JP2006003772A - Stereoscopic image pickup display system - Google Patents
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Description
本発明は、立体撮像表示システムに関し、特に、観察装置からの視差画像に基づき立体観察すると同時に、3次元形状を再構成して任意の視点から見た立体画像を表示する機能を有する立体撮像表示システムに関するものである。 The present invention relates to a stereoscopic imaging display system, and in particular, stereoscopic imaging display having a function of reconstructing a three-dimensional shape and displaying a stereoscopic image viewed from an arbitrary viewpoint simultaneously with stereoscopic observation based on a parallax image from an observation device. It is about the system.
従来、双眼の電子画像顕微鏡として、特許文献1、特許文献2、特許文献3に開示されたものがある。これらの双眼実体顕微鏡は3次元画像を取り込むことはできるが、形状の測定はできなかったり、両眼による観察はシャッター眼鏡を掛ける等の特殊な観察が必要であった。また、特許文献4には、形状、特に高さのみではあるが、2つの電子画像から形状を測定する方法が開示されている。
しかしながら、従来は、眼鏡等を必要とせずに広い視域で立体像を観察しつつ3次元形状を取得できる観察装置はなかった。 However, conventionally, there has been no observation apparatus that can acquire a three-dimensional shape while observing a stereoscopic image in a wide viewing zone without requiring glasses or the like.
本発明は従来技術のこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、立体観察が可能な観察装置で撮像された視差画像から立体観察すると共に、その視差画像に基づいて3次元形状を再構成して任意の視点から見た立体画像を表示可能にした立体撮像表示システムを提供することである。 The present invention has been made in view of such a situation in the prior art, and an object of the present invention is to perform stereoscopic observation from a parallax image captured by an observation apparatus capable of stereoscopic observation and to perform three-dimensional observation based on the parallax image. It is an object of the present invention to provide a stereoscopic imaging display system that can reconstruct a shape and display a stereoscopic image viewed from an arbitrary viewpoint.
上記目的を達成する本発明の立体撮像表示システムは、観察物体に対して視差を有する少なくとも2つの光軸を形成し、かつ、対応する少なくとも2つの撮像素子上に観察物体の像を結像する全体で正の屈折力を有する結像光学系を備え、かつ、前記少なくとも2つの撮像素子により撮像された視差画像から対応点探索することにより物体の形状を3次元再構築する3次元再構築部を有する立体撮像表示システムにおいて、
左右の視差画像を表示する一対の表示素子と、前記一対の表示素子に表示された視差画像を射出瞳を経て同一平面上に投影する一対の投影手段と、前記平面又はその近傍に配置された表示パネルであって、前記各投影手段の射出瞳の像を観察用の瞳位置に結像する結像手段と拡散作用を奏して前記各投影手段の射出瞳の像を観察用の瞳位置で拡大する拡散手段とを有する表示パネルとを備え、
前記3次元再構築部で3次元再構築された物体を任意の視点位置における両眼で見た視差画像を前記一対の表示素子に表示可能に構成されていることを特徴とするものである。
The stereoscopic imaging display system of the present invention that achieves the above object forms at least two optical axes having parallax with respect to an observation object, and forms an image of the observation object on at least two corresponding imaging elements. A three-dimensional reconstruction unit that includes an imaging optical system having a positive refractive power as a whole, and that three-dimensionally reconstructs the shape of an object by searching for corresponding points from parallax images captured by the at least two image sensors. In a stereoscopic imaging display system having
A pair of display elements for displaying left and right parallax images, a pair of projection means for projecting parallax images displayed on the pair of display elements on the same plane through an exit pupil, and the plane or the vicinity thereof A display panel, and an imaging means for forming an image of an exit pupil of each projection means at an observation pupil position and a diffusion action, and an image of the exit pupil of each projection means at an observation pupil position A display panel having diffusing means for expanding,
The parallax image obtained by viewing the object three-dimensionally reconstructed by the three-dimensional reconstructing unit with both eyes at an arbitrary viewpoint position can be displayed on the pair of display elements.
この場合に、結像手段をフレネルレンズ又はフレネルミラーで構成すると共に、そのフレネルレンズ又はフレネルミラーの光軸が表示パネルの中心に対して偏心して配置されているようにすることが望ましい。 In this case, it is desirable that the imaging means is constituted by a Fresnel lens or a Fresnel mirror, and the optical axis of the Fresnel lens or Fresnel mirror is arranged eccentrically with respect to the center of the display panel.
まが、少なくとも2つの撮像素子により撮像された視差画像又は3次元再構築部で3次元再構築された物体形状データを記録する記録部を備えていることが望ましい。 In addition, it is desirable to include a recording unit that records a parallax image captured by at least two image sensors or object shape data that is three-dimensionally reconstructed by a three-dimensional reconstruction unit.
また、表示パネルに表示される3次元再構築された立体画像を観察物体が載置される水平面上に投影した場合の方位角と観察物体の方位角との間の差Δφが、
−10°<Δφ<10° ・・・(1)
を満たすことが望ましい。
Further, the difference Δφ between the azimuth angle when the three-dimensional reconstructed stereoscopic image displayed on the display panel is projected on the horizontal plane on which the observation object is placed and the azimuth angle of the observation object is:
−10 ° <Δφ <10 ° (1)
It is desirable to satisfy.
また、表示パネルの中心と観察物体の中心を結ぶ方向と垂直線とで決まる見下ろし角θと、表示パネルに表示される3次元再構築された立体画像に対する視線の見下ろし角θとの間の差Δθが、
−30°<Δθ<30° ・・・(2)
を満たすことが望ましい。
Further, the difference between the look-down angle θ determined by the direction connecting the center of the display panel and the center of the observation object and the vertical line, and the look-down angle θ of the line of sight with respect to the three-dimensional reconstructed stereoscopic image displayed on the display panel. Δθ is
−30 ° <Δθ <30 ° (2)
It is desirable to satisfy.
また、表示パネルに表示される3次元再構築された立体画像に対する視線の垂直線に対する見下ろし角θが、
0°<θ<60° ・・・(3)
を満たすことが望ましい。
In addition, the look-down angle θ with respect to the vertical line of sight with respect to the three-dimensional reconstructed stereoscopic image displayed on the display panel is
0 ° <θ <60 ° (3)
It is desirable to satisfy.
