JP2005331320A - 天空率および日照時間算出システム、および、算出プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 熟練した技術無しに、簡易に、正確な天空率などを算出する。
【解決手段】 システム１０は、少なくとも何れかの画像に、太陽が写し込まれ、少なくとも何れかの画像に垂直線が含まれ、かつ、それぞれの画像において、隣接する画像との間で２つの重複点が設定された複数の写真画像の画像データを記憶する記憶装置２０と、写真画像中の太陽の位置、垂直線上の任意の２点の位置、および／または、重複点の位置に基づいて、写真画像の左右の向き、写真画像中、写真画像の重複点で囲まれた領域に相当する区分画像の任意の点の仰角および方位角を算出する高度／方位角算出部１２と、区分画像中の画素値に基づいて、天空部分を抽出し、算出された左右方向の向き、仰角および方位角に基づいて、区分画像中の任意の微小領域の立体角投射率を算出し、天空部分に含まれる微小領域の立体角投射率を積算することにより天空率を算出する天空率算出部１６とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽を含んだ天空の撮影画像に基づいて、天空率および日照時間を算出するシステムおよびプログラムに関する。

建築基準法の改正により、建物の建築基準に天空率が導入されている。したがって、建築物を建築する際などにおいて、天空率を算出することが重要になっている。天空率とは、被照面の一点から天空を見るときに建物などの障害物を除いて実際に見える割合をいい、天空要素の水平面に対する立体角投射率に相当する。また、日照時間とは、日の出から日没までの間で、快晴時に実際に日照のある時間をいう。以下に述べるように、本実施の形態においては、一点（特に、屋内の日照時間を問題にする場合には、窓際）に直射日光が照射する時数が求められる。
「だれにもわかる日影規制とその対策」（武井正昭、オーム社、１９７８年） 第５４頁〜第６１頁、第１１１頁〜第１２９頁 「日本建築学会設計計画パンフレット ２４ 日照の測定と検討」（日本建築学会編、彰国社 昭和５２年）

たとえば、特許文献１や特許文献２には、魚眼レンズを装着したカメラを、光軸を垂直方向に向けて撮影し、撮影された写真画像から日照時間を算出する手法が紹介されている。しかしながら、方向を正確に測定し、或いは、光軸が垂直方向になるようにカメラの向きを設定するなど、撮影には熟練した技術が必要である。

また、得られた写真画像に基づいて、魚眼レンズの射影方式にしたがって、太陽軌道を記入する際にも熟練した技術が必要である。また、方向の測定誤差や光軸の誤差により、記入された太陽軌道から算出される日照時間も誤差が多いという問題点があった。

本発明は、熟練した技術無しに、簡易に、正確な天空率および日照時間を算出することができるシステムおよびプログラムを提供することを目的とする。

本発明の目的は、複数の写真画像であって、少なくとも何れかの画像に、太陽が写し込まれているとともに、少なくとも何れかの画像に垂直線が含まれ、かつ、それぞれの画像において、隣接する画像との間で２つの重複点が設定された写真画像の画像データを記憶する記憶装置と、前記写真画像中の太陽の位置、垂直線上の任意の２点の位置、および／または、重複点の位置に基づいて、写真画像の左右の向き、写真画像中、写真画像の重複点で囲まれた領域に相当する区分画像の任意の点の仰角および方位角を算出する位置情報算出手段と、前記区分画像中の画素値に基づいて、天空部分を抽出する天空部分抽出手段と、前記位置情報算出手段により算出された左右方向の向き、仰角および方位角に基づいて、区分画像中の任意の微小領域の立体角投射率を算出し、前記天空部分に含まれる微小領域の立体角投射率を積算することにより天空率を算出し、算出された天空率を記憶装置に記憶する天空率算出手段と、を備えたことを特徴とする天空率算出システムにより達成される。

好ましい実施態様においては、カメラの水平姿勢が保たれた状態で複数の写真画像の全てが撮影されている場合に、前記位置情報算出手段が、写真画像中の任意の点の仰角および方位角を算出するように構成されている。

別の好ましい実施態様においては、前記位置情報算出手段が、処理対象となる区分画像および隣接する区分画像の情報にしたがって、算出すべき未知数、および、当該未知数を得るための条件式を選択するように構成されている。

