角錐状、この場合は８角錐状に配置された８枚の平面ミラー５４と、各平面ミラー５４に対向してそれぞれ１個ずつ配置されたカメラ５１とを備えて成る。図９では、このうち撮像装置の中心線を通る鉛直面にある２枚の平面ミラー５４及び２個のカメラ５１が示されている。
各カメラ５１にはレンズ５２及び撮像素子５３が設けられ、撮像素子５３やその他の部品が収納された図示しないカメラ本体にレンズ５２が取り付けられてカメラ５１が構成される。
【０００９】
この撮像装置において、画角最上部の画角端光線５６Ａ、画角最下部の画角端光線５６Ｂ、レンズ光軸５７上を通過する光線は、ミラー５４で反射してレンズ５２に入射し、撮像素子５３上に結像する。
【００１０】
そして、複数のカメラ５１において、平面ミラー５４による仮想的な視点中心５５を略一致させることにより、パララックスを抑制することができる。これにより、複数のカメラ５１による画像を貼り合わせて、全方位或いは全周等の広い範囲の画像が得られる。
【００１１】
また、レンズ光軸５７を通る光線の平面ミラー５４への入射角度が４５度となっているため、レンズ光軸５７を通る光線は水平に平面ミラー５４へ入射し、平面ミラー５４で反射されて鉛直方向に向かってレンズ５２に入射するようになっている。
【００１２】
ところで、図９の構成の撮像装置を水中で使用する場合には、カメラ５１のある部分に水が浸入しないように、図１０に示すように撮像装置全体を覆って、透明防水部材６０が設けられる。
例えば図１０では、撮像装置５１の構成に合わせて、ミラー５４の八角錐よりも一回り大きい八角柱状に透明防水部材６０が設けられる。
【００１３】
この撮像装置を使用して、陸上つまり空気中で撮影を行う場合は、設計通り各カメラ５１の撮像視点は仮想的に一致する。
【００１４】
一方、この撮像装置を使用して、水中で撮影を行う場合における、透明防水部材を通った入射光の光線状態をミラー５４を省いて模式的に図１１に示す。図１１に示すように、透明防水部材６０の左側（外側）は屈折率１．３３の水、右側（内側）は屈折率１の空気であり、透明防水部材６０は平面であるため、下記のスネルの法則に従い、透明防水部材６０を境として光線が内側に折れ曲がる。
Ｎ×ｓｉｎθ＝Ｎ´×ｓｉｎθ´
（Ｎ及びθは入射側の媒質の屈折率及び入射角度、Ｎ´及びθ´は出射側の媒質の屈折率及び出射角度を示す）
尚、図１１において、透明防水部材６０の厚さは充分薄いものとして便宜上無視している。
【００１５】
このとき、各カメラ５１により撮影される画像の撮像範囲を、空気中で撮影した場合と比較して図１２に示す。
図１２Ａは空気中で撮影した場合、図１２Ｂは水中で撮影した場合の撮像範囲をそれぞれ示している。
図１２Ａ及び図１２Ｂを比較してわかるように、水中で撮影した場合には、光線が図１１に示したように透明防水部材６０を境として折れ曲がることにより、その分だけ画角が狭くなる。このため、隣り合うカメラの撮像範囲７１と７２、７２と７３、７３と７４がつながらなくなる可能性がある。
【００１６】
また、透明防水部材６０を境として光線が内側に折れ曲がることにより、空気中で撮影した場合と比較して、カメラ５１のレンズの視点中心が後方にずれる。このため、空気中で撮影した場合には無視できる程度に小さかったパララックスが大きくなってしまうことから、複数のカメラ５１で撮影した画像をつなげる際に不都合を生じるおそれもある。
【００１７】
このように、複数のカメラを備えた撮像装置を使用して、水中で撮影を行う場合には、カメラを覆って透明防水部材を配置することが多いため、上述したような問題が生じる。
【００１８】
上述した問題の解決のために、本発明においては、複数の撮像手段から広い範囲の画像を得ることができ、かつ水中において充分な解像度と画質を有する画像を撮影することができる撮像装置を提供するものである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明の撮像装置は、広範囲の被写体を分割した複数の各分割被写部をそれぞれ個別に複数の撮像手段によって撮影し、これら各撮像手段からの映像情報を入力した処理手段によって１つの映像に張り合わせ処理するものであり、撮像手段がレンズ及びこのレンズを通過した光線を検知する撮像素子を備え、複数の撮像手段全体を覆って外部からの水の浸入を防止する防水部材が設けられ、防水部材は少なくとも撮像手段への入射光が通過する部分が透明な材料から成り、撮像手段のレンズの開口絞りの中心を通る主光線中、ガウス領域に位置する主光線を選択し、この選択された主光線の物空間における直線成分を延長して光軸と交わる点をＮＰ点と定義したときに、撮像装置が水中にあるとき複数の撮像手段の各ＮＰ点が１つのＮＰ点を中心とした所定の半径領域内にあるように撮像手段が配置されているものである。