また、表示パネルに表示される3次元再構築された立体画像を任意の視点位置における両眼で見た立体画像に変更する手段を備えていることが望ましい。 In addition, it is desirable to include means for changing the three-dimensionally reconstructed stereoscopic image displayed on the display panel to a stereoscopic image viewed with both eyes at an arbitrary viewpoint position.
また、表示パネルは観察物体に対して位置が変更に可能に構成されており、表示パネルの観察物体に対する位置に応じて、表示パネルに表示される3次元再構築された立体画像の視点位置を変更するようにすることが望ましい。 Further, the display panel is configured to be able to change the position with respect to the observation object, and the viewpoint position of the three-dimensional reconstructed stereoscopic image displayed on the display panel is determined according to the position of the display panel with respect to the observation object. It is desirable to make changes.
また、複数の表示パネルを備えており、各々の表示パネルの観察物体に対する位置に応じて、各々の表示パネルに表示される3次元再構築された立体画像を任意の視点位置における両眼で見た立体画像に変更するようにすることが望ましい。 In addition, a plurality of display panels are provided, and a three-dimensional reconstructed stereoscopic image displayed on each display panel is viewed with both eyes at an arbitrary viewpoint position according to the position of each display panel relative to the observation object. It is desirable to change to a stereoscopic image.
さらに、以上において、結像光学系の観察物体に対して視差を有する少なくとも2つの光軸間の観察物体位置でなす内向角αが、
α<12° ・・・(4)
を満足することが望ましい。
Furthermore, in the above, the inward angle α formed by the observation object position between at least two optical axes having parallax with respect to the observation object of the imaging optical system is
α <12 ° (4)
It is desirable to satisfy
本発明においては、視差画像が撮影可能な装置によって撮像された視差画像に基づいて観察物体の3次元物体形状が再構築され、その再構築された3次元物体形状から任意の視点位置において見た立体画像が、シャッター機能を有する眼鏡等を用いることなしに比較的広い観察範囲で容易に観察することができる表示パネル上に再現されるため、視差画像から再構築された観察物体を任意の方向から見た立体画像として立体表示することができるようになる。 In the present invention, the three-dimensional object shape of the observation object is reconstructed based on the parallax image captured by a device capable of capturing a parallax image, and viewed from an arbitrary viewpoint position from the reconstructed three-dimensional object shape. Since a stereoscopic image is reproduced on a display panel that can be easily observed in a relatively wide observation range without using glasses or the like having a shutter function, an observation object reconstructed from a parallax image can be in any direction. 3D can be displayed as a 3D image viewed from the above.
以下に実施例に基づいて本発明の立体撮像表示システムはを説明する。 The stereoscopic imaging display system of the present invention will be described below based on examples.
双眼顕微鏡としては、単対物レンズで左右の光路が平行になるタイプであって、左右に2つの変倍光学系を持つタイプ(図1(a))と左右共通の1つの変倍光学系を持つタイプ(図1(b))等の例がある。また、左右の光路がV字型に構成されたタイプ(図2)も知られている。何れも少なくとも2つの結像光学系に対して少なくとも2つの撮像素子を配置し、それぞれの撮像素子から少なくとも2枚の視差を有する2次元画像が得られる。なお、図1、図2において、双眼顕微鏡自体は符号10で、また、対物レンズは符号1で、結像レンズは21 、22 で、変倍光学系は3、31 、32 で、撮像素子は41 、42 でそれぞれ示す。これらの符号の添字の“1 ”、“2 ”はそれらの素子が複数ある場合の配置位置(光路)を区別するためのもので、左右の2つの光路の場合は、左右の素子の区別を意味する。また、図1、図2において、観察物体は符号Oで示してある。なお、図2の構成においては、左右の変倍光学系31 、32 が左右の対物レンズを兼ねている。
A binocular microscope is a type in which the left and right optical paths are parallel with a single objective lens, and a type having two variable power optical systems on the left and right (FIG. 1 (a)) and a common variable power optical system on the left and right. There is an example of the type (FIG. 1B) and the like. A type (FIG. 2) in which the left and right optical paths are configured in a V shape is also known. In any case, at least two imaging elements are arranged for at least two imaging optical systems, and a two-dimensional image having at least two parallaxes is obtained from each imaging element. 1 and 2, the binocular microscope itself is denoted by
このような双眼顕微鏡10の少なくとも2つの撮像素子41 、42 からの映像信号は、図3に示すように、2つの2次元表示素子111 、112 に表示し、その2つの2次元視差画像をそれぞれ投影光学系121 、122 によって表示パネル15上に同時に投影して、観察者の左右の眼球(瞳)EL、ERに別々に見えるようにして、物体Oの立体観察を可能にする。
Video signals from at least two
ここで、本発明において用いるこのような両眼立体観察装置30について説明する。
Here, such a binocular
図4に、図1、図2のような視差像撮像装置(双眼顕微鏡)10の少なくとも2つの撮像素子41 、42 からの映像信号を2つの2次元表示素子111 、112 に表示し、その2つの2次元視差画像を表示パネル15上に同時に投影して物体Oの立体表示を可能にする両眼立体観察装置30の構成を示す。ここで、図4(a)は透過型両眼立体観察装置の概略構成図、図4(b)は反射型両眼立体観察装置の概略構成図である。なお、図4(b)では、便宜上右眼用の構成についてのみ示してあり、左眼用の構成は省略してある。
4 displays video signals from at least two
図4(a)、(b)に示す両眼立体観察装置30は、表示素子111 、112 と、投影光学系121 、122 と、結像光学系13と、その観察側に密着あるいはわずかに離間して配置れた拡散板14とを備えて構成されている。結像光学系13と拡散板14とで表示パネル15を構成している。
The binocular
投影光学系121 、122 は、表示素子111 、112 に表示された視差画像を観察者側に投影する。このとき、投影された画像が表示パネル15の同一の表示面に投影するように、光学系が構成されている。結像光学系13はその同一の表示面近傍に配置されている。そして、投影光学系121 、122 の射出瞳161 、162 を観察者側に投影する。観察者は投影された射出瞳像の位置に左右の眼の瞳EL、ERを一致させることで、表示素子111 、112 に表示された画像を観察することができる。拡散板14は、観察用の瞳を拡大する作用を有している。また、結像光学系13と拡散板14は表示面位置に配置されている。
The projection
表示面位置は、投影光学系121 、122 で投影される表示素子111 、112 の画像の結像位置となっている。そして、この結像位置に配置された結像光学系13としては、透過型両眼立体観察装置(図4(a))では、フレネルレンズ(凸レンズ)が、反射型両眼立体観察装置(図4(b))ではフレネルミラー(凹面鏡)が設けられている。また、拡散板14としては、指向性のあるHOE散乱膜や、フレネルミラーの入射面あるいはフレネルレンズの射出面に形成された指向性の拡散面で構成されている。
The display surface position is an image formation position of the image of the
フレネルミラー、フレネルレンズは、それぞれ2つの射出瞳161 、162 の像を観察者側に結像するようになっている。これらのフレネル面は、表示面位置(あるいはその近傍)に配置されているため、投影された映像の画質は劣化しないで、高い解像力で観察することができる。また、凹面鏡とは異なり、平板状に配置されている。 The Fresnel mirror and the Fresnel lens are designed to form images of two exit pupils 16 1 and 16 2 on the viewer side, respectively. Since these Fresnel surfaces are arranged at the display surface position (or in the vicinity thereof), the image quality of the projected image can be observed with high resolution without deterioration. Moreover, unlike a concave mirror, it is arrange | positioned at flat form.