また、本発明の目的は、魚眼レンズにて撮影された写真画像であって、少なくとも太陽が写し込まれるとともに、垂直線が含まれる写真画像の画像データを記憶する記憶装置と、前記写真画像中の太陽の位置、垂直線上の任意の２点の位置に基づいて、前記魚眼レンズの左右方向の回転角、写真画像中の任意の点の迎角および方位角を算出する位置情報算出手段と、
前記写真画像の重複点で囲まれた領域に相当する区分画像において、前記区分画像中の画素値に基づいて、天空部分を抽出する天空部分抽出手段と、前記位置情報算出手段により算出された左右方向の向き、仰角および方位角に基づいて、区分画像中の任意の微小領域の立体角投射率を算出し、前記天空部分に含まれる微小領域の立体角投射率を積算することにより天空率を算出し、算出された天空率を記憶装置に記憶する天空率算出手段と、を備えたことを特徴とする天空率算出システムにより達成される。

本発明の別の実施態様においては、上述した天空率算出システムと、前記太陽の位置、撮影時刻、並びに、撮影場所の経度および緯度に基づいて、太陽軌道を算出する太陽軌道算出手段と、前記区分画像中の天空部分に相当する領域と、太陽軌道とを対応付けて、前記天空部分を通る太陽軌道の部分を特定して、日照時間を算出する日照時間を算出する日照時間算手段とを備えたことを特徴とする日照時間算出システムが提供される。

また、本発明の目的は、複数の写真画像であって、少なくとも何れかの画像に、太陽が写し込まれているとともに、少なくとも何れかの画像に垂直線が含まれ、かつ、それぞれの画像において、隣接する画像との間で２つの重複点が設定された写真画像の画像データを記憶する記憶装置を備えたコンピュータより読み出し可能なコンピュータプログラムであって、前記コンピュータを、前記写真画像中の太陽の位置、垂直線上の任意の２点の位置、および／または、重複点の位置に基づいて、写真画像の左右の向き、写真画像中、写真画像の重複点で囲まれた領域に相当する区分画像の任意の点の仰角および方位角を算出する位置情報算出手段、前記区分画像中の画素値に基づいて、天空部分を抽出する天空部分抽出手段、並びに、前記位置情報算出手段により算出された左右方向の向き、仰角および方位角に基づいて、区分画像中の任意の微小領域の立体角投射率を算出し、前記天空部分に含まれる微小領域の立体角投射率を積算することにより天空率を算出し、算出された天空率を記憶装置に記憶する天空率算出手段として機能させることを特徴とする天空率算出プログラムにより達成される。

好ましい実施態様においては、カメラの水平姿勢が保たれた状態で複数の写真画像の全てが撮影されている場合に、前記コンピュータを位置情報算出手段として機能させる際に、写真画像中の任意の点の仰角および方位角を算出するように、前記コンピュータを動作させる。

別の好ましい実施態様においては、前記コンピュータを位置情報算出手段として機能させる際に、処理対象となる区分画像および隣接する区分画像の情報にしたがって、算出すべき未知数、および、当該未知数を得るための条件式を選択するように、前記コンピュータを動作させる。

また、本発明の目的は、魚眼レンズにて撮影された写真画像であって、少なくとも太陽が写し込まれるとともに、垂直線が含まれる写真画像の画像データを記憶する記憶装置を備えたコンピュータにより読み出し可能なコンピュータプログラムであって、前記コンピュータを、前記写真画像中の太陽の位置、垂直線上の任意の２点の位置に基づいて、前記魚眼レンズの左右方向の回転角、写真画像中の任意の点の迎角および方位角を算出する位置情報算出手段、前記写真画像の重複点で囲まれた領域に相当する区分画像において、前記区分画像中の画素値に基づいて、天空部分を抽出する天空部分抽出手段、並びに、前記位置情報算出手段により算出された左右方向の向き、仰角および方位角に基づいて、区分画像中の任意の微小領域の立体角投射率を算出し、前記天空部分に含まれる微小領域の立体角投射率を積算することにより天空率を算出し、算出された天空率を記憶装置に記憶する天空率算出手段として機能させることを特徴とする天空率算出プログラムによっても達成される。

別の好ましい実施態様においては、前記コンピュータを、前述した天空率算出プログラムを構成する手段として機能させ、かつ、前記コンピュータを、前記太陽の位置、撮影時刻、並びに、撮影場所の経度および緯度に基づいて、太陽軌道を算出する太陽軌道算出手段、並びに、前記区分画像中の天空部分に相当する領域と、太陽軌道とを対応付けて、前記天空部分を通る太陽軌道の部分を特定して、日照時間を算出する日照時間を算出する日照時間算手段として機能させることを特徴とする日照時間算出プログラムが提供される。

