JP2006220603A - Imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、撮像した画像を基に距離測定や3次元画像情報の取得を可能にする撮像装置に関する。 The present invention relates to an imaging apparatus that enables distance measurement and acquisition of three-dimensional image information based on a captured image.
従来、光学的に測距を行う場合、異なる2地点から対象物を測量し、この2点間の距離を基に、三角測量の原理により対象物までの距離を算出している。また、光学機器のオートフォーカス装置に用いられている測距装置は、異なる2カ所の視点から得られる画像の一致具合や、レンズのフォーカスの一致を基に概略的な距離を求めるものもあった。さらに、精密に測距する場合はレーザ光を利用した装置もある。 Conventionally, when optical distance measurement is performed, an object is surveyed from two different points, and the distance to the object is calculated based on the principle of triangulation based on the distance between the two points. In addition, some distance measuring devices used in the autofocus device of optical equipment obtain a rough distance based on the matching condition of images obtained from two different viewpoints and the matching of lens focus. . In addition, there is an apparatus using laser light for precise distance measurement.
また、非特許文献1に開示されているように、被写体を異なる2地点から別々に撮像して、人の両眼で見た状態を作り出し、これを再生して立体視を可能にした装置もある。
上記従来の技術の場合、精密な測距情報を得るには、装置が大型化し、簡単に距離情報を得ることができるものではなかった。また、レーザ光を用いものは測距のみに用いられるもので、撮像した画像を利用することができるものではない。 In the case of the above-described conventional technology, in order to obtain precise distance measurement information, the apparatus becomes large and distance information cannot be easily obtained. Moreover, what uses a laser beam is used only for ranging, and cannot use a captured image.
また、従来の立体視再生装置は、立体的な画像を得るために複数の撮像装置を異なる地点に設置して画像を得る必要があり、撮像装置が大がかりなものであった。また、得られた画像から簡単に距離情報や3次元データを得ることができるものでもなかった。 In addition, the conventional stereoscopic playback device needs to obtain images by installing a plurality of imaging devices at different points in order to obtain a stereoscopic image, and the imaging device is large. In addition, distance information and three-dimensional data could not be easily obtained from the obtained image.
その他、特許文献1には、パノラマ撮像レンズと回転体鏡を用いて物体の側周面全周を撮像可能とした画像取込装置が提案されている。しかし、この画像取込装置は、単に筒状の被写体の側周面や内周面の画像を撮像するために、鏡をパノラマ撮像レンズの前に配置したものであり、被写体の位置や3次元データを計測するためのものではなく、この点はまったく示唆しておらず、計測等が可能なレンズ条件及び構成を開示したものではない。また、特許文献2には、二対4枚の鏡を用いて立体写真を撮るカメラが提案されているが、これは、単に人の両眼による視差角度を得るための鏡をカメラの前に置いて、撮像するものであり、これも被写体の位置や3次元データを計測することができるものではない。
In addition,
この発明は、上記従来の技術の問題点に鑑みて成されたもので、簡単な構造で、容易に被写体の位置や距離情報又は3次元データを得ることができ、得られた画像を基に立体画像も簡単に形成可能にした撮像装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and can easily obtain the position and distance information or three-dimensional data of a subject with a simple structure, and based on the obtained image. An object of the present invention is to provide an imaging apparatus that can easily form a stereoscopic image.