図5(a)は、上記両眼立体観察装置30において、射出瞳像(観察用の瞳)が拡大される原理を示す説明図である。なお、図5(a)では、透過型の両眼立体観察装置の構成を用いている。
FIG. 5A is an explanatory diagram illustrating the principle by which the exit pupil image (observation pupil) is magnified in the binocular
表示パネル15の平面状の表示面位置又はその近傍には、結像光学系13と共に拡散板14が配置されている。図5(a)において、結像光学系13は、左右の投影光学系121 、122 の射出瞳161 、162 の径Φ0 をΦ0 ’の大きさで、観察者側の所定の位置に結像する作用を有している。この所定の位置は、観察者の眼球(瞳)瞳EL、ERが位置する所である。ここで、拡散板14は、その拡散作用により、本来Φ0 ’の大きさで結像されるべき射出瞳161 、162 の瞳像(左右の投影光学系121 、122 の射出瞳161 、162 の像)をΦ1 の大きさに拡大するようになっている。なお、拡散板14により拡大された左右の射出瞳像は、それぞれが重なり合わないように、その位置と径が設定されている。この拡散板14による拡散作用は、透過型両眼立体観察装置では表示面位置に設けられた拡散板14を1回だけ透過するので1回だけ作用し、反射型両眼立体観察装置(図5では不図示)では表示面位置に設けられた拡散光学系を2回透過するため2回作用する。
A
図5(b)、(c)に、左右の観察用の瞳内の明るさ分布を示す。瞳内の分布のタイプには、図5(b)に示すように均一の場合と、図5(c)に示すようにガウス分布に近い場合がある。何れの場合の構成においても、左右の瞳の重なり合う部分の光強度を十分に小さくして、実質上、重なりがない状況にすることが重要である。特に、図5(b)、(c)に示すように、左右の瞳の重なり合う部分の光強度が10分の1を下回るように構成することが望ましい。このため、左右の投影装置201 、202 の画像を、それぞれ独立した状態で観察者の左右の瞳EL、ERに提示可能となりメガネなしでの立体観察が可能になる。
FIGS. 5B and 5C show the brightness distribution in the left and right observation pupils. The type of distribution in the pupil may be uniform as shown in FIG. 5B or close to a Gaussian distribution as shown in FIG. In any case, it is important to make the light intensity of the overlapping portion of the left and right pupils sufficiently small so that there is substantially no overlapping. In particular, as shown in FIGS. 5B and 5C, it is desirable that the light intensity of the overlapping portion of the left and right pupils is less than 1/10. Therefore, the images of the left and
図6は本発明において用いる両眼立体観察装置30の1例を示す図である。図6(a)は、上方から見た概略構成図、図6(b)は図6(a)の側面図である。本例の両眼立体観察装置30は、透過型に構成されている。表示パネル15の表示面位置には、結像光学系13が配置されている。結像光学系13は、投影光学系121 、122 の射出瞳161 、162 を、観察者側に投影する。この投影された位置に観察者の眼球(瞳)EL、ERを一致させることにより、観察者は映像の観察が行える。
FIG. 6 is a diagram showing an example of the binocular
ここで、結像光学系13としては、観察者側にフレネル面13aを向けたフレネルレンズが用いられている。このフレネルレンズ13の近傍には、瞳拡大のための拡散板14が配置されており、これらで透過型表示パネル15を構成している。本例では、フレネルレンズ面13aは、投影光学系121 、122 により投影された投影像の結像位置に配置されている。このため、フレネルレンズ面13aによる画質の劣化はない。拡散板14の拡散面14aは、フレネルレンズ13のフレネルレンズ面13a側に設けられている。拡散面14aは、フレネルレンズ面13aに近づけて配置されており、ボケを少なくして画質劣化を少なく抑えている。
Here, as the imaging
また、本例では、透過型表示パネル15のフレネルレンズ面13aが偏心フレネルレンズ面となっており、図6(b)に示すように、フレネルレンズ面13aの光軸が中心より下側に位置している。なお、フレネルレンズ面13aは正屈折力を有している。
In this example, the Fresnel lens surface 13a of the
本例のように、透過型表示パネル15を偏心光学系で構成すると、表示パネル面自体が厚くならずにすむ。よって、表示パネル15邪魔にならない配置が可能となる。また、本例のように、表示面位置に拡散面14a及びフレネル面13aを極力近づけて配置した方が画質劣化が少ないので好ましい。
If the
図7は本発明において用いる両眼立体観察装置30の他の例を示す説明図である。図7(a)は斜視図、図7(b)は側面図である。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing another example of the binocular
本例の両眼立体観察装置30は反射型に構成されている。そして、表示パネル15は、結像光学系13と瞳拡大のための拡散板14を備えている。結像光学系13は、具体的にはフレネルミラー14である。結像光学系13は、投影光学系121 、122 の射出瞳161 、162 を、観察者側に投影する。観察者は、この投影位置に瞳EL、ERを一致させることで映像観察ができる。
The binocular
ところで、反射型両眼立体観察装置の場合、投影光学系121 、122 と観察者の顔とが干渉しないように各光学部材を配置する必要がある。また、観察者は表示パネルを正面から見た方が観察しやすい。そこで、本例では、表示パネル15の中心へ入射する投影光の入射光軸と表示パネル15の中心から出射する光線の出射光軸との間に角度Θを持たせている。また、表示パネル15の中心に対し、フレネルミラー13の光軸を上下方向(図7においては上方向)に偏心させている。
