JP2005260527A - 動画カメラ - Google Patents

Abstract

【課題】人の色域に等しい色域をもつ動画カメラを提供する。
【解決手段】レンズ系に入射した光学実像を光ビームスプリッタにより、それぞれ等しい強度になるように３分割して、出力光をＣＩＥが定めたＸＹＺ等色関数と特定マトリクスに示された関係で線形変換して得られる分光感度を基にした３枚の色フィルタを通す。各色フィルタの出力は、対応する動画用光学センサにより電気信号に変換し演算処理装置により光の色域と等しい色域をもつ広色域の映像信号として出力する。上記複数枚の色フィルタにより分光する代わりに、画素単位または行単位あるいは列単位にＣＩＥが定めたＸＹＺ等色関数と前記特定マトリクスに示された関係で線形変換して得られる分光感度を基にした３枚の色フィルタよりなる色信号を空間分割して出力するための１枚の色フィルタを備えて構成することも可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、人の色域と等しい色域をもった動画用カメラに関する。

人の色域と等しい色域をもつカメラで対象物体の動画像を撮影した場合には、そのカメラ信号の表す色は対象物体のもつ色に正確に一致する。このような特徴をもつ動画のとれるカメラは現在、製作されていない。
すなわち、現在広く使われている画像システムに使用されているカメラの出力信号は、その色域がディスプレイの色域に等しくなるように処理されて出力されている。そのため対象物体の色がディスプレイの色域外の場合には色域内の色に変換して出力される。従って、ディスプレイの色域以外の色を正確な信号として取り出すことはできない。さらに、対象物体の色がたとえ色域内であっても、対象物体の元の色とは異なった色信号として表示器側に出力される。

現在、使用されている動画用カメラの原理および構成を説明する。カメラは集光器、分光器、複数の受光器より構成された受光部を主要素として成り立つ。受光部に入射した光はレンズ系よりなる集光器により集められ、分光フィルタよりなる分光器で複数の波長域に分光される。各波長域の信号は、複数の受光器を通してＲＧＢの３原色に変換される。ここで、複数の受光器を一枚のシリコン基板チップ上に２次元マトリクス状に配置することにより、受光部の表面に結像された対象物体の画像が認識される。この形式の受光器はＣＣＤとして公知である。

本発明の背景を説明する第１の特許文献として特開２００２−５４９９４号「撮像装置、撮像表示システムおよび撮像印刷システム」を挙げることができる。特開２００２−５４９９４号において、集光器には球状レンズと導波路を使用して入射光を効率よく分光器に出力している。ここで、分光器には回折格子、プリズム、フォトニック結晶、あるいは酸化膜、誘電体膜、高分子膜等によって構成された膜フィルタを使用している。
複数の受光器は、一枚のシリコン基板チップにより構成したＣＣＤイメージングデバイスを使用して構成している。

同上分光器ではＣＩＥ色度図上で色度域を４領域〜１１領域に分割して対象物体の色を求め、対象物体の元の色とは異なった色信号が表示器側に出力されるという色再現上の制約を取り除こうとしている。このような、現在実現されているマルチバンド広色域カメラは具体的に４枚以上の多数の色フィルタを使って対象物体の色のスペクトル情報を取得し、これらのスペクトルから物体の色を推定している。色のスペクトル分布は自然物体と人工物体とでは異なるので、このような色の推定は正確でない。更に、対象物体の色をスペクトル情報から算出するための演算量が大変多いのが問題である。
特開２００２−５４９９４号公報

本発明の背景を説明する第２の特許文献として特開平６−２６１３３２号「多原色表示用原色変換方法」を挙げることができる。特開平６−２６１３３２号においては、３原色表示用の信号を３原色を越える多原色表示用の信号に変換する２つの演算方法を提供している。この方式では入力された３原色がＣＩＥ色度図上でいかなる位置にあるかを判定器により判定する。
第１の方法では判定結果によって変換される３原色を越える多原色の中から３つの色を選びだして、それらの一次結合を演算処理装置により生成する。第２の方法では、判定結果によって変換される３原色を越える多原色信号を、３原色信号の一次結合としてすべて演算処理装置により求めて出力しておく。この多原色信号の中から３つの色を選び出す。それ以外の色の出力が負になるときには、その出力を零にするとともに補正信号を用意し、上の選び出された３つの原色信号の一次結合に対して補正信号を加算して出力する。

