JP2005128445A - 三次元立体像再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 視野角を広げて日常生活と同様の感覚で鮮明な三次元立体像を見ることができる三次元立体像再生装置を提供する。
【解決手段】 三次元立体像再生装置１０は、それぞれ少しずつ異なる視点位置から見た三次元物体２０の短冊状小画像１１を、視点位置に対応させて所定のピッチで並べて配置される平面画像パネル１２と、各短冊状小画像１１の前方にそれぞれ配置され、短冊状小画像１１の長さ方向に沿って長く短冊状小画像１１の幅方向に狭いスリット１３を備えたスリット群パネル１４とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、広い視野角を有し日常生活と同様の感覚で鮮明な三次元立体像を再生する三次元立体像再生装置に関する。

特殊な眼鏡等を必要としないで三次元立体像を再生する技術として、１）レーザ再生ホログラムや白色光再生ホログラム等のホログラフィー方式、２）レンチキュラーレンズ方式、３）ピンホール型インテグラル・フォトグラフィ方式等が提案されている。
その中で、ホログラフィー方式は三次元物体の記録にコヒーレント光を必要とするので、風景、人物、動いている物体等をリアルタイムで記録、再生することが困難となる。レンチキュラーレンズ方式は、三次元立体像を構成する二次元要素画像の数が少ないため、立体視できる両眼の位置が制約されるという問題がある。また、ピンホール型インテグラル・フォトグラフィ方式は、ホログラフィー方式、レンチキュラーレンズ方式に比べて自然な三次元立体像を記録、再生できる方式であるが、低解像度、輝度不足、狭視野角、画像の重複、視野の欠落等の問題を有している。

そこで、少しずつ異なる位置から見た三次元物体の多数の小画像がそれぞれ表示される多数の画像表示部を配置した画像表示パネルと、この画像表示パネルの前方にそれぞれの小画像に対応する多数の開閉可能なピンホール状の微小透光部を有する非透光性の表示制御パネルを準備し、人間の眼の残像時間内の間隔で微小透光部を逐次選択的に透光可能とし、選択された微小透光部の透光可能時に同期して、選択された微小透光部に対応する小画像を画像表示部に順次表示する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
このように、人間の眼の残像を利用することにより、見掛け上、単位面積当たりの微小透光部の密度を高めることができ、ピンホール型インテグラル・フォトグラフィ方式の問題点、特に、狭視野角、画像の重複、視野の欠落の問題を改善することが可能になる。

特許第２７６１８２９号公報

しかしながら、特許文献１に記載された発明では、ピンホール状の微小透光部からでてくる小画像の光線群を用いて立体像を再現しているので、光線数を十分多くとることが困難となって、再生される立体像が暗く、鮮明さに欠けるといった問題が生じている。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、視野角を広げて日常生活と同様の感覚で鮮明な三次元立体像を見ることができる三次元立体像再生装置を提供することを目的とする。

前記目的に沿う請求項１記載の三次元立体像再生装置は、それぞれ少しずつ異なる視点位置から見た三次元物体の短冊状小画像を、前記視点位置に対応させて所定のピッチで並べて配置される平面画像パネルと、
前記各短冊状小画像の前方にそれぞれ配置され、前記短冊状小画像の長さ方向に沿って長く該短冊状小画像の幅方向に狭いスリットを備えたスリット群パネルとを備える。
短冊状小画像を所定のピッチで並べて配置するようにしたので、各短冊状小画像の幅をピッチに応じて広く取ることができる。その結果、三次元物体からの広範囲の情報を記録することができる。また、短冊状小画像の形状に対応したスリットを用いるので、短冊状小画像から放射される光線をより多く活用して三次元立体像を再生することができる。

請求項２記載の三次元立体像再生装置は、請求項１記載の三次元立体像再生装置において、前記短冊状小画像の長さ方向中心位置と前記三次元物体の上下方向中心位置は、実質的に一致している。
これによって、各短冊状小画像の上下方向に関する基準位置を一致させることができる。また、視点位置に対応させて所定のピッチで各短冊状小画像を平面画像パネルに並べて配置するのが容易になる。