本発明によれば、熟練した技術無しに、簡易に、正確な天空率および日照時間を算出することができるシステムおよびプログラムを提供することが可能となる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる天空率／日照時間算出システムの構成を示すブロックダイヤグラムである。図１に示すように、天空率／日照時間算出システム（以下、単に「システム」とも称する。）１０は、天空率等の算出対象となった地点からの撮影画像の画像データ等を記憶する記憶装置１２と、画像データを取り込んで、高度および方位角を算出する高度／方位角算出部１４と、画像中の天空部分を分離する天空部分分離部１６と、分離された天空部分の画像に基づいて、天空率を算出する天空率算出部１８と、天空部分と太陽軌道とに基づいて日照時間を算出する日照時間算出部２０とを備えている。また、天空率／日照時間算出システム１０は、キーボードやマウスなどの入力装置２２および表示装置２４を備えている。

本実施の形態にかかる天空率／日照時間算出システムは、パーソナルコンピュータに、所定のプログラムをインストールすることにより実現される。高度／方位角算出部１４、天空部分分離部１６、天空率算出部１８および日照時間算出部２０の機能は、記憶装置１２に記憶されたプログラムにより実現される。また、記憶装置１２には、算出された天空率や日照時間が格納される。

まず、本実施の形態において用意される撮影画像について説明する。撮影者は、ディジタルカメラなどを領して以下の手順で画像を撮影する。
（１）まず、任意の位置で１枚目の画像を撮影する。
（２）次いで、１枚目の画像に隣接するように２枚目の画像を撮影する。ここでは、通常の連続写真と同様に、撮影者は同じ視点から撮影し、かつ、隣接する写真が、少なくとも一部で重なり合うようにしておく。
（３）２枚目の写真と同様に、３枚目以降も、隣接する写真と少なくとも一部が重なり合うようにして撮影を続ける。
（４）少なくとも１枚の写真には、太陽が写り込むようにする。なお、太陽が写り込む画像は、他の写真と同様にＮＤフィルタ未装着で撮影したもの、および、ＮＤフィルタ装着で撮影したものの２種類を用意する。
（５）以下のいずれかのケースが生じた場合に、撮影は終了する。
i)写真に写り込む対象が天空のみとなった場合。
ii)撮影位置から見えるすべての天空の画像の撮影が終了した場合。

なお、本実施の形態においては、このようにして撮影者により撮影された個々の撮影画像から、後述する重複点で囲まれた領域を抽出することにより得られた画像を「区分画像」と称する。

太陽が写り込んだ区分画像の光軸点の方位角を求めるために、以下のいずれかの手法が採用される。
（ａ）上記（１）〜（５）において説明した撮影プロセスにおいて、少なくとも何れかの区分画像が、カメラの光軸或いはカメラの左右の傾きを水平に保持して撮影される。
（ｂ）後述するシステムの処理において、ある写真画像において、垂直線（子午線）を手動で設定する。ここで、垂直線を設定する写真画像には、撮影の際に、建物の垂直線や下げ振りによる垂直線を写し込んでおくのが望ましい。また、複数の写真画像に垂直線を入れておくことにより、誤差を減じることが可能となる。なお、上記（ａ）の条件を満たして撮影された写真画像、或いは、（ｂ）にあるように垂直線が含まれる写真画像を、本実施の形態において、「基準画像」と称する。

以下、本実施の形態にかかるシステムを利用した天空率および日照時間の算出原理を説明する。
（１）天球を、同一の視点から撮影した複数の平面の区分画像で表わす。
（２）隣接する区分画像は、双方の区分画像に写し込まれた共通の２点（これを「重複点」と称する）の高度および方位角の情報を用いて繋げられる。

この区分画像の接続において、最も効率がよいのは、ある写真画像のそれぞれの角付近の４点を設定し、隣接する右側の写真画像との間では、右列の２点を重複点とし、隣接する上側の写真画像との間では、上行の２点を重複点とする（さらに、左側および下側に隣接する写真画像との間でも同様に重複点を設定する）場合である。

つまり、写真画像中の４点を結んだ４つの線分（対角線を除く）で切り取った四角形を、区分画像として、高度方向および方位角方向に繋いでいくのが最も望ましい。なお、隣接する区分画像は、重複点における高度の情報および方位角の情報が一致するだけであり、実際の３次元空間上で繋がるものではないことに留意すべきである。
（３）それぞれの写真画像の任意の２点の、絶対空間における高度（水平０）、方位角（南０）が判れば、その写真画像内のすべての点の高度および方位角を決定することができる。たとえば、写真画像の中央点（光軸点に相当する）の高度、方位角を代表として利用することができる。
（４）一連の区分画像から、天空部分のみが抽出され、天空率が算出される。
（５）天空部分と太陽軌道の重なりから、日照時間が算出される。

