JP2004294195A - 焦点距離及び／又は画角算出方法ならびに焦点距離算出用光投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単眼視静止画カメラまたは単眼視動画カメラの焦点距離の算出において、マーカの設置を必要とせず、あらゆる被写体を対象として常に安定的に正確な焦点距離を算出可能とする焦点距離および／または画角の算出方法およびそれに用いる光投射装置を提供する。
【解決手段】所定の角度Θをなす２方向に光を投射し、撮像装置によって上記光が被写体上に描く光点７ａ、７ｂを含んだ画像１２を撮影し、その結果得られた写真画像１２から光点の像１４ａ、１４ｂを検出し、光点の像１４ａ、１４ｂの座標及び所定角度Θを用いて、焦点距離および画角を算出する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮像装置を用いて撮影された画像から、その撮影時の撮像装置の焦点距離及び／または画角を算出する方法に関する。また、その方法に用いられる焦点距離算出用光投射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
３次元的な物体が撮影された画像から、その物体の３次元的な形状や寸法に関するデータを算出することができる。そのためには、その画像の撮影時に使用されたカメラの正確な焦点距離を知る必要がある。従来、カメラの焦点距離の計測は、以下のような方法および構成で行われている。例えば、特許文献１においては、カメラの視野内に平行エッジを有する特定のマーカを撮影対象の被写体に設置し、これを撮影する。そして撮影されたマーカ像のエッジ成分を検出して消失点を求め、その座標から焦点距離を計測（算出）している。また、特許文献２においては、２組の斜交した平行線からなる較正用格子パターンを有するマーカをカメラで撮影し、入力画像から、撮影された前記２組の平行線の消失点を求め、消失点から焦点距離を算出している。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−９８２１４号公報
【特許文献２】
特開平６−２２１８３２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような焦点距離算出方法は、構成上、２方向に延びる平行なエッジ群を画像上に捉えなければ焦点距離を算出できない。即ち、建屋の天井部などのように、マーカの設置が困難な場所を被写体とした場合、上記方法では焦点距離の算出が非常に困難なものとなる。また、マーカのエッジがカメラの光軸と直交するように設置された場合、平行エッジが画像中でも平行となり、従って消失点が求まらず、焦点距離が得られないという問題を有する。また、マーカの設置方向によって、画像上でエッジ成分の像とそれから求められる消失点との距離が大きく離れている場合がある。そのような場合、エッジ成分の検出に微小な誤差が生じることで、検出されたエッジの傾きと実際の傾きとの間に僅かな誤差が生じ、消失点までの距離に比例して、本来の直線とのずれは大きくなり、求めた消失点と本来の消失点との間に大きなずれが生じる。当然のことながら、求めた消失点に大きな誤差が含まれれば、その結果得られる焦点距離と実際の焦点距離との間の誤差も大きくなる。
【０００５】
さらには、カメラのズーム機構を使用する場合、焦点距離の値は撮影ごとに変化する。従って、撮影ごとにマーカを設置し、画像中にマーカが写るようにして、その像から焦点距離を算出することになる。この場合、マーカがカメラの視野に入るように、また、カメラから見て最も適切な向きになるように、さらに、マーカが目的の撮影対象を遮らないように、撮影ごとにマーカの設置位置を調整しなければならない。
【０００６】
マーカ設置位置の調整にあたっては、カメラの視野はファインダから確認される。従い、マーカ設置位置の調整の度に、撮影者はカメラとマーカとの間を往復しなければならない。
【０００７】
本発明は上記の課題を解決すべくなされたものであり、単眼視静止画カメラまたは単眼視動画カメラの焦点距離の算出において、マーカの設置を必要とせず、あらゆる被写体を対象として常に安定的に正確な焦点距離を算出可能な焦点距離算出用光投射装置ならびに焦点距離および画角の算出方法の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る方法は、撮像装置で撮影された画像から撮影時の焦点距離及び／又は画角を算出する方法であって、光を被写体に対して投射するステップ、撮像装置によって、被写体上に描かれた光点を含む画像を撮影するステップ、撮影された画像から光点の像の座標を検出するステップ、および、検出された光点の像の座標及び前記所定角度を用いて撮像装置の焦点距離及び／又は画角を算出するステップを有する。
【０００９】