請求項３記載の三次元立体像再生装置は、請求項１及び２記載の三次元立体像再生装置において、前記短冊状小画像は、前記三次元物体をカメラで撮像し、該カメラの光軸を中心にして上下方向に短冊状に切り取った抽出画像を該抽出画像の長さ方向に平行な軸の回りに反転させた画像である。
ここで、短冊状に切り取った抽出画像の幅は、短冊状小画像を所定のピッチで並べる際のピッチ間隔で決まり、隣り合う短冊状小画像は重複しない範囲で幅広にするのがよい。
また、観察者が抽出画像に対向して抽出画像を見ることは、観察者がカメラに対向して配置されるのと同一の状態となる。この配置関係は、三次元物体の内側から外を見る場合に相当することになる。従って、抽出画像を反転させて短冊状小画像を形成することにより、スリットを介して三次元立体像を再生した際に、再生された三次元立体像の凹凸と三次元物体の凹凸を一致させることができる。

請求項４記載の三次元立体像再生装置は、請求項１〜３記載の三次元立体像再生装置において、前記各短冊状小画像の前記視点位置は、前記ピッチ間内で順次その位置を変えて、更に、前記スリットは、対応する前記短冊状小画像に応じてその位置を変える。
これによって、ピッチ間の異なる視点位置から見た三次元物体の短冊状小画像を順次並べて配置することができ、それらの短冊状小画像をスリットを介して個別に見ることができる。

請求項５記載の三次元立体像再生装置は、請求項４記載の三次元立体像再生装置において、前記各短冊状小画像及びこれに対応する前記スリットの１ピッチ内での切り替わりは、１／３０秒以内に行われる。これによって、スリットを介して個別に見た短冊状小画像を、肉眼内の残像により一体的に認識することができる。なお、スリットの切り替わり時間を、肉眼の残像時間又は残像時間の０．５〜１．２倍としてもよい。

請求項６記載の三次元立体像再生装置は、請求項１〜５記載の三次元立体像再生装置において、前記スリット群パネルは、透過型ディスプレイである。
従って、短冊状小画像の長さ方向に沿って長く、短冊状小画像の幅方向に狭い透光部を発生させることにより、容易にスリットを形成することができると共に、短冊状小画像の位置に応じてスリットの位置を容易に変えることができる。

請求項７記載の三次元立体像再生装置は、請求項１〜６記載の三次元立体像再生装置は、前記平面画像パネルは発光型ディスプレイ又はバックライト付きの透過型ディスプレイである。これによって、短冊状小画像の各物点から前方のスリット群パネルに向けて多数の光線を放射することができ、スリットを介して各短冊状小画像を容易に見ることができる。

請求項１〜７記載の三次元立体像再生装置は、短冊状小画像を所定のピッチで並べて配置するようにしたので、各短冊状小画像の幅をピッチに応じて広くして三次元物体からの広範囲の情報を記録することができ、再生される三次元立体像の視野角を広くすることが可能になる。また、短冊状小画像の形状に対応したスリットを用いるので、短冊状小画像から放射されるより多くの光線を活用して画像を再生することができ、明るく鮮明な立体像を認識することが可能になる。
また、スリットとピンホール状の微小透光部をそれぞれ使用して同一条件（水平方向の解像度、表示領域の面積）で三次元立体像を再生する場合、例えば、水平方向（スリットの幅方向）のスリット数をＮ本とすると、ピンホール状の微小透光部を使用した場合は表示領域を覆うためにＮ×Ｍ個（水平方向にＮ個、垂直方向にＭ個）となって、再生に必要な画像データ数は、スリットの場合がＮ個であるのに対して、ピンホール状の微小透光部の場合Ｎ×Ｎ個だけ必要となる。このため、スリットを用いて三次元立体像を再生する場合は、ピンホール状の微小透光部を用いて三次元立体像を再生する場合に比較して、準備する画像データの数を大幅に削減することが可能になって、画像データの作成コストを低減させることができる。また、三次元立体像を再生するときのデータ処理量も大幅に減少できるので、高速で三次元立体像の再生を行うことが可能になる。