これらの多原色表示用原色変換方法では、演算処理に使用される一次結合の変数に仮定値を与えているため、変数値を与える具体的根拠と方法が現実に指定されないかぎり、具体的に動画用のカメラに実用されるのは不可能である。さらに、このままでは動画カメラのリアルタイムの要求も現実には満足されない。
特開平６−２６１３３２号公報

人の色域と等しい色域をもつ動画を撮像することのできる動画用カメラは未だ存在していないが、人の色域についての解析は理論的に構築されている。
例えば、Ａ．Ｎ．Ｎetravali and Ｂ．Ｇ．Ｈaskell著“Ｄigital Ｐictures （ディジタル画像）”（1988, Plenum Press）によれば、Chapter1: Numerical Representation
of Visual Information （第１章 視覚情報の数値表現）において、計算方式が要約して提示されている。スペクトルで表した色の３つの刺激値は、色マッチング関数 （color matching function ）と呼ばれるが、この関数〔ｒ（λ），ｇ（λ），ｂ（λ）〕は与えられた３原色に関する３つの刺激値である。例えば、３原色波長を７００．０ｎｍ（Ｒ₀ ），５４６．１ｎｍ（Ｇ₀ ），４３５．８ｎｍ（Ｂ₀ ）としたときの、色マッチング関数（ｒ₀ （λ），ｇ₀ （λ），ｂ₀ （λ））を人の色域を表すものとして波長に対してプロットすることができる。

Ｒ₀ Ｇ₀ Ｂ₀ を使用してＣＩＥ色度図上のＸＹＺを求めれば、次の（１）式が成り立つ。
Ｘ＝２．３６５Ｒ₀ −０．５１５Ｇ₀ ＋０．００５Ｂ₀
Ｙ＝−０．８９７Ｒ₀ ＋１．４２６Ｇ₀ −０．０１４Ｂ₀ （１）
Ｚ＝−０．４６８Ｒ₀ ＋０．０８９Ｇ₀ ＋１．００９Ｂ₀

次に、ＸＹＺからＲ₀ Ｇ₀ Ｂ₀ を求めれば（２）式が得られる。
Ｒ₀ ＝０．４９０Ｘ＋０．１７７Ｙ
Ｇ₀ ＝０．３１０Ｘ＋０．８１３Ｙ＋０．０１Ｚ （２）
Ｂ₀ ＝０．２００Ｘ＋０．０１０Ｙ＋０．９９０Ｚ

一般論として３原色（Ｒ₀ Ｇ₀ Ｂ₀ （ベクトル））の（Ｘ，Ｙ，Ｚ（ベクトル））刺激値座標をそれぞれ（Ｘ_R0，Ｙ_R0，Ｚ_R0）、（Ｘ_G0，Ｙ_G0，Ｚ_G0）、（Ｘ_B0，Ｙ_B0，Ｚ_B0）とすれば、次のベクトルを表す（３）式が得られる。
Ｒ₀ ＝Ｘ_R0Ｘ＋Ｙ_R0Ｙ＋Ｚ_R0Ｚ
Ｇ₀ ＝Ｘ_R0Ｘ＋Ｙ_R0Ｙ＋Ｚ_R0Ｚ （３）
Ｂ₀ ＝Ｘ_B0Ｘ＋Ｙ_B0Ｙ＋Ｚ_B0Ｚ
なお、上記（３）式において、Ｒ₀ Ｇ₀ Ｂ₀ およびＸ，Ｙ，Ｚは、ベクトルである。
同様にして、刺激値（Ｒ_C ，Ｇ_C ，Ｂ_C ）および（Ｘ_C ，Ｙ_C ，Ｚ_C ）をもつ任意の色刺激値Ｃ（ベクトル）は次の（４）式により与えられる。
Ｃ＝Ｒ_C Ｒ₀ ＋Ｇ_C Ｇ₀ ＋Ｂ_C Ｂ₀ ＝Ｘ_C Ｘ＋Ｙ_C Ｙ＋Ｚ_C Ｚ （４）
上記（４）式において、Ｃ，Ｒ₀ Ｇ₀ Ｂ₀ およびＸ，Ｙ，Ｚは、ベクトルである。
基本的に演算処理は上の理論によって実現されるので、上記理論式と、人の視感度特性によって動画用カメラを設計することになる。
Ａ．Ｎ．Ｎetravali and Ｂ．Ｇ．Ｈaskell，"Ｄigital Ｐictures "（1988, Plenum Press），１〜８７頁