本発明に係る装置は、撮像装置で撮影された画像から撮影時の焦点距離及び／又は画角を算出するための光を投射する装置であって、基準方向と所定の角をなす光を被写体に対して発する投射手段を備えたことを特徴とする光投射装置である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して、画像に基いて、その撮影時の撮像装置の焦点距離及び画角を算出する方法及びそれに用いる光投射装置を説明する。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明に係る焦点距離及び画角の算出方法に用いる焦点距離算出用光投射装置（以下「光投射装置」と称す。）を示した図である。光投射装置４は被写体に対して２つの光点を投射する装置である。光投射装置４により投射された光点を含む画像がカメラ等の撮像装置により撮影され、その撮影された画像上の光点の座標に基いて撮像装置の撮影時の焦点距離及び画角の算出が行なわれる。なお、本実施形態において、撮像装置として単眼視静止画カメラまたは単眼視動画カメラを使用することが可能である。
【００１２】
光投射装置４は発光装置５ａおよび５ｂを２つ備えている。発光装置５ａおよび５ｂは共に、実質的に波長を制御可能でかつ直線光を発することができる光源であればよい。本実施の形態においては、発光装置５ａおよび５ｂは、既知の波長のレーザ光源である。発光装置５ａおよび５ｂから発せられた光は光投射装置４内部または光投射装置４外部近傍にて互いに交差する。発光装置５ａおよび５ｂから発せられた光の光路をそれぞれ光軸６ａおよび６ｂとし、両者のなす角をΘとする。この角Θは所定の値である。つまり、一方の光を基準方向とみなし、他方の光を基準方向と所定角Θをなす方向に投射している。
【００１３】
光投射装置４は図２に示すように例えばグリップ１７によりカメラ１のアクセサリーシュー１８に固定される。そうすることで、装置を保持する手間が省かれ、さらに、光軸６ａおよび６ｂとｙ軸との距離を小さくすることができる。なお、以下の説明では、同図に示すように、カメラの光軸８上に位置する、カメラ１のレンズ中心を投影中心９と称す。投影中心９からカメラ１の撮像面を構成するフィルム面２７までの距離ｆが焦点距離となる。
【００１４】
本実施の形態において光投射装置４は、図３に示すように、カメラ１に固定され、そのカメラ１には演算装置１６が接続される。光投射装置４から発せられた光は互いに角Θをなして被写体３に投射され、被写体３上に光点７ａおよび７ｂを描く。この２つの光点７ａおよび７ｂが同時にカメラ１の視野内に収まるように、光投射装置４からレーザ光は被写体３に向けて発せられる。
【００１５】
次に、光投射装置４により投射された光点を含んで撮影された画像から焦点距離と画角を算出するための方法を説明する。
【００１６】
図４は、以下の説明で用いる座標系を説明した図である。同図に示された２つの座標系はカメラ１の光軸８を法線とする別々の平面上にあり、それらの平面とカメラ１の光軸８との交点を原点とした直交座標系である。
【００１７】
一つの座標系は投影中心９を原点とし、被写体からカメラに向かう方向をｚ軸の正方向とする。この座標系を「カメラ座標系」と称す。カメラ座標系において、ｘ軸およびｙ軸はカメラ１の光軸８を法線とする平面に含まれ、ｙ軸はカメラの鉛直上方方向を正方向としている。
【００１８】
他方の座標系（以下「画像座標系」と称す。）は投影中心９から距離ｆだけ被写体側に離れた位置に想定される画像投影面１０上に設けられている。画像投影面１０は次のように想定される。図２に示すように投影中心９からカメラ１の撮像面を構成するフィルム面２７までの距離（焦点距離）がｆの場合、図４において、カメラ１のフィルム面２７はｚ＝ｆの位置に位置する。このフィルム面に対する投影中心９を中心とした対称位置に、すなわちｚ＝−ｆの位置に画像投影面１０を設定する。このように画像投影面１０を設定することにより、カメラ１により撮影される写真画像１２は画像投影面１０に含まれる。画像座標系は、画像投影面１０とｚ軸との交点１１を原点とし、そのＸ軸およびＹ軸はカメラ座標系のｘ軸およびｙ軸にそれぞれ平行となる。
【００１９】
図５を参照し、光投射装置４の発する光およびその被写体３における反射光のうちカメラに入射する光の示す幾何学的特徴を説明する。発光装置５ａおよび５ｂから発せられた光の光路である２つ光軸６ａおよび６ｂのなす角をΘとする。この２つの光軸６を含む平面は、ｚｘ平面に平行であることが望ましい。また、光軸６ａおよび６ｂは、ｙ軸と交点を有するか、または、その極めて近傍を通ることが望ましい。このように設置された光投射装置４から光を投射すれば、被写体３（図３参照）上に光点７ａおよび７ｂを描き、画像投影面１０内の写真画像１２上に光点の像１４ａおよび１４ｂを描く。光点の像１４ａおよび１４ｂは、それぞれ投影中心９と光点７ａおよび７ｂを結ぶ光線１３ａおよび１３ｂと画像投影面１０との交点と一致している。図６にそのような光点の像１４ａおよび１４ｂが被写体とともに撮像された写真画像１２の一例を示す。
【００２０】
図５に戻って、光点の像１４ａおよび１４ｂのＸＹ座標平面における座標をそれぞれＰａ（Ｘａ、Ｙａ）およびＰｂ（Ｘｂ、Ｙｂ）とし、また、投影中心９から光点の像１４ａおよび１４ｂに向かうベクトルの互いになす角をθとする。前記ベクトルは、カメラ座標系を用いて成分表示すればそれぞれ、（Ｘａ、Ｙａ、−ｆ）および（Ｘｂ、Ｙｂ、−ｆ）となる。よって、焦点距離ｆとθとの関係は、
【数１】