ここでまず、本発明における基本的な考え方を以下に示す。図1において、光軸Sを通る任意の平面γ上にあり光軸S上の1点0に向かう光線Hが、光軸Sとなす角度をθとすると、光軸Sに直角な面β上にある全方位画像の中心(即ち焦点0)からの距離l(エル)は、式(1)で表される。
Here, first, the basic concept in the present invention will be described below. In FIG. 1, a light ray H on an arbitrary plane γ passing through the optical axis S and going to a
いま、図2に示すz軸を回転軸とする回転体を考える。回転軸zを含む平面上の2点C,Dを結ぶ曲線cを、2点が存在する平面上の任意の軸zを中心として回転して出来る回転体の内部(即ち、回転軸側)に反射面を持つ回転体鏡δとする。全方位カメラαの光軸Sと回転体鏡δの回転軸zを一致させ、全方位カメラαへ直接入射する光線Hを遮るように回転体鏡δと全方位カメラαを位置させた構造体を設定する(図3)。 Now, consider a rotating body whose axis of rotation is the z axis shown in FIG. A curve c connecting two points C and D on the plane including the rotation axis z is rotated inside an arbitrary rotation axis z (ie, on the rotation axis side) formed around an arbitrary axis z on the plane where the two points exist. Let it be a rotating mirror δ having a reflecting surface. Structure in which the rotary mirror δ and the omnidirectional camera α are positioned so that the optical axis S of the omnidirectional camera α coincides with the rotational axis z of the rotary mirror δ and the light beam H directly incident on the omnidirectional camera α is blocked. Is set (FIG. 3).
図3の構造体を、図1で想定した平面で切断した場合、図4の関係が得られる。図4においては、回転体鏡δの切断線が光軸Sの左右に1つずつ切断線c1及び切断線c2として現れる。まず、光軸Sとの角度θ1で交わる光線H1は、回転体鏡δの一方の切断線c1により遮られ、点Qから発射された1本の光線G1で置き換えられる。一方、Qから発射したもう1本の光線G2は回転体鏡δの他方の切断線c2により反射され、H2に置き換わって、光軸Sとθ2の角度で点Oに入射する。すなわち、光線G1、G2が全方位カメラαで得られる平面β上の全方位画像に、式(1)の関係を保って写像される。即ち、点Qの画像情報が、全方位画像上の中心0からの距離l1,l2の2地点
When the structure shown in FIG. 3 is cut along the plane assumed in FIG. 1, the relationship shown in FIG. 4 is obtained. In FIG. 4, the cutting lines of the rotating mirror δ appear as a cutting line c 1 and a cutting line c 2 , one on each side of the optical axis S. First, the light beam H 1 intersecting with the optical axis S at an angle θ 1 is blocked by one cutting line c 1 of the rotating mirror δ and replaced with one light beam G 1 emitted from the point Q. On the other hand, another ray G 2 emitted from Q is reflected by the other cutting line c 2 of the rotating mirror δ, is replaced by H 2 , and is incident on the point O at an angle of θ 2 with the optical axis S. That is, the rays G 1 and G 2 are mapped onto the omnidirectional image on the plane β obtained by the omnidirectional camera α while maintaining the relationship of the expression (1). That is, the image information of the point Q is two points at distances l 1 and l 2 from the
今もし何らかの方法で、得られた全方位画像上の2点が空間に存在する点Qの全方位画像であることが判明した場合、即ち、全方位画像の中心からの距離l1、l2が判明すると、(2)式よりθ1、θ2が与えられる。そして、切断線c1、c2における光線G1、G2の反射角度と回転体鏡δにおける反射点の位置がわかれば、点Qは直線G1、G2の交点として求められ、点Qの座標が定められることになる。 If it is found by some method that two points on the obtained omnidirectional image are omnidirectional images of the point Q existing in the space, that is, the distances l 1 and l 2 from the center of the omnidirectional image. Is found, θ 1 and θ 2 are given from the equation (2). Then, if the reflection angle of the rays G 1 and G 2 at the cutting lines c 1 and c 2 and the position of the reflection point at the rotating mirror δ are known, the point Q is obtained as the intersection of the straight lines G 1 and G 2. The coordinates of are to be determined.