特に、請求項２記載の三次元立体像再生装置は、短冊状小画像の長さ方向中心位置と三次元物体の上下方向中心位置は、実質的に一致しているので、各短冊状小画像の上下方向の基準位置を一致させることができ、スリットを用いて各短冊状小画像から三次元立体像を再生した際に、三次元立体像の上下方向のずれの発生を防止することが可能になる。

請求項３記載の三次元立体像再生装置は、短冊状小画像は、三次元物体をカメラで撮像し、カメラの光軸を中心にして上下方向に短冊状に切り取った抽出画像であるので、隣り合う短冊状小画像を重複しない範囲で幅広にすることができ、再生される三次元立体像の視野角を容易に広くすることが可能になる。また、短冊状小画像は、抽出画像を長さ方向に平行な軸の回りに反転させた画像であるので、再生された三次元立体像の凹凸と三次元物体の凹凸を一致させることができ、実際の三次元物体と一致する三次元立体像の再生が可能になる。

請求項４記載の三次元立体像再生装置は、各短冊状小画像の視点位置をピッチ間内で順次変えて、スリット位置は対応する短冊状小画像に応じて変えるので、ピッチ間の異なる視点位置から見た三次元物体の短冊状小画像を順次並べて配置することができ、それらの短冊状小画像をスリットを介して個別に見ることができ、各短冊状小画像から再生される三次元立体像の解像度は低くても、全体として認識できる三次元立体像の解像度を向上させることができる。

請求項５記載の三次元立体像再生装置は、各短冊状小画像及びこれに対応するスリットの切り替わりは、１／３０秒以内に行われるので、スリットを介して個別に見た短冊状小画像を、肉眼内の残像により一体的に認識することができ、各短冊状小画像のピッチを粗くすることが可能になる。その結果、再生される三次元立体像の視野角を更に広くすることが可能になる。

請求項６記載の三次元立体像再生装置は、スリット群パネルは、透過型ディスプレイであるので、短冊状小画像の位置に応じてスリットの位置を容易に変えることができ、位置が変化する短冊状小画像を確実に見ることができる。

請求項７記載の三次元立体像再生装置は、平面画像パネルは発光型ディスプレイ又はバックライト付きの透過型ディスプレイであるので、短冊状小画像の各点から前方のスリット群パネルに向けて多数の光線が放射され、その一部の光線をスリットを介して見ることによりスリット群パネルの背後に三次元立体像を再生することができる。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１は本発明の一実施の形態に係る三次元立体像再生装置のブロック図、図２は三次元物体とラインカメラの位置関係を説明する平断面図、図３は三次元立体像の再生原理を示す説明図である。
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る三次元立体像再生装置１０は、それぞれ少しずつ異なる視点位置から見た三次元物体の短冊状小画像１１を、視点位置に対応させて所定のピッチで並べて配置される平面画像パネル１２と、各短冊状小画像１１の前方にそれぞれ配置され、短冊状小画像１１の長さ方向に沿って長く、短冊状小画像の幅方向に狭いスリット１３を備えたスリット群パネル１４と、平面画像パネル１２及びスリット群パネル１４の動作を制御する動作制御手段１５を有している。以下、これらについて詳しく説明する。

平面画像パネル１２は発光型ディスプレイ（例えば、ＣＲＴ、プラズマディスプレ、発光ダイオードディスプレイ、マイクロ電子銃を多数用いた平面テレビ）、又はバックライト付きの、例えば、強誘電性液晶やポリマー分散型液晶を使用した透過型ディスプレイを使用することができる。
これによって、各短冊状小画像１１を、その視点位置を所定のピッチ間内で順次、例えば、１／３０秒以内に切り替えながら、平面画像パネル１２上に並べて配置することができる。ここで、各短冊状小画像１１の視点位置のピッチは再生する三次元立体像の大きさや観察者の位置に応じて調整する必要があるが、各短冊状小画像１１の視点位置のピッチが大き過ぎると、両眼が捉えることができる視野角の外に一方の短冊状小画像１１が存在することになって好ましくない。また、各短冊状小画像１１の視点位置のピッチが小さ過ぎると、各短冊状小画像１１が近接し過ぎて各短冊状小画像１１から放射される光線の立体角が小さくなって、視野角が狭くなり好ましくない。