以下、より詳細に、本実施の形態にかかる天空率／日照時間算出システムにおいて実行される処理について説明する。

前述したように、操作者は、隣接する写真画像を選択し、表示装置の画面上に表示させて、双方の画像において２点の重複点を選び、これを登録する（図２のステップ２０１）。システム１０は、２つの写真画像のそれぞれの重複点の座標（写真画像中の相対座標）を、写真画像と対応付けて、記憶装置１２に記憶する（ステップ２０２）。この処理が、全ての隣接する画像について繰り返される。重複点の選択が終了すると（ステップ２０３でイエス(Yes)）、操作者は、ある写真画像を基準画像と決定し、写真画像中、垂直線に相当する部分を指定する（ステップ２０４）。システム１０は、決定された写真画像について、垂直線の座標を、当該写真画像と関連付けて、記憶装置１２に記憶する（ステップ２０５）。なお、隣接する写真画像の間で全ての重複点が設定されることにより、写真画像中の４つの重複点で囲まれる領域である区分画像を繋げていくことが可能となる。

システム１０は、操作者からの処理開始の指示を受信すると、図３に示すような処理を実行する。

図３に示すように、本実施の形態においては、システム１０の高度／方位角算出部１４は、記憶装置１２から、１または複数の写真画像のデータ（画像データ）を取り込み（ステップ３０１）、画像データ中の未知数を特定し（ステップ３０２）、当該未知数を解くための条件式のパラメータの値を取得した上で（ステップ３０３）、条件式を解いて未知数を算出する（ステップ３０４）。算出された未知数は、記憶装置１２に記憶される（ステップ３０５）。このような処理を、全ての写真画像の画像データについて実行する（ステップ３０６参照）。

区分画像中に太陽或いは垂直線が含まれているか否か、若しくは、撮影時にカメラの水平位置が確保されていたか否かなどに応じて、ステップ３０２の未知数の数が変動する。以下、具体的に、幾つかの場合について詳細に説明する。
［区分画像に太陽および垂直線が含まれる場合］
（１）この場合、未知数は、以下の３つのパラメータとなる。

θ_e：区分画像（カメラ）の左右方向の傾き
h₀ ：区分画像（カメラ）の仰角
w₀：区分画像（カメラ）の方位角（真南０°）
（２）また、３つのパラメータを解くための３つの条件式は、以下の（式１）〜（式３）となる。

このように、３つの条件式から、上記３つのパラメータを解くことができる。

図４（ａ）および図４（ｂ）は、それぞれ、写真画像における極座標、および、仰角と焦点距離を示す図である。式３は、写真画像に含まれる子午線（垂直線）の上端および下端の方位角が等しいことを示している。

また、図５は、写真画像に含まれる子午線（垂直線）および太陽の関係を示す図、図６は、各パラメータの関係を示す図である。図６に示すように、未知数がわかることにより、写真画像中の任意の１点の位置を表わすことが可能となる。
［隣接する区分画像（区分画像２）に、太陽或いは垂直線が含まれる場合］
（１）この場合には、未知数は、以下の６つのパラメータとなる。

θ_e1 ：区分画像１（カメラ）の左右方向の傾き
h₀₁
：区分画像１（カメラ）の仰角
w₀₁
：区分画像１（カメラ）の方位角（真南０°）
θ_e2 ：区分画像２（カメラ）の左右方向の傾き
h₀₂
：区分画像２（カメラ）の仰角
w₀₂
：区分画像２（カメラ）の方位角（真南０°）
（２）上記６つのパラメータを解くための条件式は、以下の（式４）〜（式１０）となる。

実際には、式４〜式６から、画像２（つまり、太陽或いは垂直線が含まれる画像）の位置関係が定まり、重複点を介して、区分画像１の位置関係が求まる。つまり、式４〜式６から求める位置関係については、上述した「区分画像に太陽および垂直線が含まれる場合」と同様である。図７は、区分画像１と区分画像２の位置関係を示す図である。
［カメラの水平姿勢が確保されていた場合］
（１）この場合には、区分画像の傾きは０°であるため、未知数は、以下の２つのパラメータとなる。

h₀ ：区分画像（カメラ）の仰角
w₀：区分画像（カメラ）の方位角（真南０°）
（２）上記２つのパラメータを解くための条件式は、以下の（式１１）および（式１２）となる。

図８（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、この場合の写真画像上の極座標、仰角と焦点距離を示す図である。

なお、他の隣接する区分画像においても、重複点の条件（つまり、双方の方位角および高度が同一であること）を加えれば、同様に、全ての未知数（各区分画像における左右の傾き、方位角、仰角）を算出することが可能となる。