解決しようとする問題点は、動画用カメラにおいて、人の色域とカメラの色域とが等しくないため、カメラ出力信号の表す色が物体のもつ色と一致しない点である。
本発明の目的は、人の色域とカメラの色域とを等しくするのに適した本件出願人の開発に係るフィルタを用いて、カメラ出力信号の表す色が物体のもつ色と一致させることができる人の色域と等しい色域をもつ動画カメラを提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明による動画カメラは、ＣＩＥが定めたＸＹＺ等色関数と下記の特定マトリクスに示された関係で線形変換して得られる分光感度を基にした３枚の色フィルタを備え、これらの色フィルタを通過した光学像を光学センサで電気信号に変換することにより、得られた電気信号を簡易な構成の演算処理装置により処理して、対象物体の色についての色度値を得る動画カメラである。
記
特定マトリクス

本発明による請求項１記載の動画カメラは、
対象物体からの光学実像を入射して内部で光学投影像を形成するためのレンズ系と、
前記レンズ系から入射した光ビームをそれぞれ等しい強度になるように３分割して光出力を得るための光ビームスプリッタと、
前記光ビームスプリッタの光出力に対応して設けられ、ＣＩＥが定めたＸＹＺ等色関数と前記特定マトリクスに示された関係で線形変換して得られる分光感度を基にした３枚の色フィルタと、
前記３枚の色フィルタに対応して設けられ、内部走査により順次、光学像を電気像に変換するための３枚の光学センサと、
前記３枚の光学センサの出力電気信号を入力して、人の色域と等しい映像信号を生成するための演算処理装置とを具備して構成されている。

本発明による請求項２記載の動画カメラは、
対象物体からの光学実像を入射して内部で光学投影像を形成するためのレンズ系と、
前記レンズ系から入射した光ビームをそれぞれ等しい強度になるように３分割して光出力を得るための第１の光ビームスプリッタと、
前記光ビームスプリッタの光出力に対応して設けられ、ＣＩＥが定めたＸＹＺ等色関数と前記特定マトリクスに示された関係で線形変換して得られる分光感度を基にした３枚の色フィルタと、
前記３枚の色フィルタに対応して設けられ、前記各色フィルタの光出力を画素単位、または行単位あるいは列単位に３原色よりなる色信号を空間分割して出力するための光マスクを備えた第２の光ビームスプリッタと、前記第２の光ビームスプリッタの光マスクに密着して設けられ、前記光マスクに対応して画素単位、または行単位あるいは列単位に空間分割の整列をとり、前記光出力の光学像を入力して順次、電気像に変換するための光学センサと、
前記光学センサの出力電気信号を入力して、前記空間分割された電気信号から上記のＳ1 ，Ｓ2 ，Ｓ3 の分光特性に基づく映像信号に戻し、人の色域と等しい映像信号を生成するための演算処理装置とを具備して構成されている。

本発明による請求項３記載の動画カメラは、
対象物体からの光学実像を入射して内部で光学投影像を形成するためのレンズ系と、
前記レンズ系の光出力に対応して設けられ、３画素単位にマイクロブロックを形成し、前記マイクロブロック単位で空間分割され、ＣＩＥが定めたＸＹＺ等色関数と前記特定マトリクスに示された関係で線形変換して得られる分光感度を基にした３枚の色フィルタと、前記分光感度に対応したマイクロブロックをもつ色フィルタに対応して密着して設けられ、内部走査により順次、光学像を電気像に変換するための光学センサと、
前記マイクロブロック単位で空間分割された光学センサの出力電気信号を入力し上記のＳ1 ，Ｓ2 ，Ｓ3 の分光特性に基づく映像信号に戻し、人の色域と等しい映像信号を生成するための演算処理装置とを具備して構成されている。