スリット群パネル１４に透過型ディスプレイを使用して、短冊状小画像１１の長さ方向に沿って長く、短冊状小画像１１の幅方向に狭い透光部を発生させることにより、スリット１３を形成することができる。
ここで、透過型ディスプレイに、例えば、強誘電性液晶やポリマー分散型液晶、及びＰＬＺＴ等の圧電性電気光学セラミック材を使用すると、スリット群パネル１４内でスリット１３の位置を対応する短冊状小画像１１に応じて、例えば、１／３０秒以内に切り替えることができる。

動作制御手段１５は、例えば、マイクロコンピュータを有し、各短冊状小画像１１を平面画像パネル１２に並べて配置するのを制御する画像配置制御部１６と、スリット群パネル１４内でスリットの位置の切替えを制御するスリット切替え制御部１７を有している。更に、動作制御手段１５には、画像配置制御部１６と、スリット切替え制御部１７の連携動作を制御する総合制御部１８が設けられている。
このような構成とすることにより、各短冊状小画像１１を予め決められている配置に従って平面画像パネル１２に並べて配置しながら、スリット群パネル１４内で対応するスリット１３の位置を順次切り換えていくことができる。このため、スリット群パネル１４の前方からスリット１３を介して、平面画像パネル１２に並べて配置される各短冊状小画像１１を見ることができる。

ここで、人間の肉眼は起立又は着座状態では、水平方向に配置されるので、起立又は着座状態で観察する場合には、垂直方向の視差を省略しても立体視覚にほとんど支障を来さない。
従って、スリットとピンホール状の微小透光部を比較すると、同一条件で三次元立体像を再生する場合、例えば、スリットの総数をＮ本、ピンホール状の微小透光部を縦方向にＭ個、横方向にＮ個並べる場合、再生に必要な画像データ数は、スリットの場合がＮ個であるのに対して、ピンホール状の微小透光部の場合Ｎ×Ｍ個だけ必要となる。
このため、スリットを用いて三次元立体像を再生する場合は、ピンホール状の微小透光部を用いて三次元立体像を再生する場合に比較して、準備する画像データの数を大幅に削減することができ、画像データの作成コストを低減させることができる。また、三次元立体像を再生するときのデータ処理量も大幅に減少できるので、高速で三次元立体像の再生を行うことができる。

次に、本発明の一実施の形態に係る三次元立体像再生装置１０を適用した三次元立体像表示方法について詳細に説明する。
先ず、三次元立体像の再生に使用する多数の短冊状小画像１１を作成する方法について説明する。三次元立体像再生装置１０に入力する短冊状小画像１１の基になる画像は、図２に示すように、カメラの一例であるラインカメラ１９で撮像することにより得られる。
ラインカメラ１９は、撮像しようとする三次元物体２０に対して対向して配置され、各レンズａ、ｂ、ｃ、ｄの光軸間隔が、一定のピッチで並んだレンズ群２１と、レンズ群２１を介して撮像される画像の光量を、例えば、電気信号に変換するＣＣＤ等の撮像素子２２を備えた画像検知部２３を有している。ここで、各レンズａ、ｂ、ｃ、ｄの光軸間隔は、再生する三次元立体像の大きさや観察者の位置に応じて調整する。
なお、ラインカメラ１９は、各レンズａ、ｂ、ｃ、ｄの光軸の位置と三次元物体２０の上下方向中心位置を、実質的に一致させて（各光軸の位置と三次元物体２０の上下方向中心位置との差を、例えば、０．１〜１ｍｍ以内、好ましくは、０．１〜０．５ｍｍ以内にして）、例えば、各レンズａ、ｂ、ｃ、ｄの光軸間隔を５〜３０等分する長さに相当する距離で間欠的に一方方向Ｑに向けて水平移動する。これによって、各画像の上下方向（図２では紙面に垂直方向）中心位置と三次元物体２０の上下方向（図２では紙面に垂直方向）中心位置を一致させることができる。