区分画像の数、未知数、条件式の数は、以下の関係を有する。

区分画像数＝２：未知数：３×２＝６
条件式の数：２×１（重複点の数）×２（高度および方位角）
＋３（太陽の位置および垂直線）＝７
区分画像数＝３：未知数：３×３＝９
条件式の数：２×２（重複点の数）×２（高度および方位角）
＋３（太陽の位置および垂直線）＝１１
区分画像数＝４：未知数：３×４＝１２
条件式の数：２×３（重複点の数）×２（高度および方位角）
＋３（太陽の位置および垂直線）＝１５
区分画像数＝５：未知数：３×５＝１５
条件式の数：２×４（重複点の数）×２（高度および方位角）
＋３（太陽の位置および垂直線）＝１９
このように、未知数の数＜条件式の数となるため、未知数を求めることが可能である。なお、区分画像が、基準画像と離間するにしたがって、上述するように未知数は増加するので、実際には、太陽が写し込まれた画像と、基準画像（垂直線が設定された画像）は隣接しているのが望ましい。

このようにして、区分画像の傾き、区分画像中の任意の位置の仰角、真南を０°とした場合の方位角を求めることが可能となる。

次に、システム１０の天空部分分離部１６の処理について説明する。図９（ａ）に示すように、天空部分分離部１６は、写真画像の画像データを記憶装置１２から取り出し（ステップ９０１）、画像データ中、区分画像を構成する画素のそれぞれの輝度および色度に基づいて、一定の輝度および色度を有するものを、天空部分として抽出する（ステップ９０２）。天空部分の画素の情報（たとえば、区分画像中の画素の位置）は、記憶装置１２に記憶される（ステップ９０３）。このような処理を、全ての写真画像の画像データについて実行する（ステップ９０４参照）。

このような処理の後、天空率算出部１８により天空率が算出される。より詳細には、図９（ｂ）に示すように、区分画像の画像データのうち、天空部分を構成する画素に関する情報を取り出す（ステップ９１１）。次いで、天空率算出部１８は、画素の面積ｄＳ、画素の高度ｈ、および、当該画素が含まれる写真画像の画像中心の光軸と、画素と視点とを結ぶベクトルとのなす角αを取得して（ステップ９１２）、以下の（式１３）を用いて、立体角投射率を算出する（ステップ９１３）。ここにいう画素の高度ｈは、画素の実際の高度である。

立体角投射率＝ｄＳ＊cosα＊sinｈ （式１３）
上記式１３において、角αは、先に算出された画素の高度、方位角および左右方向の傾きを利用して得ることができる。また、「cosα＊sinｈ」は、画素の面積に対する重みに相当する。

天空率算出部１８は、取得された各画素の天空率照射率を記憶する（ステップ９１４）。このような処理を、全ての写真画像の画像データについて実行し（ステップ９１５参照）、最終的に、得られた各区分画像中の画素の天空率照射率を積算することにより、天空率を算出する（ステップ９１６）。なお、算出された天空率は、記憶装置１２に記憶される（ステップ９１７）
天空率が算出されると、日照時間算出部２０が、以下のような手順で太陽の方位角を求める。図１０に示すように、日照時間算出部２０は、撮影場所の緯度および経度を得る（ステップ１００１）。緯度および経度を、操作者が入力しても良い。或いは、他の手段により、システム１０の記憶装置１２に、緯度および経度を予め記憶させておいても良い。次いで、撮影時刻の標準時Ｔが、真太陽時Ｔｓに変換される（ステップ１００２）。これは、以下の（式１４）を用いて得ることができる。

Ｔｓ＝Ｔ＋ｅ＋（Ｌ−１３５）×４分 （式１４）
ここに、ｅは均時差、Ｌは、撮影場所の軽度である。

次いで、日照時間算出部２０は、時角ｔを算出する（ステップ１００３）。時角ｔは、以下の（式１５）に基づいて得ることができる。

Ｔｓ＝１２．０＋ｔ／１５ （式１５）
その後、太陽高度sinｈｓおよび太陽方位角sinＡｓが、それぞれ、（式１６）および（式１７）にしたがって算出される（ステップ１００４）。

sinｈｓ＝sinφ・sinδ＋cosφ・cosδ・cosｔ （式１６）
ここに、ｈｓは太陽高度、θは緯度、δは太陽赤緯
sinＡｓ＝cosθ・sinｔ／cosｈｓ （式１７）
次いで、日照時間算出部２０は、得られた太陽高度および方位角を、区分画像上の各画素の高度および方位角と対応付け、これにより区分画像上の太陽軌道を求める（ステップ１００５）。次いで、区分画像上に現れる太陽軌道から、日照時間が算出される（ステップ１００６）。算出された日照時間は、記憶装置１２に記憶される。