By the way, in the case of a reflection type binocular stereoscopic observation device, it is necessary to arrange each optical member so that the projection
図8は、図7の例をより具体化した例を示す側面図である。図8の例では、投影光学系122 (121 )に球面レンズ系を用いると共に、表示素子112 (111 )をレンズの光軸から偏心させた位置に配置している。このようにすることで、投影光学系122 (121 )と観察者の顔とが干渉しないようにしている。表示パネル15は、観察者の眼及び投影光学系122 (121 )に対して垂直に配置されている。また、表示パネル面には非球面のフレネルミラーが用いられている。
FIG. 8 is a side view showing a more specific example of FIG. In the example of FIG. 8, a spherical lens system is used for the projection optical system 12 2 (12 1 ), and the display element 11 2 (11 1 ) is arranged at a position decentered from the optical axis of the lens. By doing so, the projection optical system 12 2 (12 1 ) and the observer's face are prevented from interfering with each other. The
なお、本発明において用いる両眼立体観察装置30の表示パネル15を構成する拡散板14としては、上記のように指向性のあるHOE散乱膜が使用できる。HOE散乱膜としては、透過型ホログラムを採用でき、そのために体積型ホログラム(ボリュームホログラム)を用いることができる。また、拡散板14としては、フレネルミラーの入射面あるいはフレネルレンズの射出面に形成された指向性の拡散面で構成することができ、例えば、ガラスビーズをランダムに研磨した真鍮面に吹き付けて、鏡面でかつランダムな配列からなる微小な凹面配列面を金型として、これをプラスチックからなるフレネル凹面鏡に転写して構成することができる。
As the
このように、本発明において用いる両眼立体観察装置30においては、左右の視差画像を投影する投影光学系121 、122 が備える2つの射出瞳161 、162 を、表示パネル15の結像光学系13と拡散板14の作用により観察者の左右の眼球(瞳)EL、ER近傍に投影し、観察者はこの投影された2つの射出瞳161 、162 から、投影光学系121 、122 が投影する互いに視差を有する2つの画像の中、右眼用の画像を右眼ERで、左眼用の画像を左眼ELで観察することができ、観察者はシャッター機能を有する眼鏡等を顔面に装着することなく、比較的広い観察範囲で立体画像を容易に観察することができる。
Thus, in the binocular
さらに、結像光学系13のフレネルレンズ、フレネルミラーの光軸を偏心して配置するようにすることにより、投影装置201 、202 を表示面に対して斜め方向から投影することが可能となり、表示面での反射光で画像にフレアーが入ることが回避できる。
Furthermore, by arranging the optical axes of the Fresnel lens and the Fresnel mirror of the imaging
ところで、双眼顕微鏡10の撮像素子41 、42 で撮像された少なくとも2つの視差を有する映像から、よく知られたステレオ計測法により視差を有する映像間の対応点を探索し、物体Oの立体形状を取得することができる。この計測方法は、例えば非特許文献1の第80〜96頁(「コンピュータビジョンにおけるエピポーラ幾何」)に詳細が記載されている。
By the way, a corresponding point between images having parallax is searched by a well-known stereo measurement method from images having at least two parallaxes captured by the
図9に、物体Oの立体形状を取得する3次元再構築部を備えた本発明の立体撮像表示システムの1実施例のシステム構成図を示す。この場合も、図3の構成と同じように、双眼顕微鏡10の少なくとも2つの撮像素子41 、42 からの映像信号は上記のような両眼立体観察装置30に送られ、物体Oの立体観察を可能にしている。
FIG. 9 shows a system configuration diagram of one embodiment of the stereoscopic imaging display system of the present invention provided with a three-dimensional reconstruction unit that acquires the stereoscopic shape of the object O. Also in this case, as in the configuration of FIG. 3, the video signals from the at least two
さらに、双眼顕微鏡10の少なくとも2つの撮像素子41 、42 からの映像信号は、物体Oの形状の3次元再構築を行う3次元再構築部31に入力され、この中で少なくとも2つの映像のアライメント等が行われ、対応点探索がなされ、対応点に基づいて3次元座標データが作られる。これを基に、サーフェスオブジェクトが生成され、サーフェスモデル表面にテクスチャーを投影し3次元再構築が終了する(サーフェスモデル、テクスチャーの投影等については、非特許文献2の第55〜86頁、第165〜171頁等参照)。
Further, video signals from at least two
このようにして構築されたサーフェスモデルをVRML等のフォーマットに変換すると、インターネットブラウザ等で3次元再構築された立体モデルを回転させたり、拡大したりして手軽に観察することが可能となる(VRML等のフォーマットについては、非特許文献3の第236頁等参照)。 When the surface model constructed in this way is converted into a format such as VRML, the three-dimensional model reconstructed three-dimensionally by an Internet browser or the like can be rotated or enlarged to be easily observed ( (For the format such as VRML, see page 236 of Non-Patent Document 3).