現在までのところ、人と等しい色域をもつ動画カメラは実現されていないが、本発明の動画カメラは、３つの色フィルタにより分光情報を取り出すことにより、それらの理論計算により正確に色情報を得ることができるので、その演算処理はスペクトル情報から求めるものに比べて演算量が少なく、動画を容易にリアルタイムで映像信号化できるという利点がある。

以下図面等を参照して本発明による装置の実施の形態を説明する。
本発明による装置は、人の色域と等しい色域をもつ動画用カメラを実現するという目的を、必要最小限の３つの色フィルタ（前述の分光特性Ｓ1 ，Ｓ2 ，Ｓ3 ）により分光情報を取り出し、これらの分光情報を使うことにより少ない演算量で容易にリアルタイムで動画を映像信号化した。実施例の説明の前に、本願発明で用いる色フィルタについて説明する。

図５は本発明による装置で使用する色フィルタの分光特性を示すグラフである。
図中のＳ1 ，Ｓ2 ，Ｓ3 は、ＣＩＥが定めたＸＹＺ等色関数と前述の特定マトリクスに示された関係で線形変換して得られる分光感度を基にした３枚の色フィルタの特性をそれぞれ示している。
Ｓ1 は、ピーク波長が５８２ｎｍで、１／２幅が５２３〜６２９ｎｍ，１／１０幅が４９１〜６６３ｎｍである。
Ｓ2 は、ピーク波長が５４３ｎｍで、１／２幅が５０６〜５８９ｎｍ，１／１０幅が４６４〜６３２ｎｍである。
Ｓ3 は、ピーク波長が４４６ｎｍで、１／２幅が４２３〜４７８ｎｍ，１／１０幅が４０９〜５０８ｎｍである。
なお、前記分光特性は、それぞれのピーク波長が４ｎｍ，３ｎｍ，７ｎｍの範囲で移動しても実質的に画質は損なわれない。

図１は、本発明による動画カメラの原理的構成を示すブロック図である。動画カメラはレンズ系１と、光ビームスプリッタ２と、
前述の３つの色フィルタ３〜５（Ｓ1,Ｓ2,Ｓ3 の特性をもつフィルタ以下同様）と、３つの光学センサ７〜９と、演算処理装置１１とを備えて構成したものである。
レンズ系１は対象物体１２からの入射光を、光ビームスプリッタ２を介して光学センサ７〜９の表面に結像させ、その倒立像をセンサ７〜９の光電変換面上に生成する。色フィルタ３〜５はそれぞれ異なった波長域の、ＣＩＥが定めたＸＹＺ等色関数と特定マトリクスに示された関係で線形変換して得られる分光感度に等しい波長域成分の光ビームを通過させる。光ビームスプリッタ２は単純な構成例を示したが、各色フィルタ３〜５に入射する光パワーの比が明確である必要がある。３つの光学センサ７〜９は入射光に対して光電変換を行い、対象物体１２に対応した投影像をその光電変換面上に形成する。光学センサ７〜９はそれぞれＣＣＤイメージングデバイスなどの広い色域に対して十分な感度特性をもつものとする。

３つの光学センサ７〜９から得られた、それぞれ異なった色フィルタ３〜５に対応する色域の実像の映像信号は、それぞれ演算処理装置１１に入力される。演算処理装置１１は高速で動作し、対象物体１２の色についての色度値をリアルタイムで得る。演算処理装置１１による演算は、例えばＡ．Ｎ．Ｎetravali and Ｂ．Ｇ．Ｈaskell著“Ｄigital
Ｐictures ”（1988, Plenum Press） Ｃhapter1: Ｎumerical Ｒepresentation of
Ｖisual Ｉnformation に記載の方法に従った、前記計算方式と理論的概念によって計算される。