このような構成とすることにより、例えば、三次元物体２０の異なる領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、レンズ群２１の各レンズａ、ｂ、ｃ、ｄを介して、画像検知部２３の表面に画像Ａ´、Ｂ´、Ｃ´、Ｄ´として結像させることができ、その光量を撮像素子２２で電気信号に変換することができる。そして、この撮像素子２２の表面に結像した画像は、画像処理部２４に入力されてそれぞれ処理されデータメモリに蓄えられる。
また、ラインカメラ１９の設定条件（例えば、レンズ群２１の光軸間隔等）、ラインカメラ１９の撮像条件（例えば、間欠的に水平移動させる距離、ラインカメラ１９の中心位置データ等）等の撮像制御データもデータメモリに蓄えることができる。

ここで、画像処理部２４では以下に示す内容の処理が行われる。
撮像素子２２の表面に結像した各画像はレンズ群２１を介して結像するので、それぞれ倒立像となっている。このため、先ず、それぞれの画像を電気的に反転させ、正立像の画像データを作成する。次いで、正立像の画像データから、その画像を撮像したレンズの光軸を中心にして（すなわち、画像中心を中心にして）上下方向に短冊状に切り取った範囲に相当する領域の画像データを抽出して抽出画像を構成する。続いて、抽出画像の長さ方向に平行な軸の回りに反転させた画像データを作成する。
以上の一連の処理を各画像に対して行うことにより、それぞれ少しずつ異なる視点位置から見た三次元物体２０の短冊状小画像１１の短冊状小画像データが作成され、これらの短冊状小画像データが画像処理部２４のデータメモリに蓄えられる。

続いて、三次元立体画像再生装置１０における三次元立体像の再生方法について説明する。
先ず、総合制御部１８は、ラインカメラ１９の画像処理部２４から総合制御部１８内のデータメモリに入力した短冊状小画像データを読み込み、各短冊状小画像データを、例えば、撮像順番で画像配置制御部１６内のデータメモリに入力する。また、総合制御部１８は、ラインカメラ１９の画像処理部２４から総合制御部１８内のデータメモリに入力した撮像制御データを読み込み、撮像順番で撮像制御データをスリット切替え制御部１７内のデータメモリに入力する。次いで、総合制御部１８より、画像配置制御部１６とスリット切替え制御部１７を同期して起動させる。
これによって、ラインカメラ１９の移動に対応して各短冊状小画像１１を平面画像パネル１２内に順次配置することができ（ラインカメラ１９のレンズ群２１の各光軸間隔の５〜３０分の１に相当する距離で視点位置を順次変えて得られる各短冊状小画像１１を平面画像パネル１２内に順次配置することができ）、スリット群パネル１４には、各短冊状小画像１１の配置される位置に応じてそれぞれスリット１３の位置を変えることができる。