そこで、3次元再構築部31に上記のような両眼立体観察装置30を接続して、3次元再構築部31で3次元再構築された立体モデルを所望の位置(視点)から両眼で観察した視差を持つ左右の2次元画像として表示できるようにする。
Therefore, the binocular
さらに、双眼顕微鏡10の少なくとも2つの撮像素子41 、42 からの映像信号は記録装置321 、322 に接続されており、視差を持つ2次元画像2枚がそのままこの記録装置321 、322 に記録されるようになっている。
Furthermore, video signals from at least two
また、3次元再構築部31には、3次元再構築された立体モデルを記録する再構築モデル記録装置33が接続されている。
The three-
さらに、図10(a)に示すように、双眼顕微鏡10の少なくとも2つの撮像素子41 、42 からの映像信号として入力された2次元画像2枚を記録する記録装置321 、322 を双眼顕微鏡10に直接接続しておいて、2次元画像をとりあえず記録し、図10(b)に示すように、別体の3次元再構築部31に接続された2次元画像再生装置341 、342 で記録された少なくとも2つの視差を有する画像を再生させて3次元再構築部31に入力して、そこで立体モデルを3次元再構築し、さらに、3次元再構築部31に接続された両眼立体観察装置30にその立体モデルを所望の位置(視点)から観察した視差を持つ左右の2次元画像として表示するようにすることも可能である。この場合も、3次元再構築部31に3次元再構築された立体モデルを記録する再構築モデル記録装置33が接続されていてもよい。また、双眼顕微鏡10にも両眼立体観察装置30を直接接続しておき、物体Oの直接の立体観察を可能にしてもよい。
Further, as shown in FIG. 10A,
通常は、観察者が物体に対しての2つの視差を有する画像を脳の中で立体映像と認識して、立体形状を脳内に構築している。しかし、この場合は複数人で立体像を観察するには適さない。また、立体像を記録するには手軽な手法がなく、特殊な3次元表示装置を用いなければならなかった。本発明は、このような3次元表示装置なしに、リアルタイムで立体観察することも可能であるし、記録保存された視差画像から立体モデルを再構築して、任意の視点から見た立体画像を観察することも可能となる。さらに、3次元再構築されたサーフェスモデルあるいは立体モデルそのものを保存記録することも可能である。 Normally, an observer recognizes an image having two parallaxes with respect to an object as a stereoscopic image in the brain, and constructs a stereoscopic shape in the brain. However, this case is not suitable for observing a stereoscopic image by a plurality of people. In addition, there is no easy method for recording a stereoscopic image, and a special three-dimensional display device has to be used. In the present invention, it is possible to perform stereoscopic observation in real time without such a three-dimensional display device, or to reconstruct a stereoscopic model from recorded parallax images so that a stereoscopic image viewed from an arbitrary viewpoint can be obtained. It is also possible to observe. Furthermore, it is possible to save and record a three-dimensionally reconstructed surface model or a three-dimensional model itself.
図11に、本発明の立体撮像表示システムを構成する双眼顕微鏡装置の1実施例の透視図を示す。この双眼顕微鏡装置は、観察物体Oを載置する試料載置台41と、その試料載置台41の後端に立てられた支持棒42と、支持棒42に沿ってピント調節ネジ44により上下方向に移動調節可能な鏡体43と、鏡体43の下部に取り付けられ、双眼顕微鏡光学系の主として対物レンズ1を収納している鏡筒45と、鏡体43の上部に取り付けられ、3次元再構築された形状データに基づいて、あるいは、撮像素子41 、42 からの映像信号に基づいて直接、物体Oの立体像を表示する透過型両眼立体観察装置30とからなる。また、鏡体43には、変倍光学系31 、32 を調節して倍率を変更する倍率調節ネジ47が設けられている。この例では、双眼顕微鏡光学系として図1(a)に類似した光学系が用いられており、変倍光学系は31 、32 と撮像素子41 、42 の間に光路を略90°折り曲げる偏向ミラー51 、52 がそれぞれ配置されて構成されている。
FIG. 11 shows a perspective view of one embodiment of the binocular microscope apparatus constituting the stereoscopic imaging display system of the present invention. This binocular microscope apparatus includes a sample mounting table 41 on which an observation object O is mounted, a
そして、透過両眼立体観察装置30は、左右の視差像を表示する2次元表示素子111 、112 と、対応する図示を省いた投影光学系121 、122 と、左右共通の透過型表示パネル15とからなる。
The transmission binocular
このような構成に、図9に示した3次元再構築部31と、視差画像の記録装置321 、322 とが接続されている。
The three-
この実施例では、双眼顕微鏡光学系の左右の撮像素子41 、42 で撮像された視差のある映像は、3次元再構築部31に入力される。入力された視差画像はそのまま2枚の視差画像(動画)として記録される場合は、記録装置321 、322 のみに出力される。立体表示を行う場合は、2枚の視差画像はそのまま表示素子111 、112 に出力され、投影光学系121 、122 で透過型表示パネル15のフレネルレンズ13と拡散板14近傍に投影される。これにより、観察者は視差画像を左右の眼で観察することができ、立体観察が可能となる。
In this embodiment, parallax images captured by the left and
3次元再構築部31に入力された2つの視差画像からその中で2つの画像のアライメント等が行われ、対応点探索がなされ、その視差の量から3次元座標に変換され、サーフェスモデルに変換される。最後に、2次元画像の表面画像をそのサーフェスモデルに貼り付けてVRMLに変換される。
The two parallax images input to the three-
その3次元再構築された立体モデルを所望の位置(視点)から観察した視差を持つ左右の2次元画像を透過両眼立体観察装置30の表示素子111 、112 に出力して、3次元再構築された立体モデルを所望の位置から見た立体観察を可能にする。
Left and right two-dimensional images having parallax obtained by observing the three-dimensional reconstructed three-dimensional model from a desired position (viewpoint) are output to the
ところで、本発明の立体撮像表示システムでは、撮像素子41 、42 で各々2次元の電子像を取得しているために、電子的に映像を反転させたりすることが可能である。そのため、光学系で正立像を作る必要がなく、光学部品の点数が少なくできるメリットがある。しかし、図11に例示したように、特に両眼立体観察装置30が一体型の場合、観察者が観察物体Oを観察している方向と、両眼立体観察装置30に表示する立体像の表示方向とを一致させることが、物体Oに対して操作を行う用途(例えば手術)においては、特に重要である。
By the way, in the stereoscopic imaging display system of the present invention, since the two-dimensional electronic images are acquired by the