以上の説明を要約すると、本発明による動画カメラを小型、軽量化して実現するには、具体的に次の第１、または第２の方式を採用する。

図２は、本発明による動画カメラの一実施例を示すブロック図である。図２において、１は光学系、２は光ビームスプリッタ、３〜５はそれぞれ色フィルタ、２’は第２の光ビームスプリッタ、７’は光学センサ、１１’は演算処理装置である。第２の光ビームスプリッタ２’には、各フィルタ３〜５の出力光がＣＣＤイメージングデバイスのマトリクスアレイの画素単位、または行あるいは列単位に対応したマスク２１〜２３を備えていて、ＣＣＤイメージングデバイス等により成り立つ光学センサ７’に対して空間分割を行う。したがって、上記構成によって分光された光ビームが上記マスクに密着した光学センサ７’上に入力され、分光された光学像が形成される。
上記画素単位の分割を実現する方法にはＣＲＴで公知のシャドウマスクがあり、行単位あるいは列単位の分割を実現する方法には単板式ＣＣＤカメラで公知のストライプフィルタがある。

第１の方式では、レンズより成る光学系１を通して得られた光学像を光ビームスプリッタ２によってさらに３方向に分配し、それぞれの光路上に３つの異なった波長域特性をもった色フィルタ３〜５に挿入する。それぞれの色フィルタ３〜５を通った３つの光学像を第２の光ビームスプリッタ２’によって集め、ひとつのセンサ７’上に空間分割等の方法で、順次結像させる。光学センサ７’から得られた映像信号に対し演算処理装置１１’により必要な演算を施し、Ｓ1 ，Ｓ2 ，Ｓ3 の分光特性に基づく信号を得る。
このとき、第２の光ビームスプリッタ２’および光センサ７’には空間分割を実現するためのマスク２１〜２３を備えている。したがって、このカメラ方式では空間解像度は犠牲になる。レジストレーションを除けば比較的容易に実現でき、リアルタイム性も実現できる。

図３は、本発明による光色域動画カメラの他の実施例を示すブロック図である。図３において、１は光学系、３”は３つの画素をひとつのマイクロブロックとしてそれぞれ異なった波長域特性をもった色フィルタ、７”はＣＣＤイメージングデバイス等のマトリクスアレイより成り立つ光学センサ、１１”は演算処理装置である。図３の色フィルタ３”では、３つの画素のひとつに対応してＣＩＥ色度図上の異なった３つの波長域特性をもつ色フィルタ膜を空間分割により形成してある。したがって、たとえば、ひとつのマイクロブロックの各セグメントの波長域特性は、ＣＩＥが定めたＸＹＺ等色関数と特定マトリクスに示された関係で線形変換して得られる分光感度のいずれかである。図４は色フィルタの詳細な構成の実施例を示す説明図である。

第２の方式では、光学センサ７”の直前におかれたタイル状に並んだ３つの色フィルタセグメント（この実施例ではＳ1,Ｓ2,Ｓ3 のストライプのくりかえし）を通して光学センサ７”により画像信号を取得し、これに前記（１）〜（４）式にもとづいた適切な演算を行ってＳ1 ，Ｓ2 ，Ｓ3 の分光特性に基づく信号を得る。通常のＲＧＢカメラではＲＧＢの色フィルタが光学センサの直前におかれている。この色フィルタをＣＩＥが定めたＸＹＺ等色関数と特定マトリクスに示された関係で線形変換して得られる分光感度特性をもつフィルタ３つと置き換えることで上記構成が実現できる。従来のカメラと同様に小型でリアルタイムの実現ができる方法である。

原理的には次の方法もある。すなわち、カメラの光学センサの直前に３つのフィルタを配置した円盤を回転させて光学像を電気信号に変換する。時間的に異なる３つの画像信号を演算して、ひとつの画像信号を得る。このフィルタを回転させる方法は色彩輝度計などに使われているが、１枚の画像を取得するために時間がかかり、動画像の取得には向かない。

上述のように対象物体の色情報を３つの色フィルタと演算処理装置により広い色域の画像情報を取得することもできる。

以上詳しく説明した実施例について、本発明の範囲内で種々の変形を施すことができる。使用フィルタとして特定マトリクスによる場合を示したが、必ずしもこのような線形変換によらない変換を行なった場合であっても、段落（００１８）に示す範囲内にあるものは、実質的に特定マトリクスに基づくものと解されるべきであり、マトリクス変換以外の変換を排除する趣旨ではない。