【００２０】
ここでＮＰ点とは、本願の発明者らが光学系の基本的な考えに基づいて、複数の画像をつなぎ合わせた場合に生じるパララックスを如何に減少させることができるかを多くの実験を積み重ねた結果として検出されたもので、図６に示すように、物体で反射した光が等価凸レンズ３００を介して撮像部３０１に像を結ぶ状態の場合で説明する。
【００２１】
即ち等価凸レンズ３００は、複数のレンズ３０２〜３０８によって構成され、開口絞り３０９がレンズ３０４とレンズ３０５の間に設けられている。
尚、図６中３２１は鏡胴を示し、３２２はカメラ（撮像手段）を示す。
【００２２】
そして、開口絞り３０９の中心を通る無数の主光線のうち、光軸３１０に最も近い領域、つまり収差が最も小さいガウス領域を通る主光線３１１を選択する。この主光線３１１のうちの物空間３１２における直線部分を延長して光軸３１０と交わる点をＮＰ点（ノンパララックス点）３１３として設定したものである。
【００２３】
上述の本発明の撮像装置の構成によれば、複数の撮像手段全体を覆って外部からの水の浸入を防止する防水部材が設けられているため、撮像手段に直接水がかかることなく、水中で撮像装置を使用することができる。
また、防水部材は少なくとも上記撮像手段への入射光が通過する部分が透明な材料から成るため、入射光が防水部材で遮られることなく、透明な材料を通して撮像手段へ入射する。
そして、複数の撮像手段の各ＮＰ点が、撮像装置が水中にあるときに、１つのＮＰ点を中心とした所定の半径領域内にあるように撮像手段を配置させたことにより、水中で撮像装置を使用する際に、各撮像手段の間のパララックスをなくすことが可能になる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明は、広範囲の被写体を分割した複数の各分割被写部をそれぞれ個別に複数の撮像手段によって撮影し、これら各撮像手段からの映像情報を入力した処理手段によって１つの映像に張り合わせ処理する撮像装置であって、撮像手段がレンズ及びこのレンズを通過した光線を検知する撮像素子を備え、複数の撮像手段全体を覆って外部からの水の浸入を防止する防水部材が設けられ、防水部材は少なくとも撮像手段への入射光が通過する部分が透明な材料から成り、撮像手段のレンズの開口絞りの中心を通る主光線中、ガウス領域に位置する主光線を選択し、この選択された主光線の物空間における直線成分を延長して光軸と交わる点をＮＰ点と定義したときに、撮像装置が水中にあるとき複数の撮像手段の各ＮＰ点が１つのＮＰ点を中心とした所定の半径領域内にあるように撮像手段が配置されている撮像装置である。
【００２５】
また本発明は、上記撮像装置において、防水部材の透明な材料から成る部分の形状が平面である構成とする。
【００２６】
また本発明は、上記撮像装置において、防水部材の上記透明な材料から成る部分の形状が曲面である構成とする。
【００２７】
図１は、本発明の一実施の形態として、撮像装置の概略構成図（斜視図）を示す。
この撮像装置は、４つのカメラ１１，１２，１３，１４が１点Ｉを中心に放射状に配置されて成り、各カメラ１１，１２，１３，１４はそれぞれレンズ１５，１６，１７，１８を有する。各カメラ１１，１２，１３，１４は、図７に示した４つのカメラ１，２，３，４と同様に、水平方向の画角が９０度以上とされて、撮像領域が重複するように構成される。これにより、帯状に周囲３６０度の撮影を行うことができる。
【００２８】
また、撮像装置全体を覆って、直方体形状の透明防水部材２０が設けられている。この透明防水部材２０は、ガラスやプラスチック等の透明な材料から成る薄板状の部材より構成されており、カメラ１１，１２，１３，１４に直接水が触れないようにしている。
そして、直方体の４つの側面は、４つのカメラ１１，１２，１３，１４の中心点Ｉからほぼ等しい距離にある。
【００２９】