図12に示すような状態の場合、すなわち、観察物体Oが「立体」なる3次元的な文字の場合、両眼立体観察装置30の表示パネル15に表示された立体画像Iは、図13に示すように、試料載置台41上に投影した場合に、観察物体Oと同じ方位角φになるように表示することが必要である。ここで、試料載置台41の面にX座標とY座標をとり、双眼顕微鏡光学系による撮像方向(垂直方向)にZ軸をとっており、方位角φはY軸から測った角度で定義される。
In the state as shown in FIG. 12, that is, when the observation object O is a three-dimensional character “three-dimensional”, the stereoscopic image I displayed on the
特に、小型で両眼立体観察装置30を一体化した双眼顕微鏡装置では、観察者が鏡体43あるいは鏡筒45の向きを回転させて、観察物体Oと表示された立体画像Iとの向きを合わせることは非常に難しい作業となる。このため、予め両眼立体観察装置30側で表示する立体画像Iの向きを観察物体Oの向きに合わせておくことが非常に重要となる。
In particular, in a small binocular microscope apparatus in which the binocular
こうすることにより、観察物体Oに対して何らかの操作を行おうとした場合に、実際の操作方向と表示パネル15での操作方向とが一致するため、直感的に操作を行うことが可能となる。なお、3次元再構築された立体モデルの視点の変換については、非特許文献4の第86〜90頁(「ハンド・アイ校正」)に記載の方法による。つまり、表示パネル15の方向に撮像光軸の座標系を座標変換することにより可能となる。
By doing so, when an operation is performed on the observation object O, the actual operation direction and the operation direction on the
この点をもう少し説明すると、両眼立体観察装置30の表示パネル15に表示される3次元再構築された立体モデルに対する視点(この場合は、左右の眼の瞳EL、ERの中心と考える。)は、観察者が表示パネル15越しに観察物体Oを観察する方向に合わせることが重要である。3次元再構築されたサーフェスモデルの観察方向である視点の方向を表示パネル15の中心と観察物体Oの中心を結ぶ方向にそろえることが重要である。図12に示すような状態の場合、再構築した立体像は、図13に示すように表示され、表示する3次元再構築された立体モデルに対する視線(左右の視線の中間線)の方向が、図13に示すように、観察物体Oに対する視線(左右の視線の中間線)の方向と同じ方位角φ、同じ見下ろし角θになるように選んで表示することが必要である。
Explaining this point a little further, the viewpoint for the three-dimensional reconstructed stereoscopic model displayed on the
この場合、表示パネル15に表示される立体画像Iを試料載置台41上に投影した場合の方位角φと観察物体Oの方位角φとの間の差Δφは、
−10°<Δφ<10° ・・・(1)
なる条件を満たすことが好ましい。
In this case, the difference Δφ between the azimuth angle φ when the stereoscopic image I displayed on the
−10 ° <Δφ <10 ° (1)
It is preferable to satisfy the following condition.
また、表示パネル15の中心と観察物体Oの中心を結ぶ方向で決まる見下ろし角θと、表示パネル15に表示する3次元再構築された立体モデルに対する視線(左右の視線の中間線)の見下ろし角θとの間の差Δθは、
−30°<Δθ<30° ・・・(2)
なる条件を満たすことが好ましい。
Also, the look-down angle θ determined by the direction connecting the center of the
−30 ° <Δθ <30 ° (2)
It is preferable to satisfy the following condition.
また、3次元再構築された立体モデルに対する視線(左右の視線の中間線)のZ軸から測った角度で定義される見下ろし角θ(図13)は、
0°<θ<60° ・・・(3)
なる条件を満足することが望ましい。
Also, the look-down angle θ (FIG. 13) defined by the angle measured from the Z axis of the line of sight (intermediate line of the left and right lines of sight) for the three-dimensional reconstructed solid model is
0 ° <θ <60 ° (3)
It is desirable to satisfy the following conditions.
方位角の差Δφと見下ろし角θの差Δθは、載置台41であるX−Y平面で作業する方向感覚に影響を与え、それぞれの上下限の±10°、±30°を越えると、観察物体Oに対して目標のある方向と、その物体Oを動かそうとする方向との間にずれが生じ、物体Oを掴む等の操作ができなくなる。 The difference Δθ between the azimuth angle difference Δφ and the look-down angle θ affects the sense of direction when working on the XY plane, which is the mounting table 41, and if the upper and lower limits of ± 10 ° and ± 30 ° are exceeded, A shift occurs between the direction in which the target is set with respect to the object O and the direction in which the object O is to be moved, and operations such as gripping the object O cannot be performed.
また、見下ろし角θの上限の60°は、3次元再構築を行っても物体Oの陰になる部分については立体像を取得できないために、補間により推定せざるを得ない。しかし、その上限を越えると、その補間部分が主に表示されることになるために立体の再現性が著しく低下する。また、下限の0°を越えると、2次元映像を観察しているのと差がなく、立体感を得られない。 Further, the upper limit of 60 ° of the looking-down angle θ must be estimated by interpolation because a three-dimensional image cannot be obtained for a portion that is shadowed by the object O even if three-dimensional reconstruction is performed. However, when the upper limit is exceeded, the interpolated portion is mainly displayed, so that the three-dimensional reproducibility is significantly reduced. If the lower limit of 0 ° is exceeded, there is no difference from observing a two-dimensional image, and a stereoscopic effect cannot be obtained.
なお、方位角の差Δφについては、最悪、
−45°<Δφ<45° ・・・(1−1)
また、見下ろし角θの差Δθについては、最悪、
−45°<Δθ<45° ・・・(2−1)
なる条件を満たすことが好ましい。
As for the azimuth angle difference Δφ,
−45 ° <Δφ <45 ° (1-1)
Moreover, the difference Δθ in the look-down angle θ is worst,
−45 ° <Δθ <45 ° (2-1)
It is preferable to satisfy the following condition.
また、見下ろし角θについては、
10°<θ<45° ・・・(3−1)
なる条件を満足することがより望ましい。
Also, for the looking down angle θ,
10 ° <θ <45 ° (3-1)
It is more desirable to satisfy the following conditions.