人の色域と等しい色域をもつ動画カメラの用途は極めて広く、例えば人間に代わる役目をするロボット、手術などの外科医療現場、絵画のような美術品、その他、人の感性や視覚が求められる分野で利用が期待される。

人の色域に等しい色域をもつ動画カメラの基本原理を示す説明図である。 ３つの色フィルタを使った動画カメラの第１の実施例を示す説明図である。 １つの色フィルタを使った動画カメラの第２の実施例を示す説明図である。 動画カメラの第２の実施例に使用する色フィルタの構成例を示す説明図である。 本願装置で使用する３つの色フィルタの特性を示すグラフである。

符号の説明

１ レンズ系
２，２’ 光ビームスプリッタ
３〜５，３” 色フィルタ
７〜９，７’，７” 光学センサ
１１，１１’，１１” 演算処理装置
２１〜２３ 光マスク

Claims (3)

1. 対象物体からの光学実像を入射して内部で光学投影像を形成するためのレンズ系と、
   前記レンズ系から入射した光ビームをそれぞれ等しい強度になるように３分割して光出力を得るための光ビームスプリッタと、
   前記光ビームスプリッタの光出力に対応して設けられ、ＣＩＥが定めたＸＹＺ等色関数と下記特定マトリクスに示された関係で線形変換して得られる分光感度を基にした３枚の色フィルタと、
   前記３枚の色フィルタに対応して設けられ、内部走査により順次、光学像を電気像に変換するための３枚の光学センサと、
   前記３枚の光学センサの出力電気信号を入力して、人の色域と等しい映像信号を生成するための演算処理装置と
   を具備し、人の色域と等しい色域をもつ動画カメラ。
   記
   特定マトリクス
   

   
2. 対象物体からの光学実像を入射して内部で光学投影像を形成するためのレンズ系と、
   前記レンズ系から入射した光ビームをそれぞれ等しい強度になるように３分割して光出力を得るための光ビームスプリッタと、
   前記光ビームスプリッタの光出力に対応して設けられ、ＣＩＥが定めたＸＹＺ等色関数と下記特定マトリクスに示された関係で線形変換して得られる分光感度を基にした３枚の色フィルタと、
   前記３枚の色フィルタに対応して設けられ、前記各色フィルタの光出力を画素単位、または行単位あるいは列単位に３原色よりなる色信号を空間分割して出力するための光マスクを備えた第２の光ビームスプリッタと、前記第２の光ビームスプリッタの光マスクに密着して設けられ、前記光マスクに対応して画素単位、または行単位あるいは列単位に空間分割の整列をとり、前記光出力の光学像を入力して順次、電気像に変換するための光学センサと、
   前記光学センサの出力電気信号を入力して、前記空間分割された電気信号から下記のＳ1 ，Ｓ2 ，Ｓ3 の分光特性に基づく映像信号に戻し、人の色域と等しい映像信号を生成するための演算処理装置と
   を具備し、人の色域と等しい色域をもつ動画カメラ。
   記
   特定マトリクス
   

   
3. 対象物体からの光学実像を入射して内部で光学投影像を形成するためのレンズ系と、
   前記レンズ系の光出力に対応して設けられ、３画素単位にマイクロブロックを形成し、前記マイクロブロック単位で空間分割され、ＣＩＥが定めたＸＹＺ等色関数と下記特定マトリクスに示された関係で線形変換して得られる分光感度を基にした３枚の色フィルタと、前記分光感度に対応したマイクロブロックをもつ色フィルタに対応して密着して設けられ、内部走査により順次、光学像を電気像に変換するための光学センサと、
   前記マイクロブロック単位で空間分割された光学センサの出力電気信号を入力し下記のＳ1 ，Ｓ2 ，Ｓ3 の分光特性に基づく映像信号に戻し、人の色域と等しい映像信号を生成するための演算処理装置と
   を具備し、人の色域と等しい色域をもつ動画カメラ。
   記
   特定マトリクス
   

   

Images