本実施の形態の撮像装置においては、特に４つのカメラ１１，１２，１３，１４のそれぞれにおける前述したＮＰ点が、水中に撮像装置があるときに、１つのＮＰ点を中心とした所定の半径領域内にあるように、４つのカメラ１１，１２，１３，１４が配置された構成とするものである。
これにより、水中で本実施の形態の撮像装置を使用して撮影を行った際に、４つのカメラ１１，１２，１３，１４で撮影される画像のパララックスをなくして、容易に張り合わせることが可能になる。
【００３０】
４つのカメラ１１，１２，１３，１４の各ＮＰ点が所定の半径領域（球体）内にあるように設定されることにより、各ＮＰ点が略一致することになる。
パララックスをなくして各カメラが撮影した画像を張り合わせるためには、少なくとも各カメラ（撮像手段）のＮＰ点が半径約５０ｍｍの領域（球体）内に配置されるように構成し、より好ましくは各カメラ（撮像手段）のＮＰ点が半径約２０ｍｍの領域（球体）内に配置されるように構成する。
【００３１】
ここで、本実施の形態の撮像装置を、実際に水中に置いた場合の入射光の光線状態を説明する。
その場合、図２に示すとおり、透明防水部材２０の図中左側（外側）は屈折率１．３３の水であり、図２中右側（内側）は屈折率１の空気であり、透明防水部材２０が平面であるため、透明防水部材２０を境として、カメラ１１，１２，１３，１４がある部分の媒質の屈折率よりも透明防水部材２０の外側の媒質の屈折率が高いことから、前述したスネルの法則に従い、光線が内側に折れ曲がる。
この図２では、カメラ１１，１２，１３，１４のレンズ１５，１６，１７，１８を示していて、各レンズの作用により、レンズ１５，１６，１７，１８内の絞り２１の所で光線が集束されている。
尚、透明防水部材２０の厚さは充分薄いものとして便宜上無視している。
【００３２】
また、各カメラ１１，１２，１３，１４により撮影される範囲の変化を図３で説明する。
図３Ａは空気中で撮影した場合、図３Ｂは水中で撮影した場合の各カメラ１１，１２，１３，１４の撮影範囲３１，３２，３３，３４をそれぞれ示している。ここでは、帯状に３６０度となっている全撮影範囲を平面に表現しているので、カメラ１１の撮像範囲３１を両端に重複して示している。
図３Ｂに示すように、水中で撮影した場合には、図２に示したように透明防水部材２０を境として光線が折れ曲がるため、その分空気中で撮影した場合と比較して画角が狭くなり、撮影範囲３１，３２，３３，３４が小さくなることから、隣り合うカメラの撮像範囲のオーバーラップする量は少なくなる。
ここでは、水中でも撮像範囲のオーバーラップがなくならないように、構成している。
【００３３】
次に、本実施の形態の撮像装置における、ＮＰ点の位置の変化について、図４を参照して説明する。
図４Ａは空気中で撮影した場合のＮＰ点の位置、図４Ｂは水中で撮影した場合のＮＰ点の位置をそれぞれ示している。また、図４Ｂにおいては、図４Ａにある空気中で撮影した場合の線を破線で示している。
【００３４】
空気中で撮影した場合には、図４Ａに示すように、各カメラ１１，１３のレンズのＮＰ点Ｎ１，Ｎ３が一致していない。図示しない他の２つのカメラ１２，１４についても同様である。
【００３５】
これに対して、水中で撮影した場合には、図２に示したように透明防水部材２０を境として光線が内側に折れ曲がることにより、図４Ｂに示すように、ＮＰ点が空気中よりもカメラ１１，１３の後方にずれる。これは、次のように説明することができる。
透明防水部材２０より内側における主光線の範囲は、カメラ１１，１３の画角で規定されるので、図４Ｂの破線即ち図４Ａの空気中で撮影した場合と同じままである。
これに対して、透明防水部材２０より外側は、空気から水に変わったことにより光線が内側に折れ曲がるため、屈折率の比に対応して主光線の範囲も破線から実線の範囲へと内側に変化する。
そして、ＮＰ点は物空間の主光線を延長して光軸と交わる点として定義されており、この場合の物空間は透明防水部材２０より外側の水の部分であるため、図４Ｂの実線の方を透明防水部材２０より内側にも延長して光軸と交わる点をＮＰ点とする。
従って、ＮＰ点が、空気中で撮影した場合と比較して、内側（カメラ１１，１３の後方）にずれることになる。図示しない２つのカメラ１２，１４についても同様である。
【００３６】