このように、本実施の形態によれば、通常のディジタルカメラなどにて撮影した写真画像を用いて、正確な天空率を算出し、かつ、天空部分を通る太陽軌道から日照時間を算出することが可能となる。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。第１の実施の形態においては、通常のディジタルカメラなどを利用して撮影した画像に基づいて、区分画像をつなぎ合わせ、各区分画像中の位置を算出している。これに対して、第２の実施の形態では、カメラに魚眼レンズを装着し、レンズを上方に向けて撮影した画像を利用する。以下、魚眼レンズにより撮影した写真（魚眼写真）の座標系の変換について説明する。

絶対座標系において、Ｘ軸は東西軸、Ｙ軸は南北軸、Ｚ軸は垂直軸であると考える。魚眼レンズ中の座標系（魚眼座標系）のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のそれぞれと、絶対座標軸のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のそれぞれとの間のずれを見出すことにより、魚眼座標系の位置を、絶対座標系の位置に変換することが可能となる。

たとえば、図１１に示すように、絶対系座標の魚眼写真は、当該絶対系座標のＺ軸（Ｚ’軸）まわりに方位角ｗ_０だけ回転することで、絶対座標系のＹ軸（Ｙ’軸）と魚眼座標系のＹ軸（Ｙ_１軸）とを一致させ（この状態を「系１」と称する。）、Ｘ軸（Ｘ_１軸）まわりに仰角ｈ０だけ回転させることにより、絶対座標系のＺ軸（Ｚ’軸）と魚眼座標系のＺ軸（Ｚ_２軸）とを一致させ（この状態を「系２」と称する。）、かつ、Ｙ軸（Ｙ_２軸）まわりにθだけ回転させることにより、最終的に、絶対座標系の全ての軸と、魚眼座標系の全ての軸とを一致させることができる（この状態を、「系３」とも称する。）。

実際には、魚眼レンズを装着したカメラにより撮影された画像中の任意の点は、魚眼座標系で表わされる。したがって、
（１）Ｘ軸が水平方向になるように、Ｙ軸まわりにθだけ回転
（２）Ｚ軸が垂直方向になるように、Ｘ軸まわりに仰角ｈ０だけ回転
（３）Ｙ軸が南北方向となるように、Ｚ軸まわりに方位角Ｗｏだけ回転
を実現することにより、任意の点を絶対座標系で表わすことが可能となる。なお、撮影時にカメラのＸ軸が水平になるように維持されている場合には、（２）のプロセスは不要となる。

なお、本実施の形態においては、魚眼レンズの射影方式は等距離射影であり、図１２の極座標によると、（式１８）により、（式１９）に示す「ｕ」を求めることができる。

以下、魚眼系座標（ｕ，ｖ）により、魚眼レンズで撮影された画像中の位置を示す。

絶対座標系における任意の点ｐは、以下の（式２０）〜（式２２）で表わすことができる。

方位角Ｗ_０だけ回転した状態である「系１」における点ｐは、以下の（式２３）〜（式２５）で表わされる。

仰角ｈ_０だけ回転した状態である「系２」における点ｐは、以下の（式２６）〜（式２８）で表わされる。

魚眼座標系においては、点Ｐは、以下の（式２９）、（式３０）で表わされる。

また、魚眼座標系において、系３における点ｐをＹ軸まわりにθだけ回転させた状態（系２）は、以下の(式３１)、（式３２）で表わされる。

最終的には、（式２６）、（式２３）および（式１３）より、（式３３）が得られ、（式２８）、（式３２）、（式２４）および（式２５）より、（式３４）が得られる。

第２の実施の形態においても、魚眼レンズを装着したカメラにて画像を撮影し、かつ、太陽の位置を確認するためにフィルタを装着した状態でも、画像を撮影しておく。これら画像の画像データは、記憶装置１２に記憶される。

太陽が撮影された画像において、太陽方位角をＷｓ、太陽高度をｈｓとする。なお、これらは、時刻、緯度および経度より算出され、絶対系座標で表わすことが出来る。また、太陽の位置の魚眼系座標を（Ｈ_ｓｆ、ｗ_ｓｆ）とする。

当該写真画像においては、第１の実施の形態と同様に、写真画像において垂直線が写し込まれるようにするのが望ましい。また、操作者は、入力装置を操作して、記憶装置１２に記憶された写真画像のデータを読み出して、表示装置の画面上に写真画像を表示させ、垂直線を設定しておく。設定された垂直線の情報（垂直線の両端の魚眼系座標（ｈ_１ｆ，ｗ_１ｆ），（ｈ_２ｆ，ｗ_２ｆ））は、記憶装置１２に記憶される。