となる。
【００２１】
図７に示すように、投射光の光軸６ａと投影中心９との距離ｄに比して、光点７ａと投影中心９との距離Ｌが大きければ、光軸６ａと入射光線１３ａのなす角δは小さくなる。光軸６ｂと光線１３ｂとの関係も同様である。従い、θは近似的にΘとみなすことが可能となる。例えば、δが１度以下となるためには、カメラと光投射装置との距離ｄと、カメラと被写体との距離Ｌとがｄ／Ｌ≦ｓｉｎ（１ｄｅｇ．）＝０．０１７の関係を満たせば良い。ｄを５ｃｍと仮定すれば、この条件を満たすＬは２．８ｍ以上となり、これは写真画像の一般的な撮影状況を満たす。よって、θ＝Θとし、
【数２】

より、焦点距離ｆを求めることができる。まず、「数２」式を二乗し、Ｆ＝ｆ×ｆ、Ａ＝ｃｏｓΘ×ｃｏｓΘとしたＦに関する２次方程式、
【数３】

よりＦを求める。
【数４】

Ｆは２個得られるが、求める焦点距離ｆは、そのうち、次式を満たすＦの正平方根である。
【数５】

【００２２】
図８は、光軸６ａおよび６ｂの含まれる平面がｚｘ平面と平行であり、かつ、光軸６ａおよび６ｂがｙ軸と交差するような設定がなされている場合を示している。この場合、光点の像１４ａおよび１４ｂのｘｙ座標はそれぞれＰａ（Ｘａ、Ｙａ）およびＰｂ（Ｘｂ、Ｙｂ）であり、そこからＸ軸におろした垂線の足１５の座標はそれぞれＶａ（Ｘａ、０）およびＶｂ（Ｘｂ、０）となる。よって投影中心９から垂線の足１５に向かうベクトル（成分表示で（Ｘａ、０、−ｆ）および（Ｘｂ、０、−ｆ））はそれぞれ光軸６ａおよび６ｂとそれぞれ平行となり、これらベクトルが互いになす角はΘとなる。従って、「数３」式において、Ｙａ＝Ｙｂ＝０とした、
【数６】

より、
【数７】

とＦが求められる。このＦから焦点距離ｆを求めることができる。
【００２３】
さらに、光軸６ａおよび６ｂがカメラの光軸８に関して対称にとられていれば、Ｘｂ＝−Ｘａなので、
【数８】

である。これより、
【数９】

として焦点距離ｆを得る。厳密な意味において光軸６ａおよび６ｂがカメラの光軸８に関して対称でなくとも、Ｘｂと−Ｘａとの差が微小である場合には、このようにして焦点距離ｆを得ることが可能である。
【００２４】
次に、写真画像１２の水平画角の算出について説明する。図９に示すように、写真画像１２の水平画角φは焦点距離ｆと写真画像の幅Ｗとの間に、次式の関係が成立し、これにより、水平画角を算出することができる。
【数１０】