その結果、水中においては、各カメラ１１，１２，１３，１４のＮＰ点が中心点Ｎの近傍に略一致するようになる。
このようにＮＰ点が略一致するため、パララックスは無視できる程度に小さくなる。
【００３７】
そして、本実施の形態では、水中において図４Ｂに示すようにＮＰ点が略一致するように、予めカメラ１１，１２，１３，１４を配置して撮像装置を構成するものである。
【００３８】
尚、本実施の形態の撮像装置の構成においては、透明防水部材２０の平面とカメラ１１，１２，１３，１４との距離により、カメラ１１，１２，１３，１４同士の配置が同一であっても、水中で撮影する際のＮＰ点の位置が変化する。
平面とカメラとの距離が近いときには、空気中と比較したＮＰ点の位置の変化は少ない。
一方、平面とカメラとの距離が遠いときには、空気中と比較したＮＰ点の位置の変化が大きくなる。
【００３９】
従って、カメラ１１，１２，１３，１４同士の配置を調節するだけでなく、透明防水部材２０とカメラ１１，１２，１３，１４との距離とをパラメーターとしてＮＰ点の位置を調節することにより、水中において４つのカメラ１１，１２，１３，１４のＮＰ点が略一致するように構成することができる。
【００４０】
上述の本実施の形態の構成によれば、水中において、４つのカメラ１１，１２，１３，１４のＮＰ点を所定の半径領域（球体）内にあるように、即ち略一致させるようにカメラ１１，１２，１３，１４を配置していることにより、水中で使用したときに各カメラ１１，１２，１３，１４で撮影される画像のパララックスをなくすことができる。
また、４つのカメラ１１，１２，１３，１４により、水平方向の全方位（全周）を撮影することが可能になる。
従って、パララックスをなくし、かつ上下左右３６０度全方位の水中映像、或いは円筒全方位を含む広範囲の水中映像を撮影することが可能になる。
【００４１】
また、各カメラ１１，１２，１３，１４において高い解像度で撮像することにより、広い範囲を高い解像度で撮影することが可能になる。
従って、水中において高品位な撮影が可能となる。
【００４２】
次に、本発明の他の実施の形態として、撮像装置の要部の概略構成図を図５に示す。
先の実施の形態では、透明防水部材２０の外面が平面であったが、本実施の形態では、図５に示すように、外面が曲面（例えば球面の一部）になっている透明防水部材２１を設けている。図５では、１つのカメラ１１のレンズ１５部分のみを図示している。
【００４３】
この場合は、曲面が１種のレンズとして作用するため、曲面の曲率の大小により、カメラ同士の配置が同一であっても、水中で撮影する際のＮＰ点の位置が変化する。
図５のように内側に凸な曲面の場合、平面の場合よりもＮＰ点が透明防水部材から遠くなり、曲率が大きい程ＮＰ点が曲面から遠くなる。
逆に外側に凸な曲面の場合には、平面の場合よりもＮＰ点が透明防水部材に近くなる。
【００４４】
また、透明防水部材が平面である場合と同様に、曲面とカメラとの距離が変わると、カメラ同士の配置が同一であっても、水中で撮影する際のＮＰ点の位置が変化する。
以下図５のように内側に凸な曲面の場合を考える。
曲面とカメラとの距離が近いときには、空気中と比較したＮＰ点の位置の変化は少ない。
一方、曲面とカメラとの距離が遠いときには、空気中と比較したＮＰ点の位置の変化が大きくなる。
【００４５】
曲面では曲率によってもＮＰ点の位置の変化があるという点で、透明防水部材が平面である場合とは異なっている。
そこで、カメラ同士の配置を調節するだけでなく、透明防水部材の曲面の曲率と、透明防水部材とカメラとの距離とをパラメーターとして、ＮＰ点の位置を調節することにより、水中において複数カメラのＮＰ点が略一致するように構成することができる。
【００４６】
上述の本実施の形態によれば、先の実施の形態と同様に、水中で使用したときに各カメラで撮影される画像のパララックスをなくすことができ、複数のカメラにより、水平方向の全方位（全周）等、広範囲の撮影を行うことができる。
また、水中において、広い範囲を高い解像度で撮影することが可能になり、高品位な撮影が可能となる。
【００４７】
また、本発明の別の実施の形態として、複数のカメラが、それぞれ空気中においてＮＰ点が一致する第１の位置と、水中においてＮＰ点が一致する第２の位置との間を移動可能とされた構成とすることも可能である。