第２の実施の形態にかかる高度／方位角算出部１４も、第１の実施の形態と同様に、写真画像のデータ（画像データ）を取り込み、画像データ中の未知数を特定し、当該未知数を解くための条件式のパラメータの値を取得した上で、条件式を解いて未知数を算出する（ステップ３０４）。算出された未知数は、記憶装置１２に記憶される。これらの処理は、図３のステップ３０１〜ステップ３０５に相当する。なお、第２の実施の形態においては、単一の写真画像のデータに対してのみ処理を施せばよい。

第２の実施の形態においては、未知数および条件式は、以下のように表わされる。
（１）未知数は、絶対座標系で、以下の６つとなる。

ｗ_０：カメラの方位角（真南０°）
ｈ_０：カメラの仰角
θ：カメラの左右方向の回転角
ｈ_１：垂直線上の第１の指示点（たとえば、一方の端点）
ｈ_２：垂直線上の第２の指示点（たとえば、他方の端点）
ｗ_１２：垂直線上の双方の指示点の方位角
（２）上記６つのパラメータを解くための６つの条件式は、以下の（式３５）〜（式４０）となる。

このように、６つの条件式から６つのパラメータを解くことができる。このようにして、写真画像中の任意の位置の方位角、迎角、真南を０°とした場合の方位角を求めることが可能となる。以下、天空部分分離部１６による天空部分の分離、天空率算出部１８による天空率の算出、および、日照時間算出部２０による日照時間の算出は、第１の実施の形態と同様に実現することができる。

第２の実施の形態において、魚眼レンズを利用することで、単一の写真画像（実際には、フィルタを使用して太陽位置が確認できるような写真画像と、通常の写真画像）のみを利用して、正確な天空率および日照時間を算出することが可能となる。

本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。

１は、本発明の第１の実施の形態にかかる天空率／日照時間算出システムの構成を示すブロックダイヤグラムである。 図２は、本実施の形態において操作者による設定およびシステムによる処理を示すフローチャートである。かかる支援サーバの構成をより詳細に示すブロックダイヤグラムである。 図３は、本実施の形態にかかるシステムにおいて実行される処理を示すフローチャートである。 図４（ａ）および図４（ｂ）は、それぞれ、写真画像における極座標、および、仰角と焦点距離を示す図である。 図５は、写真画像に含まれる子午線（垂直線）および太陽の関係を示す図である。 図６は、各パラメータの関係を示す図である。 図７は、区分画像１と区分画像２の位置関係を示す図である。 図８（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、この場合の写真画像上の極座標、仰角と焦点距離を示す図である。 図９（ａ）は、本実施の形態にかかる天空部分分離部にて実行される処理を示すフローチャート、図９（ｂ）は、天空率算出部にて実行される処理を示すフローチャートである。 図１０は、本実施の形態にかかる日照時間算出部にて実行される処理を示すフローチャートである。 図１１は、第２の実施の形態における座標系の変換を説明する図である。

符号の説明

１０ 天空率・日照時間算出システム
１２ 高度／方位角算出部
１４ 天空部分分離部
１６ 天空率算出部
１８ 日照時間算出部
２０ 記憶装置

Claims (10)