本願発明は、以上の理論を用いたもので、本願請求項1記載の発明は、中心の光軸に対して回転対称に形成され周囲の被写体を撮像可能なレンズ光学系と、このレンズ光学系の周囲に配置され前記レンズ光学系の光軸と同軸に形成された曲面を有する曲面鏡とを備え、被写体の一つの点に対して前記レンズ光学系と前記曲面鏡により結像された複数の結像点を形成し、前記被写体の一つの点に対する前記複数の結像点の位置を検知して、前記レンズ光学系と前記曲面鏡との幾何光学的関係により前記被写体の一つの点の位置を算出可能とした撮像装置である。
The invention of the present application uses the above theory. The invention according to
また本願請求項2記載の発明は、中心の光軸に対して回転対称に形成され周囲の被写体を撮像可能なレンズ光学系と、このレンズ光学系の周囲に配置され前記レンズ光学系の光軸を中心として同軸に形成された曲面を有する曲面鏡と、被写体の一つの点に対して前記レンズ光学系と前記曲面鏡により結像された複数の結像点を撮像する撮像素子と、前記被写体の一つの点に対する前記複数の結像点の位置を検知して、前記レンズ光学系と前記曲面鏡との幾何光学的関係により前記被写体の一つの点の位置を算出する計測手段を備えた撮像装置である。 According to the second aspect of the present invention, there is provided a lens optical system that is formed rotationally symmetrically with respect to the central optical axis and can image a surrounding subject, and an optical axis of the lens optical system disposed around the lens optical system A curved mirror having a curved surface formed concentrically with respect to the center, an imaging device for imaging a plurality of imaging points formed by the lens optical system and the curved mirror with respect to one point of the subject, and the subject An imaging device comprising: a measuring unit that detects positions of the plurality of imaging points with respect to one point of the object and calculates a position of the point of the subject by a geometric optical relationship between the lens optical system and the curved mirror. Device.
前記レンズ光学系は、魚眼レンズを備えたものである。前記曲面鏡は、前記レンズ光学系の光軸と同軸に配置された回転体状の曲面を有し、被写体の一つの点に対して前記レンズ光学系と前記曲面鏡により3個の結像点が形成される撮像装置である。 The lens optical system includes a fisheye lens. The curved mirror has a rotating body-like curved surface arranged coaxially with the optical axis of the lens optical system, and three imaging points are formed by the lens optical system and the curved mirror with respect to one point of a subject. Is an imaging device in which is formed.
また、前記レンズ光学系は、レンズの光軸回りに回転対称に形成され、360°全周から側方の光が入射可能に膨らんで略凸レンズ状に形成された環状の光入射面と、この光入射面と互いに略対向するように環状に形成され外方に膨らんだ形状に形成されこのレンズ内へ光を反射するように曲面鏡状に形成された第一反射面と、前記光入射面の環内の中央部に設けられ前記第一反射面からの反射光を前記第一反射面の環の内側部分に向けて反射する凸面鏡状の第二反射面と、前記第一反射面の環内中央部に位置し前記第二反射面と対向して前記第二反射面からの光を透過する光出射面とを備えたパノラマ撮像レンズを備えたものである。前記パノラマ撮像レンズは、その光入射面に入る光のうち、前記パノラマ撮像レンズの光軸上のほぼ一点に収束する方向に入射してくる光を結像させるものである。 Further, the lens optical system is formed in a rotationally symmetrical manner around the optical axis of the lens, and an annular light incident surface formed in a substantially convex lens shape that swells so that side light can enter from the entire 360 ° circumference, A first reflecting surface formed in an annular shape so as to be substantially opposite to the light incident surface and bulging outward, and formed in a curved mirror shape so as to reflect light into the lens; and the light incident surface A convex mirror-like second reflecting surface provided at the center of the ring for reflecting the reflected light from the first reflecting surface toward the inner part of the ring of the first reflecting surface, and the ring of the first reflecting surface A panoramic imaging lens is provided that includes a light exit surface that is located in the inner central portion and faces the second reflection surface and transmits light from the second reflection surface. The panoramic imaging lens forms an image of light that enters the light incident surface in a direction that converges to approximately one point on the optical axis of the panoramic imaging lens.