ところで、両眼立体観察装置30の表示パネル15に表示する3次元再構築された立体モデルに対する視点位置は、一旦表示後に変更可能にすることが望ましい。そのためには、図14に示すように、3次元再構築された立体モデルに対する観察位置(視点)を自由に変更するジョイスティック等の制御部48を3次元再構築部31に接続して、両眼立体観察装置30の表示パネル15に表示される立体画像Iを観察しながら、視点を自由に変えられるようにすることにより、表示パネル15を見ながら観察物体Oの3次元形状をより簡単に把握することが可能となる。
By the way, it is desirable that the viewpoint position with respect to the three-dimensionally reconstructed stereoscopic model displayed on the
また、3次元再構築された立体モデルを表示する両眼立体観察装置30が方位角φ方向及び見下ろし角θ方向に任意の角度変更可能にすることもできる。その場合に、両眼立体観察装置30の方位角φ及び見下ろし角θを検出する手段を設け、検出された方位角φ及び見下ろし角θで3次元再構築された立体モデルに対する視点を変換するようにすることが重要である。図15は、両眼立体観察装置30が撮像方向のZ軸の周りで任意の角度回転できるようにしたもので、変更後の両眼立体観察装置30’、表示パネル15’、表示された立体画像をI’で示してある。変更後の位置で観察しても、表示された立体画像Iと肉眼で観察する物体Oの位置関係は概ね同一になり、特に物体Oに対して操作等を行う用途において、操作しやすくなる。
In addition, the binocular
また、例えば図16に示すように、3次元再構築された立体モデルの立体画像を表示する両眼立体観察装置30a、30bが複数設けられている場合には、観察物体Oに対しての撮像系の座標に対するそれぞれの両眼立体観察装置30a、30bの表示パネル15a、15bの表示方向の座標の関係を認識し、3次元再構築した立体モデルに対する視点をその関係に従って変換するようにすることが望ましい。すなわち、図17に示すように、複数の両眼立体観察装置30a、30bが設けられている場合には、それぞれの表示パネル15a、15bに表示する3次元再構築された立体モデルの立体画像Ia、Ibは、その両眼立体観察装置30a、30bが物体Oとなす方位角φ及び見下ろし角θに、3次元再構築された立体モデルに対する視線方向の方位角φ及び見下ろし角θを合わせて、それぞれの表示パネル15a、15bに異なる立体画像Ia、Ibを表示するようにすることが重要である。
Further, for example, as shown in FIG. 16, when a plurality of binocular
例えば図18(a)、(b)に示すように、観察者Ma、Mbが複数いる場合には、それぞれの観察者Ma、Mbに対して物体Oを操作する方向が異なる。このような場合に、それぞれの観察方向に合わせた視点で見た3次元再構築された立体モデルの立体画像を表示しないと、観察者Ma、Mbが協調して作業することができなくなってしまう。また、観察者Ma、Mbが移動した場合で、両眼立体観察装置30a、30bを物体Oに対して例えば回転させたときに、両眼立体観察装置30a、30bの回転角を検出する手段を設けておき、その回転角検出手段からの方位角φ等の情報に基づき、両眼立体観察装置30a、30bの表示パネル15a、15bを見ている観察者Ma、Mbの観察方向に合った方位角φ等の立体画像を表示するようにすると、さらに好ましい。
For example, as shown in FIGS. 18A and 18B, when there are a plurality of observers Ma and Mb, the direction in which the object O is operated differs from each observer Ma and Mb. In such a case, if the three-dimensional image of the three-dimensionally reconstructed three-dimensional model viewed from the viewpoint according to each observation direction is not displayed, the observers Ma and Mb cannot work together. . Further, when the observers Ma and Mb move and the binocular
ところで、両眼立体観察装置30に3次元再構築された立体モデルから任意の視点における視差画像を形成する際に、その左右の視差画像は、表示パネル15に表示する視差画像の内向角と同一の内向角の視差画像として表示するようにすることが重要である。撮像部の内向角と観察部の内向角が異なると、立体方向の縮尺と横方向の縮尺が異なり、立体歪が発生する。これを避けるために、まず立体モデルの3次元再構成を行い(3次元データ、VRML、ポリゴンデータ等)、再度このデータから観察部の内向角に合わせた内向角を持った視差画像として2次元画像2枚を生成し、これを両眼立体観察装置30に表示することにより、立体歪のない観察像を観察することが可能となる。
By the way, when a parallax image at an arbitrary viewpoint is formed from the stereoscopic model three-dimensionally reconstructed in the binocular
ところで、本発明の立体撮像表示システムにおける双眼顕微鏡光学系における左右の光路の光軸の物体O位置でなす角である内向角をαとするとき(図1、図2参照)、
α<12° ・・・(4)
なる条件式を満足することが好ましい。
By the way, when the inward angle that is the angle formed by the object O position of the optical axis of the left and right optical paths in the binocular microscope optical system in the stereoscopic imaging display system of the present invention is α (see FIGS. 1 and 2).
α <12 ° (4)
It is preferable to satisfy the following conditional expression:
条件式(4)の上限の12°を越えると、撮像された左右の画像に視差が付きすぎ、形状によっては物体自身によって隠れて見ない部分「オクルージョン」が発生し、ステレオ計測法により形状を3次元再構築をする場合に、対応点探索ができなくなる部分が多くなり、立体形状を十分に再構築できなくなる。 Exceeding the upper limit of 12 ° of conditional expression (4), the captured left and right images have too much parallax, and depending on the shape, a portion “occlusion” that cannot be seen by the object itself occurs. When three-dimensional reconstruction is performed, there are many portions where the corresponding point search cannot be performed, and the three-dimensional shape cannot be sufficiently reconstructed.
さらに好ましくは、
1°<α<8° ・・・(4−1)
なる条件式を満足することがより好ましい。
More preferably,
1 ° <α <8 ° (4-1)
It is more preferable that the following conditional expression is satisfied.