1. 複数の写真画像であって、少なくとも何れかの画像に、太陽が写し込まれているとともに、少なくとも何れかの画像に垂直線が含まれ、かつ、それぞれの画像において、隣接する画像との間で２つの重複点が設定された写真画像の画像データを記憶する記憶装置と、
   前記写真画像中の太陽の位置、垂直線上の任意の２点の位置、および／または、重複点の位置に基づいて、写真画像の左右の向き、写真画像中、写真画像の重複点で囲まれた領域に相当する区分画像の任意の点の仰角および方位角を算出する位置情報算出手段と、
   前記区分画像中の画素値に基づいて、天空部分を抽出する天空部分抽出手段と、
   前記位置情報算出手段により算出された左右方向の向き、仰角および方位角に基づいて、区分画像中の任意の微小領域の立体角投射率を算出し、前記天空部分に含まれる微小領域の立体角投射率を積算することにより天空率を算出し、算出された天空率を記憶装置に記憶する天空率算出手段と、を備えたことを特徴とする天空率算出システム。
2. カメラの水平姿勢が保たれた状態で複数の写真画像の全てが撮影されている場合に、前記位置情報算出手段が、写真画像中の任意の点の仰角および方位角を算出するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の天空率算出システム。
3. 位置情報算出手段が、処理対象となる区分画像および隣接する区分画像の情報にしたがって、算出すべき未知数、および、当該未知数を得るための条件式を選択するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の天空率算出システム。
4. 魚眼レンズにて撮影された写真画像であって、少なくとも太陽が写し込まれるとともに、垂直線が含まれる写真画像の画像データを記憶する記憶装置と、
   前記写真画像中の太陽の位置、垂直線上の任意の２点の位置に基づいて、前記魚眼レンズの左右方向の回転角、写真画像中の任意の点の迎角および方位角を算出する位置情報算出手段と、
   前記写真画像の重複点で囲まれた領域に相当する区分画像において、前記区分画像中の画素値に基づいて、天空部分を抽出する天空部分抽出手段と、
   前記位置情報算出手段により算出された左右方向の向き、仰角および方位角に基づいて、区分画像中の任意の微小領域の立体角投射率を算出し、前記天空部分に含まれる微小領域の立体角投射率を積算することにより天空率を算出し、算出された天空率を記憶装置に記憶する天空率算出手段と、を備えたことを特徴とする天空率算出システム。
5. 請求項１ないし請求項６の何れか一項に記載の天空率算出システムと、
   前記太陽の位置、撮影時刻、並びに、撮影場所の経度および緯度に基づいて、太陽軌道を算出する太陽軌道算出手段と、
   前記区分画像中の天空部分に相当する領域と、太陽軌道とを対応付けて、前記天空部分を通る太陽軌道の部分を特定して、日照時間を算出する日照時間を算出する日照時間算手段とを備えたことを特徴とする日照時間算出システム。
6. 複数の写真画像であって、少なくとも何れかの画像に、太陽が写し込まれているとともに、少なくとも何れかの画像に垂直線が含まれ、かつ、それぞれの画像において、隣接する画像との間で２つの重複点が設定された写真画像の画像データを記憶する記憶装置を備えたコンピュータより読み出し可能なコンピュータプログラムであって、前記コンピュータを、
   前記写真画像中の太陽の位置、垂直線上の任意の２点の位置、および／または、重複点の位置に基づいて、写真画像の左右の向き、写真画像中、写真画像の重複点で囲まれた領域に相当する区分画像の任意の点の仰角および方位角を算出する位置情報算出手段、
   前記区分画像中の画素値に基づいて、天空部分を抽出する天空部分抽出手段、並びに、
   前記位置情報算出手段により算出された左右方向の向き、仰角および方位角に基づいて、区分画像中の任意の微小領域の立体角投射率を算出し、前記天空部分に含まれる微小領域の立体角投射率を積算することにより天空率を算出し、算出された天空率を記憶装置に記憶する天空率算出手段として機能させることを特徴とする天空率算出プログラム。
7. カメラの水平姿勢が保たれた状態で複数の写真画像の全てが撮影されている場合に、前記コンピュータを位置情報算出手段として機能させる際に、写真画像中の任意の点の仰角および方位角を算出するように、前記コンピュータを動作させることを特徴とする請求項６に記載の天空率算出プログラム。
8. 前記コンピュータを位置情報算出手段として機能させる際に、処理対象となる区分画像および隣接する区分画像の情報にしたがって、算出すべき未知数、および、当該未知数を得るための条件式を選択するように、前記コンピュータを動作させることを特徴とする請求項６に記載の天空率算出プログラム。
9. 魚眼レンズにて撮影された写真画像であって、少なくとも太陽が写し込まれるとともに、垂直線が含まれる写真画像の画像データを記憶する記憶装置を備えたコンピュータにより読み出し可能なコンピュータプログラムであって、前記コンピュータを、
   前記写真画像中の太陽の位置、垂直線上の任意の２点の位置に基づいて、前記魚眼レンズの左右方向の回転角、写真画像中の任意の点の迎角および方位角を算出する位置情報算出手段、
   前記写真画像の重複点で囲まれた領域に相当する区分画像において、前記区分画像中の画素値に基づいて、天空部分を抽出する天空部分抽出手段、並びに、
   前記位置情報算出手段により算出された左右方向の向き、仰角および方位角に基づいて、区分画像中の任意の微小領域の立体角投射率を算出し、前記天空部分に含まれる微小領域の立体角投射率を積算することにより天空率を算出し、算出された天空率を記憶装置に記憶する天空率算出手段として機能させることを特徴とする天空率算出プログラム。
10. 前記コンピュータを、請求項６ないし９の何れか一項に記載の手段として機能させ、かつ、前記コンピュータを、
    前記太陽の位置、撮影時刻、並びに、撮影場所の経度および緯度に基づいて、太陽軌道を算出する太陽軌道算出手段、並びに、
    前記区分画像中の天空部分に相当する領域と、太陽軌道とを対応付けて、前記天空部分を通る太陽軌道の部分を特定して、日照時間を算出する日照時間を算出する日照時間算手段として機能させることを特徴とする日照時間算出プログラム。

Images