【００２５】
上記の画像座標系（Ｘ、Ｙ）は写真画像１２を構成する画素を単位として構成してもよい。その場合、画素単位で表された距離ｆは、長さの単位で表されたカメラレンズの焦点距離に、撮像面の単位長さ当たりの撮像画素数を乗じた値として得られる。または、画像座標系を写真画像１２の画素を単位として構成してｆを算出し、その後、撮像面の単位長さ当たりの撮像画素数で割って、例えばｍｍで表されるカメラレンズの焦点距離を求めるように構成してもよい。
【００２６】
ここで、光点の像１４ａおよび１４ｂの座標値検出における誤差について議論する。例えばＰａ（Ｘａ，Ｙａ）が、誤差ｅを含んでＰａ’（Ｘａ＋ｅ，Ｙａ）と検出されたとしても、Ｘａが十分大きければ、なす角θへの影響は小さくなる。画像座標系が画素を単位として構成されている場合、Ｘａが１００でｅが１、また、θが３０度でＸａ＝−Ｘｂとすれば、ｅによってθにかかる変位Δθは、ｔａｎ（１５度＋Δθ）＝１．０１×ｔａｎ（１５度）であり、Δθ＝０．１４度程度である。
【００２７】
次に、演算装置１６（図２参照）において焦点距離を計算する一連の処理の一例を図１０のフローチャートを用いて説明する。
【００２８】
ステップＳＴ１は、変数θにΘを代入するステップである。ここでのΘの値は予め演算装置１６に記憶されていてもよいし、あるいは、操作者が値を入力するような構成であってもよい。
【００２９】
ステップＳＴ２は、光投射装置４により投射された光点が撮像された写真画像の中から、光点の像を検出するステップである。このステップでは、発光装置５から発せられる光が、例えば赤色であり、写真画像がＲＧＢの輝度値として得られている場合、次のように処理される。写真画像の各画素についてＲＧＢの輝度値を調べ、ＲがＲＧＢの中で最大となる画素から、Ｒが大きい順に２点を検出する。もし、検出された２点が互いに近接しているなら、例えば、写真画像の幅の１／５以下の距離にあるならば、同一の像内の２画素を検出している可能性があるので、上記２点のうち、Ｒ値の小さい点を棄却し、再度もう１点の検出を行う。あるいは、演算装置１６によりカメラに付属の液晶モニター（図示せず）または、演算装置１６は外部のマイクロコンピュータであって、それに接続されたディスプレイ（図示せず）に写真画像を表示し、操作者がポインティングデバイスにより表示されている写真画像の画素を指定できる構成を有するならば、そのポインティングデバイスによって光点の像１４を指定することで検出してもよい。
【００３０】
ステップＳＴ３は、上述した計算過程を用いて焦点距離ｆの値を計算するステップである。
【００３１】
前段の焦点距離算出のための演算は、カメラがＣＣＤを備えた電子カメラまたはビデオカメラで構成されている場合、カメラが構成する写真画像を、例えばカメラに装備されたマイクロコンピュータで演算処理するように構成してもよい。あるいは、写真画像を表す映像信号または画像データを、カメラから外部へ出力し、外部のマイクロコンピュータに入力して、マイクロコンピュータで行えるように構成してもよい。また、カメラが銀塩写真カメラである場合には、撮影された写真画像を、例えばスキャナによってマイクロコンピュータに入力し、そのマイクロコンピュータで演算処理するように構成する。
【００３２】
また、ズーム固定式のカメラにおいて、予めカメラの焦点距離を算出しておく場合などのように、特に撮影対象がなく焦点距離のみを算出する目的で撮影を行う場合には、焦点距離算出用の被写体、例えば、発光装置５の光をよく拡散反射する光軸８に直交する面を備えた被写体を、被写体３として用いて、焦点距離の算出を実行すればよい。
【００３３】
このように、本発明による簡易な構成と計算処理により、常に焦点距離を得ることができ、光点の像１４ａおよび１４ｂの検出に当たって誤差が生じたとしても、それが増大することはなく、安定して正確な焦点距離を算出することができるようになる。また、写真画像の焦点距離を算出する上で、マーカをカメラの視野内に設置調整する必要がない。従って、マーカの設置が困難な天井や壁などを被写体とする場合においても、容易に焦点距離を算出することができるようになる。
【００３４】
実施の形態２．
図１１は光投射装置の別の構成を示した図である。同図は光投射装置４を上方より見た図である。本実施形態における光投射装置４は光投射装置４の光投射角度を調整する調整装置１９を備えている。調整装置１９により、光軸６ａおよび６ｂのなす角Θは固定したまま、光投射装置４の光投射方向を水平方向に変更可能にしている。ここで、調整装置１９は例えば、ターンテーブルによって構成される。ただし、調整装置１９はターンテーブルに限定されない。また、調整装置１９による光投射装置４の可動方向は垂直方向であってもよい。
【００３５】
本構成により、被写体３（図３参照）上、光点７ａおよび７ｂ（図３参照）の描かれる場所の反射率が小さく、または、光点７ａおよび７ｂ（図３参照）の描かれる場所の周囲の色が、発光装置の発する光と同系統であって、描かれた光点７ａおよび７ｂを判別することが困難である場合に、光点７ａおよび７ｂ（図３参照）を、それが顕著に示される場所に移動させて算出することが可能となる。
【００３６】
実施の形態３．
本実施の形態において、発光装置５ａおよび５ｂ（図１参照）は、それぞれ、複数の異なる波長の光を投射可能に構成されている。また撮影時に投射される光の波長を選択可能に構成してもよい。
【００３７】
本構成により、光点７ａまたは７ｂ（図３参照）の描かれる場所の色が、投射される光と同系統であって、光点７ａまたは７ｂ（図３参照）を判別しにくい場合には、発光装置から発せられる光の波長を変更し、光点７ａまたは７ｂ（図３参照）を明瞭に観測できるようにすることが可能である。
【００３８】
実施の形態４．
図１２は光投射装置のさらに別の構成を示した図である。同図は実施の形態４を構成する光投射装置４を上方より見た平面図である。本実施形態の光投射装置４は、発光装置５ａおよび５ｂを２つ有しており、その一方のみに調整装置１９が取りつけられている。調整装置１９の取り付けられていない方の発光装置５ａの発する光の方向は、光投射装置４に関して固定されている。一方、調整装置１９が取りつけられた発光装置５ｂの発する光の方向は光投射装置４に関して可変であり、その方向は複数から選択可能になっている。図中にはそれらのうち２つの方向を、それぞれ光軸６ｂまたは光軸６ｃとして示している。従って、光軸６ａと、光軸６ｃまたは光軸６ｂとのなす角は、Θ１またはΘ２のように変更可能となる。つまり、２つの光のうちいずれか１つの光の方向を基準方向とし、もう一方の光が基準方向と所定角Θ１またはΘ２をなす方向に投射している。このとき、選択された方向によって光の波長を変えるように構成してもよい。
【００３９】
本構成により、光点７ａおよび７ｂが写真画像１２内に入り（図３および図６参照）、かつ、光点７ａおよび７ｂの像１４ａおよび１４ｂ（図５参照）間の距離が大きくなるように設定可能で、その結果、焦点距離の算出精度を上げることができるようになる。また、波長を変えることによって、光軸がなす角の値が写真画像１２から判別できるので、誤った角の値により誤った焦点距離の値を得ることを防ぐことができる。
【００４０】
実施の形態５．
図１３には光投射装置のさらに別の構成を示した図である。本実施形態の光投射装置４は、発光装置５を１つのみ有し、その発光装置５が発する光６と、カメラの光軸８と平行かつ発光装置５を通る直線２６とのなす角が所定値Ψになるように発光装置５を設置している。つまり、カメラの光軸８の方向を基準方向とし、光６は基準方向と角Ψをなす方向に投射される。好ましくは、発光装置５が発する光６がｚｘ平面に平行で、かつ、ｙ軸と交差するように、あるいはその近傍を通過するように発光装置５の光投射装置４内の取りつけ角度が設定される。
【００４１】
本実施形態における焦点距離算出について説明する。図１４に示すように、本実施形態は１本の光を被写体３に向けて投射しており、その光は被写体３上に光点７を描く。図１５に示すように、光軸６はカメラ１の光軸８と平行かつ発光装置５を通る直線２６とのなす角がΨとなるように設定される。このように設定された発光装置５から光を投射すると、光は直線２６とΨの角をなして光点７を描く。投影中心９と光点７を結ぶ光線１３と写真画像１２面の光点に、光点の像１４が描かれる。この光点の像１４のＸＹ座標をＰａ（Ｘａ、Ｙａ）とし、また、光線１３と光軸８とが投影中心９においてなす角をψとする。焦点距離ｆとψとの関係は、
【数１１】