前記曲面鏡は、前記レンズ光学系の光軸と同軸に配置されるとともに、前記光軸を中心として、少なくとも互いにほぼ対称な位置に鏡面を有する。さらに、前記曲面鏡は、前記レンズ光学系の光軸と同軸に配置され、前記光軸を中心とした回転体鏡である。また、前記回転体鏡は、凹面鏡及び凸面鏡のいずれでも良く、円錐面状の鏡でも良い。さらに、放物線や双曲線の回転体鏡であっても良い。 The curved mirror is disposed coaxially with the optical axis of the lens optical system, and has mirror surfaces at least substantially symmetrical with respect to the optical axis. Furthermore, the curved mirror is a rotating mirror that is arranged coaxially with the optical axis of the lens optical system and has the optical axis as a center. Further, the rotating mirror may be a concave mirror or a convex mirror, and may be a conical mirror. Further, it may be a parabolic or hyperbolic rotating mirror.
また前記計測手段は、前記被写体の一つの点に対する前記複数の結像点を、撮像した画像のステレオマッチング処理により求め、これにより求めた複数の結像点を基に、前記被写体の1つの点の位置を算出し、これを繰り返して前記被写体の位置情報を3次元的に得るものである。さらに、前記計測手段は、前記被写体の位置情報を演算し、前記被写体を3次元的に表示可能な位置情報を出力する撮像装置である。 The measuring means obtains the plurality of imaging points for one point of the subject by stereo matching processing of the captured image, and based on the obtained imaging points, one point of the subject The position information of the subject is obtained three-dimensionally by repeating this process. Furthermore, the measurement means is an imaging device that calculates position information of the subject and outputs position information that can display the subject three-dimensionally.
この発明の撮像装置によれば、一台のカメラにより撮像した画像を基に、その被写体の位置情報や3次元情報を容易に得ることができる。さらに、その情報を基に立体視を可能にするデータを得ることができ、3次元映像を容易に形成することができるものである。 According to the imaging device of the present invention, it is possible to easily obtain the position information and three-dimensional information of the subject based on the image captured by one camera. Furthermore, data that enables stereoscopic viewing can be obtained based on the information, and a three-dimensional image can be easily formed.
以下、この発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。この実施形態では、一般的な全方位カメラのレンズ光学系として、魚眼レンズを用いた。魚眼レンズでは、図5に示す如く、レンズの焦点Oに向かって入射する光線Hと、焦点Oを中心とする半径Rの半球α1との交点Aを、半球の頂点Pと焦点Oを結ぶ直線(これが魚眼レンズにおける光軸Sである)と直角に交わり、且つ焦点Oを含む平面β上のB点に写像する。平面βにより分割されて出来る2つの空間のうち、点Pの存在する空間の点から出た焦点Oに向かう全ての光線と、魚眼レンズの光学系である想定半球α1との全ての交点は、平面β上の焦点Oを中心とする半径Rの円内に全て写像される。点Aと点Bの位置関係は魚眼レンズが持つ射影規則によりそれぞれ異なるが、その1例として、等距離射影方式の場合では、以下に述べる関係を保って、想定半球α1上の各点が平面β上に写像される。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In this embodiment, a fisheye lens is used as the lens optical system of a general omnidirectional camera. In the fish-eye lens, as shown in FIG. 5, a straight line connecting a vertex P of the hemisphere and the focal point O is an intersection A between a light beam H incident on the focal point O of the lens and a hemisphere α 1 having a radius R centered on the focal point O. (This is the optical axis S in the fisheye lens) and intersects at a right angle and maps to point B on the plane β including the focal point O. Of the two spaces that can be divided by the plane β, all the intersections of all the rays that go from the point of the space where the point P exists toward the focal point O and the assumed hemisphere α 1 that is the optical system of the fisheye lens are: All are mapped in a circle with a radius R centered on the focal point O on the plane β. The positional relationship between point A and point B differs depending on the projection rule of the fisheye lens. For example, in the case of the equidistant projection method, each point on the assumed hemisphere α 1 is a plane with the relationship described below. Maps onto β.