従って、スリット群パネル１４に並べて配置される各スリット１３を介して、スリット群パネル１４の背部の平面画像パネル１２に並べて配置される各短冊状小画像１１を見ることができる。ここで、短冊状小画像１１及びこれに対応するスリット１３の１ピッチ内での切り替わりを１／３０秒以内に行うと、眼の残像を利用し平面画像パネル１２に並べて配置される全ての短冊状小画像１１を一体的に見ることができる。
そして、各スリット１３を介して全ての短冊状小画像１１が一体的に見える場合、各短冊状小画像１１から周囲に放射される光線の一部が各スリット１３を介して観察者の肉眼に入射するようになるので、例えば、図３に示すように、観察者は最近接の各スリット１３ａ、１３ｂ毎に別の短冊状小画像１１ａ、１１ｂを見ることができる。
このとき、短冊状小画像１１ａ、１１ｂにおける各物点（例えば、Ｘ₁ とＸ₂ 、Ｙ₁ とＹ₂ 、Ｚ₁ とＺ₂ ）から放射される光線は、観察者の肉眼には異なる方向からそれぞれ入射することになる。従って、観察者の肉眼には、短冊状小画像１１ａ、１１ｂにおける各物点から肉眼に入射する各光線を逆に辿って交差する位置Ｘ、Ｙ、Ｚからそれぞれ光線が発せられたように認識される。その結果、スリット１３ａ、１３ｂ（短冊状小画像１１ａ、１１ｂ）の背部に三次元立体像２５を認識することができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲での変更は可能であり、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組み合わせて本発明の三次元立体像再生装置を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
例えば、本実施の形態においては、平面画像パネルに並べて配置される短冊状小画像は、ラインカメラを少しずつ移動させて三次元物体を撮像し、各レンズの光軸を中心にして上下方向に短冊状に切り取った抽出画像をその長さ方向に平行な軸の回りに反転させて作成したが、スリット群パネルと同様の構造の撮像制御パネルを用い、その背後に単数又は複数の撮像素子を配置し、この撮像制御パネルに単数又は複数の細い棒状の透光部を逐次瞬間的に発生させながら撮像素子により撮像された画像から抽出画像を形成して短冊状小画像を作成してもよい。また、短冊状小画像を、コンピュータを用いて作成した三次元情報からデジタルデータとして作成してもよい。
更に、短冊状小画像の作成装置で作成した画像データは、有線により三次元立体像再生装置に伝送しても、画像データを変調して電波により送信しそれらを復調して三次元立体像再生装置に入力するようにしても、画像データを磁気テープ、磁気ディスク等の画像記録媒体に記録しておき三次元立体像再生装置により再生させるようにすることも可能である。

本発明の一実施の形態に係る三次元立体像再生装置のブロック図である。 三次元物体とラインカメラの位置関係を説明する平断面図である。 三次元立体像の再生原理を示す説明図である。

符号の説明

１０：三次元立体像再生装置、１１、１１ａ、１１ｂ：短冊状小画像、１２：平面画像パネル、１３、１３ａ、１３ｂ：スリット、１４：スリット群パネル、１５：動作制御手段、１６：画像配置制御部、１７：スリット切替え制御部、１８：総合制御部、１９：ラインカメラ、２０：三次元物体、２１：レンズ群、２２：撮像素子、２３：画像検知部、２４：画像処理部、２５：三次元立体像

Claims (7)

1. それぞれ少しずつ異なる視点位置から見た三次元物体の短冊状小画像を、前記視点位置に対応させて所定のピッチで並べて配置される平面画像パネルと、
   前記各短冊状小画像の前方にそれぞれ配置され、前記短冊状小画像の長さ方向に沿って長く該短冊状小画像の幅方向に狭いスリットを備えたスリット群パネルとを備えることを特徴とする三次元立体像再生装置。
2. 請求項１記載の三次元立体像再生装置において、前記短冊状小画像の長さ方向中心位置と前記三次元物体の上下方向中心位置は、実質的に一致していることを特徴とする三次元立体像再生装置。
3. 請求項１及び２のいずれか１項に記載の三次元立体像再生装置において、前記短冊状小画像は、前記三次元物体をカメラで撮像し、該カメラの光軸を中心にして上下方向に短冊状に切り取った抽出画像を該抽出画像の長さ方向に平行な軸の回りに反転させた画像であることを特徴とする三次元立体像再生装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の三次元立体像再生装置において、前記各短冊状小画像の前記視点位置は、前記ピッチ間内で順次その位置を変えて、更に、前記スリットは、対応する前記短冊状小画像に応じてその位置を変えることを特徴とする三次元立体像再生装置。
5. 請求項４記載の三次元立体像再生装置において、前記各短冊状小画像及びこれに対応する前記スリットの１ピッチ内での切り替わりは、１／３０秒以内に行われることを特徴とする三次元立体像再生装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の三次元立体像再生装置において、前記スリット群パネルは、透過型ディスプレイであることを特徴とする三次元立体像再生装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の三次元立体像再生装置において、前記平面画像パネルは発光型ディスプレイ又はバックライト付きの透過型ディスプレイであることを特徴とする三次元立体像再生装置。

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