となる。先の実施形態と同様、投影中心９と光点７との距離が大きくなればなるほど、光軸６と光線１３とが光点７においてなす角δは小さくなり、ψはΨに漸近する。そこで、投影中心９と光点７との距離が十分に大きいと考え、ψをΨとみなせば、ψ＝Ψとして、
【数１２】

より、焦点距離ｆを求める。
【００４２】
光軸６がｚｘ平面に平行、かつ、ｙ軸と交差する構成の場合、図１６に示すように、光点の像１４からそのＸ軸へ降ろした垂線の足１５Ｖ（Ｘａ、０）と投影中心９を結ぶ直線２０は光軸６と平行になる。従って、直線２０とカメラ１の光軸８とのなす角はΨと一致する。よって、
【数１３】

より、焦点距離ｆを得る。光軸６がｙ軸と交差するように構成されていない場合においても、光軸６とｙ軸との距離が、投影中心９から光点７までの距離に較べて十分に小さいなら、この式によって焦点距離を十分な精度で近似することができる。
【００４３】
次に、本実施形態において、演算装置１６（図２参照）において焦点距離を計算する一連の処理の一例を図１７のフローチャートを用いて説明する。
【００４４】
ステップＳＴ１１は、変数ψにΨを代入するステップである。ここでのΨの値は予め演算装置１６に記憶されていてもよいし、あるいは、操作者が値を入力するような構成であってもよい。
【００４５】
ステップＳＴ１２は、写真画像の中から、光点の像を検出するステップである。このステップは、発光装置５から発せられる光が、例えば赤色であり、写真画像がＲＧＢの輝度値として得られている場合、次のように処理される。写真画像の各画素についてＲＧＢの輝度値を調べ、ＲがＲＧＢの中で最大となる画素を１点検出する。あるいは、演算装置１６によりカメラに付属の液晶モニター（図示せず）または、演算装置１６は外部のマイクロコンピュータであって、それに接続されたディスプレイ（図示せず）に写真画像を表示し、ユーザがポインティングデバイスにより表示されている写真画像の画素を指定できる構成を有するならば、そのポインティングデバイスによって光点の像１４を指定することで検出してもよい。
【００４６】
ステップＳＴ１３は、上述した計算過程を用いて焦点距離ｆの値を計算するステップである。
【００４７】
本実施形態のような構成をとることで、光投射装置４に発光装置５を一つのみ設けるだけでよく、装置を小型軽量化可能である。よって、光軸６をカメラ１により接近させて構成することが可能となる。さらに、焦点距離測定方法の動作においても、写真画像１２中の光点の像１４を一つ検出すればよいので、処理を簡略にすることができるようになる。
【００４８】
実施の形態６．
図１８を用いて別の実施の形態を説明する。本実施形態において、光投射装置４に組み込まれる発光装置は、カメラ１の光軸８と平行に発光装置を通過する直線２６に対して、それぞれ所定の角度Ψ１、Ψ２をなす２本の光を照射する。つまり、カメラの光軸８を基準方向とし、２つの光はそれぞれ角Ψ１および角Ψ２をなす方向に投射されるようにしている。
【００４９】
光軸６ａおよび６ｂはそれぞれ、ｚｘ平面に平行に、かつ、ｙ軸と交差するか、もしくは、その近傍を通過するように構成されることが好ましい。
【００５０】
また、写真画像１２の画像座標系は、その原点が主点１１と一致するとは限らないＸ’軸およびＹ’軸で構成されてもよい。
【００５１】
発光装置５から光を投射すると、それらは直線２６とΨ１、Ψ２の角をなし、被写体上に光点７ａおよび７ｂが描かれる。これら光点７ａおよび７ｂは、投影中心９と光点７ａおよび７ｂを結ぶ光線１３ａおよび１４ｂと写真画像１２との交点に、光点の像１４ａおよび１４ｂを描く。この光点の像１４ａおよび１４ｂの座標を（Ｘ’ａ、Ｙ’ａ）、（Ｘ’ｂ、Ｙ’ｂ）とする。それぞれのＸ軸へ降ろした垂線の足１５のＸ’座標をＸ’ａ、Ｘ’ｂとすれば、主点のＸ’座標Ｘ’ｐは、
【数１４】