このように構成すれば、同じ撮像装置で陸上の撮影も可能になり、水面上から水中に潜って撮影することも可能になる。
【００４８】
上述の各実施の形態では、撮像装置にミラーを用いない構成であったが、本発明では撮像装置にミラーを用いてもよい。
例えば図１０に示したミラー及び透明防水部材を有する撮像装置の構成において、各カメラのレンズのＮＰ点が、水中で使用したときに１つのカメラのＮＰ点を中心とした所定の半径領域内にあるように、各カメラを配置してもよい。
【００４９】
また、上述の各実施の形態では、複数の撮像手段を覆う防水部材として、全体が透明な透明防水部材を用いた。
本発明では、撮像手段の撮像領域に含まれない部分を、透明でない部材により構成とすることも可能である。例えば図１の実施の形態の構成において直方体形状の防水部材の上面及び下面を、透明でない部材により構成しても構わない。
本発明では、少なくとも撮像手段の撮像領域に含まれる部分、即ち撮像手段への入射光が通過する部分を、透明な材料により構成すればよい。
【００５０】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【００５１】
【発明の効果】
上述の本発明によれば、複数のカメラを使用する撮像装置において、水中で撮影を行った場合における、画像のつなぎめ部分の欠落及びパララックスの問題を解決することができる。
従って、複数の撮像手段から広い範囲の画像を得ることができ、かつ水中において充分な解像度と画質を有する画像を撮影することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の撮像装置の概略構成図（斜視図）である。
【図２】図１の撮像装置を水中で使用した場合の入射光の光線状態を示す図である。
【図３】Ａ、Ｂ　図１の各カメラにより撮影される画像の撮像範囲を、空気中で撮影した場合と水中で撮影した場合と比較して示す図である。
【図４】Ａ、Ｂ　図１の撮像装置におけるカメラのＮＰ点の位置を、空気中で撮影した場合と水中で撮影した場合と比較して示す図である。
【図５】本発明の他の実施の形態の撮像装置の要部の概略構成図である。
【図６】本発明の撮像装置の原理を説明するための図である。
【図７】従来の撮像装置の概略構成図である。
【図８】図７の撮像装置の平面図である。
【図９】ミラーを設けた撮像装置の概略構成図である。
【図１０】図９の撮像装置に透明防水部材を設けた構成を示す図である。
【図１１】透明防水部材を通った入射光の光線状態を示す図である。
【図１２】Ａ、Ｂ　図１０の各カメラにより撮影される画像の撮像範囲を、空気中で撮影した場合と水中で撮影した場合と比較して示す図である。
【符号の説明】
１１，１２，１３，１４　カメラ、１５，１６，１７，１８　レンズ、２０，２１　透明防水部材、Ｎ１，Ｎ３，Ｎ　ＮＰ点

Claims (3)

1. 広範囲の被写体を分割した複数の各分割被写部をそれぞれ個別に複数の撮像手段によって撮影し、該各撮像手段からの映像情報を入力した処理手段によって１つの映像に張り合わせ処理する撮像装置であって、
   上記撮像手段が、レンズ及び該レンズを通過した光線を検知する撮像素子を備え、
   上記複数の撮像手段全体を覆って、外部からの水の浸入を防止する防水部材が設けられ、
   上記防水部材は、少なくとも上記撮像手段への入射光が通過する部分が透明な材料から成り、
   上記撮像手段の上記レンズの開口絞りの中心を通る主光線中、ガウス領域に位置する主光線を選択し、該選択された主光線の物空間における直線成分を延長して光軸と交わる点をＮＰ点と定義したときに、
   撮像装置が水中にあるとき上記複数の撮像手段の各ＮＰ点が１つのＮＰ点を中心とした所定の半径領域内にあるように上記撮像手段が配置されている
   ことを特徴とする撮像装置。
2. 上記防水部材の上記透明な材料から成る部分の形状が、平面であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 上記防水部材の上記透明な材料から成る部分の形状が、曲面であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。

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