なお、本発明の立体撮像表示システムにおいて、両眼立体観察装置に3次元再構築された立体モデルから生成される立体画像又は撮像素子41 、42 で撮像された2つの視差画像に基づく立体画像を表示する際、物体Oに何らかの加工をする前の視差画像を記憶しておいて、その視差画像に基づく立体画像と加工後の視差画像に基づく立体画像とを重層表示(重畳表示)できるようにすることにより、例えば物体の加工工程が正確に分かるようになる。
In the stereoscopic imaging display system of the present invention, a stereoscopic image generated from a stereoscopic model reconstructed three-dimensionally in a binocular stereoscopic observation device or a stereoscopic image based on two parallax images captured by the
なお、本発明の立体撮像表示システムにおいて、両眼立体観察装置30の代わりに、2つの視差のある画像を観察者の左右の眼に振り分けるように処理する3次元表示部を通し観察可能とすることができる。そのような3次元表示部としては、特許文献5で提案されているようなパララックスバリヤ・レンチキュラー方式や、特許文献6等で提案されているようなマイクロポール方式や、面順次表示と液晶シャッター眼鏡を組み合わせた方式の立体観察装置を用いてもよい。
Note that, in the stereoscopic imaging display system of the present invention, instead of the binocular
以上、本発明の立体撮像表示システムを実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。 As described above, the stereoscopic imaging display system of the present invention has been described based on the embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications can be made.
O…観察物体
EL、ER…眼球(瞳)
I、I’、Ia、Ib…立体画像
Ma、Mb…観察者
1…対物レンズ
21 、22 …結像レンズ
3、31 、32 …変倍光学系
41 、42 …撮像素子
51 、52 …偏向ミラー
10…双眼顕微鏡
111 、112 …2次元表示素子
121 、122 …投影光学系
13…結像光学系
13a…フレネルレンズ面
14…拡散板
14a…拡散面
15、15’、15a、15b…表示パネル
161 、162 …投影光学系の射出瞳
201 、202 …投影装置
30、30’、30a、30b…両眼立体観察装置
31…3次元再構築部
321 、322 …記録装置
33…再構築モデル記録装置
341 、342 …2次元画像再生装置
41…試料載置台
42…支持棒
43…鏡体
44…ピント調節ネジ
45…鏡筒
47…倍率調節ネジ
48…制御部
O ... Observation object EL, ER ... Eyeball (pupil)
I, I ', Ia, Ib ... stereoscopic image Ma, Mb ...
Claims (10)
左右の視差画像を表示する一対の表示素子と、前記一対の表示素子に表示された視差画像を射出瞳を経て同一平面上に投影する一対の投影手段と、前記平面又はその近傍に配置された表示パネルであって、前記各投影手段の射出瞳の像を観察用の瞳位置に結像する結像手段と拡散作用を奏して前記各投影手段の射出瞳の像を観察用の瞳位置で拡大する拡散手段とを有する表示パネルとを備え、
前記3次元再構築部で3次元再構築された物体を任意の視点位置における両眼で見た視差画像を前記一対の表示素子に表示可能に構成されていることを特徴とする立体撮像表示システム。 An imaging optical system that forms at least two optical axes having parallax with respect to the observation object and has an overall positive refractive power that forms an image of the observation object on at least two corresponding imaging elements In addition, in the stereoscopic imaging display system having a three-dimensional reconstruction unit that three-dimensionally reconstructs the shape of the object by searching for corresponding points from the parallax images captured by the at least two imaging elements,
A pair of display elements for displaying left and right parallax images, a pair of projection means for projecting parallax images displayed on the pair of display elements on the same plane through an exit pupil, and the plane or the vicinity thereof A display panel, and an imaging means for forming an image of an exit pupil of each projection means at an observation pupil position and a diffusion action, and an image of the exit pupil of each projection means at an observation pupil position A display panel having diffusing means for expanding,
A stereoscopic imaging display system configured to be able to display a parallax image obtained by viewing the object reconstructed three-dimensionally by the three-dimensional reconstruction unit with both eyes at an arbitrary viewpoint position on the pair of display elements. .
−10°<Δφ<10° ・・・(1)
を満たすことを特徴とする請求項1から3の何れか1項記載の立体撮像表示システム。 The difference Δφ between the azimuth angle when the three-dimensional reconstructed stereoscopic image displayed on the display panel is projected on the horizontal plane on which the observation object is placed and the azimuth angle of the observation object is:
−10 ° <Δφ <10 ° (1)
The stereoscopic imaging display system according to any one of claims 1 to 3, wherein:
−30°<Δθ<30° ・・・(2)
を満たすことを特徴とする請求項1から4の何れか1項記載の立体撮像表示システム。 The difference between the look-down angle θ determined by the direction connecting the center of the display panel and the center of the observation object and the vertical line, and the look-down angle θ of the line of sight with respect to the three-dimensional reconstructed stereoscopic image displayed on the display panel Δθ is
−30 ° <Δθ <30 ° (2)
The stereoscopic imaging display system according to any one of claims 1 to 4, wherein:
0°<θ<60° ・・・(3)
を満たすことを特徴とする請求項1から5の何れか1項記載の立体撮像表示システム。 The look-down angle θ with respect to the vertical line of sight with respect to the three-dimensional reconstructed stereoscopic image displayed on the display panel is:
0 ° <θ <60 ° (3)
The stereoscopic imaging display system according to any one of claims 1 to 5, wherein:
α<12° ・・・(4)
を満足することを特徴とする請求項1から9の何れか1項記載の立体撮像表示システム。 An inward angle α formed by an observation object position between at least two optical axes having parallax with respect to the observation object of the imaging optical system,
α <12 ° (4)
The stereoscopic imaging display system according to any one of claims 1 to 9, wherein:
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Cited By (2)
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---|---|---|---|---|
JP2007309975A (en) * | 2006-05-16 | 2007-11-29 | Tokyo Univ Of Agriculture & Technology | Three-dimensional image display method and three-dimensional image display device |
KR20140111701A (en) * | 2012-01-09 | 2014-09-19 | 케이엘에이-텐코 코포레이션 | Stereo extended depth of focus |
-
2004
- 2004-06-21 JP JP2004182241A patent/JP2006003772A/en not_active Withdrawn
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