となる。なお、光はカメラの光軸８に対して、左右の異なる側に投射されるものとしている。
よって、
【数１５】

として、焦点距離ｆを求めるとこができる。
【００５２】
特に、Ψ１＝Ψ２である場合には、Ｘ’ｐを、Ｘ’ｐ＝（Ｘ’ａ＋Ｘ’ｂ）／２より、容易に求めることが可能である。
【００５３】
このような構成により、画像座標系が平行移動し、写真画像１２上の主点１１の位置がわからない場合、例えば、写真画像１２が撮影後にトリミングされているような場合にも、焦点距離を正確に求めることが可能となる。
【００５４】
実施の形態７．
図１９に光投射装置の別の構成を示す。本光投射装置４は３つの発光装置５ａないし５ｃを備える。各投射光のなす角が所定置となるよう、発光装置５ａないし５ｃが配置される。第１の光軸６ａと第２の光軸６ｂのなす角がΘ１、第２の光軸６ｂと第３の光軸６ｃのなす角がΘ２である。つまり、３つの光のうちの１つの光の方向を基準方向とし、他の２つの光の方向と基準方向とがそれぞれ所定の角度を有するように構成する。
【００５５】
図２０に示すように、光軸６ａないし６ｃそれぞれによる光点の像１４ａないし１４ｃの座標をＰａ（Ｘ’ａ、Ｙ’ａ）、Ｐｂ（Ｘ’ｂ、Ｙ’ｂ）、Ｐｃ（Ｘ’ｃ、Ｙ’ｃ）とすると、それぞれのＸ軸への垂線の足１５ａないし１５ｃの座標はＶａ（Ｘ’ａ、０）、Ｖｂ（Ｘ’ｂ、０）、Ｖｃ（Ｘ’ｃ、０）となる。図２１に示すように、投影中心９は、垂線の足１５ａと足１５ｂとを通り、かつ、それらの間の円周角がΘ１となる円２１ａと、垂線の足１５ｂと足１５ｃとを通り、かつ、それらの間の円周角がΘ２となる円２１ｂとの交点として得られる。この投影中心９と画像投影面１０との距離から、焦点距離ｆを得る。
【００５６】
このような構成により、画像座標系の平行移動によって写真画像１２上の主点１１の位置がわからなくなっている場合、例えば写真画像１２が撮影後にトリミングされているような場合の焦点距離の算出においても、その焦点距離を正確に算出することができ、また発光装置の光軸とカメラの光軸８とのなす角を求めなくてもよく、光投射装置４の位置と体勢をカメラ１に対して厳密に調整しなくても算出の安定性を確保できるようになる。
【００５７】
実施の形態８．
図２２は本実施の形態における光投射装置の平面図である。この光投射装置４は発光装置５を１つ備えており、その発光装置５から投射される光は、ビームスプリッタ２２および反射鏡２３によって２つあるいは３つの光に分光される。なお、分光された光の光軸６ａおよび６ｂが互いになす角Θは所定値に設定される。また、図示されていないが、３つの光に分光される場合においても、同様にそれぞれの光のなす角は所定値に設定される。
【００５８】
このように構成することで、光投射装置４は発光装置５を１つ有するだけで、複数の光を投射可能な光投射装置４を構成することができる。そのため装置４は小型化が可能である。よって、光軸６ａおよび６ｂをカメラ１により接近させて構成することが可能となる。
【００５９】
実施の形態９．
図２３は本実施の形態における光投射装置の側面図である。本実施の形態においては、光投射装置４のグリップ１７の、それを固定するためのカメラ１のアクセサリーシュー１８とが接触する部分に接点２４を有している。アクセサリーシュー１８はホットシューであり、接点２４はシャッター操作検出手段としての機能を有し、操作者によるシャッター操作の検出時に撮影信号を送信する。光投射装置４は、接点２４を通じて撮影信号を受け取り、光投射装置４の動作を制御可能な制御装置２５を備えている。シャッターが切られ、カメラ１が撮影を開始する時点で、制御装置２５はカメラ１の接点２４を介して、撮影信号を受け取る。制御装置２５はカメラ１の撮影時間、即ちシャッターの開いている時間内に光投射装置４内の発光装置５から光を投射するように制御する。発光装置５は、前記実施形態のいずれか１つのように、１つの発光装置から構成されても複数の発光装置から構成されるものであってもよい。
【００６０】
このように構成することで、写真画像１２を撮影する短い時間の間のみ、適切に発光装置５から光を投射するようにできる。従って、発光にかかるエネルギを最低限のものとすることができ、エネルギ消費量を抑えることができる。また、発光装置５からの光が誤って目に入る危険性を極力回避しており、仮に誤って目に入った場合においても、その影響は、長時間発光しつづける形態のそれよりも小さくなっている。
【００６１】
実施の形態１０．
本実施の形態における構成は図２３に示された実施の形態９の構成と同一である。本実施形態では、焦点距離の算出のための光点の像１４が撮影された第１の写真画像と、像１４が撮影されていない第２の写真画像とを連続して撮影可能に構成されている。
【００６２】
具体的には、制御装置２５は、カメラ１のシャッターが切られた時点で、接点２４を介して撮影動作の開始を示す撮影信号を受け取る。撮影信号を受け取った制御装置２５は発光装置５から光を投射し、焦点距離算出用の第１の写真画像を撮影する。次にこの写真画像１２を用いて焦点距離を算出し、その後、光の投射を中止し、光点の像を有しない、被写体のみが撮影された第２の写真画像を撮影する。
【００６３】
このような構成により、実施の形態９の有する有利点を備え、かつ、焦点距離の算出を行いながら、光点の像が付加されていない写真画像を得ることが可能となる。
【００６４】
実施の形態１１．
上記実施形態において、光投射装置４はレーザ光源を発光装置５に用いているが、本形態においては、ビデオプロジェクタを用いている。
【００６５】
本構成では、ビデオプロジェクタが２つ（または３つ）の光点を含むような画像を投影する。このとき、各光点を投影する光の光軸がなす角度は所定値Θとなるように設定される。ビデオプロジェクタのズームおよびピント調節に連動し、常に互いの光が角Θとなるように、投射する画像を調整可能に構成してもよい。さらには、投射する光の輝度を反転させて前記実施形態において明点であった光点を暗点とし、その周囲が明るい画像を投射するように構成してもよい。
【００６６】
本構成により、撮影環境が暗い場合においても、光投射装置４が照明の機能をも発揮し、それにより光点７を識別可能としている。
【００６７】
また、実施の形態１ないし実施の形態１０で投影する光は直線光として説明したが、例えば、所定の角度内に光を投射するスリット光を用いて被写体上に線分等の図形を描くように構成してもよい。スリット光を用い、光軸６ａおよび光軸６ｂで構成される中心角Θの扇形内に光を投射するように構成すれば、投射された線図形の始点および終点をそれぞれ光点７ａおよび光点７ｂとみなして焦点距離を算出することができる。また、光軸６ａおよび光軸６ｂのそれぞれについて、光軸６ａまたは光軸６ｂを含みｙ軸に平行な面内にスリット光を投射するように構成すれば、光軸６ａおよび光軸６ｂがｙ軸に十分近い場合、スリット光の像は写真画像１２上でＹ軸に平行な２本の線分となるため、おのおのの線分の同一Ｙ座標、例えばＹ座標が０の点を光点の像１４ａおよび１４ｂとみなして焦点距離を算出することができる。以上、２つの光を投射する場合について説明したが、１つの光や３つの光を投射する場合にも、同様に実施できる。また、実施の形態１１においても、投影する画像を線分等の図形を含む画像とすることで同様に実施できる。
【００６８】
前段のような構成を取ることにより、被写体が光点と類似する場合においても、上記の光点を容易かつ確実に抽出することができるようになり、従って、上記の光点の像１４ａおよび１４ｂを撮影画像内から容易かつ確実に特定し、前記のような被写体の場合においても焦点距離の算出が可能となる。
【００６９】
【発明の効果】
本発明により、マーカを設置することなく焦点距離の算出が可能となる。また、被写体の位置および被写体の設置されている周囲の環境に拠らず、常に安定して正確な焦点距離の算出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１の光投射装置の斜視図である。
【図２】実施の形態１のカメラに取り付けられた光投射装置の側面図である。
【図３】光投射装置から投射された光点及び投射光のなす角Θを説明した図である。
【図４】カメラ座標系および画像座標系を示した図である。
【図５】光投射装置からの投射光と、その反射光のうちカメラに入射する光との関係を示す図である。
【図６】撮影される写真画像の一例を示す図である。
【図７】投射光の光軸と投影中心との距離ｄ、投射される光点と投影中心までの距離Ｌ、光軸６ａと入射光線１３ａのなす角δ等の関係を示す図である。
【図８】２つ投射光のなす平面がｚｘ平面と平行な場合の、投射光およびその反射光のうちカメラに入射する光との関係を示す図である。
【図９】写真画像の幅Ｗ、焦点距離ｆ、および、画角φの関係を示す図である。
【図１０】実施の形態１の焦点距離算出処理のフローチャートである。
【図１１】実施の形態２の光投射装置の平面図である。
【図１２】実施の形態４の光投射装置の平面図である。
【図１３】実施の形態５の光投射装置の平面図である。
【図１４】実施の形態５において被写体に投射される光点を説明した図である。
【図１５】実施の形態５の投射光およびその反射光のうちカメラに入射する光との関係を示す図である。
【図１６】投射光がｚｘ平面と平行平面に含まれる場合の、投射光およびその反射光のうちカメラに入射する光との関係を示す図である。
【図１７】実施の形態５の焦点距離算出処理のフローチャートである。
【図１８】実施の形態６の投射光およびその反射光のうちカメラに入射する光との関係を示す図である。
【図１９】実施の形態７の光投射装置の平面図である。
【図２０】実施の形態７の投射光およびその反射光のうちカメラに入射する光との関係を示す図である。
【図２１】実施の形態７の画像投影面上の垂線の足１５ａないし１５ｃ、投影中心、および、焦点距離ｆの関係を示す図である。
【図２２】実施の形態８の光投射装置の平面図である。
【図２３】実施の形態９および１０の光投射装置の側面図である。
【符号の説明】
１ カメラ、 ２ 、 ３ 被写体、 ４ 光投射装置、 ５および５ａないし５ｃ 発光装置、 ６および６ａないし６ｃ 投射光光軸、 ７および７ａないし７ｃ 光点、 ８ カメラ光軸、 ９ カメラ投影中心、 １０ 画像投影面、 １１ 主点、 １２ 写真画像、 １３および１３ａないし１３ｃ 光線、 １４および１４ａないし１４ｃ 光点の像、 １５および１５ａないし１５ｃ 垂線の足、 １６ 演算装置、 １７ グリップ、 １８ アクセサリーシュー、 １９ 調整装置、 ２０ 垂線の足と投影中心を通る直線、 ２２ ビームスプリッタ、 ２３ 反射鏡、 ２４ 接点、 ２５ 制御装置、 ２６ カメラの光軸と平行に発光装置を通る直線、 ２７ フィルム面。

Claims (16)

1. 撮像装置で撮影された画像から撮影時の焦点距離及び／又は画角を算出する方法であって、
   被写体に対して光を投射するステップ、
   前記撮像装置を用いて、前記光を投射するステップによって被写体上に描かれた光点を含む画像を撮影するステップ、
   撮影された画像から光点の像の座標を検出するステップ、および、
   上記検出された光点の像の座標及び前記所定角度を用いて上記撮像装置の焦点距離及び／又は画角を算出するステップ
   を有することを特徴とする方法。
2. 前記光を投射するステップが、互いに所定の角をなす２つの光を投射することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記光を投射するステップが、撮像装置の光軸と所定の角をそれぞれなす２つの光を投射することを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記光を投射するステップが、互いに所定の角をなす３つの光を投射することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 前記光を投射するステップが、撮像装置の光軸と所定角度をなす１つの光を投射することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 前記光を投射するステップは、前記投射する光を、撮像装置の光軸に垂直な直線であって撮像装置の投影中心を通る直線を法線とする面内に含まれ、該直線と直交するか、または、該直線の近傍を通過するように投射することを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の方法。
7. 撮像装置で撮影された画像から撮影時の焦点距離及び／又は画角を算出するための光を投射する装置であって、
   基準方向と所定の角をなす光を被写体に対して発する投射手段を備えたことを特徴とする光投射装置。
8. 前記投射手段は、第１及び第２の発光手段を備え、前記第１発光手段から発せられる光の方向を基準方向とし、第２の発光手段から発せられる光の方向が基準方向と所定角度をなすことを特徴とする請求項７に記載の光投射装置。
9. 前記第１及び第２の発光手段の発する２つの光の方向が、前記所定の角度を一定に保った状態で変更可能であることを特徴とする、請求項８に記載の光投射装置。
10. 前記光投射手段が、第１、第２及び第３の発光手段を備え、第１、第２及び第３の発光手段から発する３本の光のうち１つの光の方向を基準方向とし、他の２つの光がそれぞれ基準方向と所定角度をなすことを特徴とする、請求項７に記載の装置。
11. 前記光投射手段は、撮像装置のレンズの光軸を基準方向とし、基準方向と所定の角度をなす方向に光を発する発光手段を１つのみ備えたことを特徴とする請求項７に記載の光投射装置。
12. 前記投射手段が発する光の波長が可変であることを特徴とする、請求項７ないし１１のいずれか１つに記載の光投射装置。
13. 前記発光手段がレーザ光を発することを特徴とする、請求項７ないし請求項１２のいずれか１つに記載の光投射装置。
14. 前記撮像手段に固定するためのグリップ手段を備えたことを特徴とする、請求項７ないし請求項１３のいずれか一つに記載の光投射装置。
15. 前記撮像装置から、撮像装置の撮像動作の開始を示す撮影信号を受信する手段と、該撮影信号により前記発光手段の発光を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする、請求項７ないし請求項１４のいずれか一つに記載の光投射装置。
16. 前記投射手段がビデオプロジェクタであることを特徴とする請求項７に記載の光投射装置。

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