いま、点Aと光軸Sで作る平面γ(図5に示す)を考え、その平面上での各点の関係を図6に示す。点Aは半径Rの円上に、点Bも平面γ上に存在する。光線Hの入射角をθとし、点OB間をOB=lとすると、 Now, a plane γ (shown in FIG. 5) formed by the point A and the optical axis S is considered, and the relationship between the points on the plane is shown in FIG. The point A exists on a circle with a radius R, and the point B also exists on the plane γ. If the incident angle of the light beam H is θ and the distance between the points OB is OB = 1,
ここで、回転体鏡の例として、図7に示す回転体鏡δを考える。図2において示した任意曲線cは、半径rの円Fの一部とする。回転軸zから円Fはa離れており、点Cは回転軸zから距離d、点Dは距離e離れているとする。図7の回転体鏡は軸z側を反射面とする。 Here, a rotating mirror δ shown in FIG. 7 is considered as an example of the rotating mirror. The arbitrary curve c shown in FIG. 2 is a part of a circle F having a radius r. It is assumed that the circle F is a from the rotation axis z, the point C is a distance d from the rotation axis z, and the point D is a distance e. The rotating mirror in FIG. 7 has a reflection surface on the axis z side.
魚眼レンズと回転体鏡δにより構成した撮像装置の模式的構造を図8に示す。図8は、回転体δの回転軸zと、魚眼レンズの光学系である想定半球α1における光軸Sとを一致させ、魚眼レンズの全方位画像が得られる平面βと、回転体鏡δの点Dが回転してできる平面を一致させることによりできる構造体を、平面γで切断したときの状態を示す。円Fの中心F(x0,y0)が回転軸zで回転することによってできる平面は、平面βに平行であり、平面γをxy平面とし、焦点Oを原点(0,0)とした時の円Fの一方の中心座標をF(x0,y0)、他方の円の中心座標はF’(x0,y0)となり、x0=aである。また、想定半球α1の半径Rは点Dの回転半径eと一致する。 FIG. 8 shows a schematic structure of an imaging apparatus constituted by a fisheye lens and a rotating mirror δ. Figure 8 includes a rotating shaft z of the rotary body [delta], is matched with the optical axis S of supposition hemisphere alpha 1 is an optical system of the fisheye lens, the plane β of the omnidirectional image of the fisheye lens is obtained, the point of the rotary body mirror [delta] A state when a structure formed by matching the plane formed by rotating D is cut along a plane γ is shown. A plane formed by rotating the center F (x 0 , y 0 ) of the circle F around the rotation axis z is parallel to the plane β, the plane γ is the xy plane, and the focal point O is the origin (0, 0). One central coordinate of the hour circle F is F (x 0 , y 0 ), and the central coordinate of the other circle is F ′ (x 0 , y 0 ), and x 0 = a. Further, the radius R of the assumed hemisphere α 1 coincides with the rotation radius e of the point D.
平面γ上でのこの実施形態におけるレイトレースは、図9に示すようになる。回転体鏡δと平面γとの交線は直線OPに関し線対称なc1,c2の2つが与えられる。平面γ内の1つの点Qから出た2つの光線G1,G2がc1のN1点、c2のN2点で反射され、入射角θ2R、θ2Lとして焦点Oに向かい、想定半球α1と点A1,A2で交わる。これら点A1,A2は、等距離射影の全方位カメラαの場合には式(3)で示した関係により、一方は点B1として、他方は点B2として平面β上の全方位画像上に射影される。
The ray trace in this embodiment on the plane γ is as shown in FIG. Two intersecting lines between the rotating mirror δ and the plane γ are given as c 1 and c 2 which are axisymmetric with respect to the straight line OP. Two
いま、全方位画像の中心を通る直線(平面γにより切断N1された平面βの軌跡)上の2点が平面γの1点から出たものであると判明したとすると、魚眼レンズの光学系である想定半球α1上の点A1,A2が求まり、したがってN1点、N2点が得られる。それにより直線の光線G1,G2が与えられ、空間の実点Qの位置、即ち長さOQ及び角度θを求めることが出来る。よって、距離と方向を測定することが可能である。 Assuming that two points on the straight line passing through the center of the omnidirectional image (the locus of the cutting N 1 is a plane β by plane gamma) is found to those emitted from one point of the plane gamma, fisheye optical system The points A 1 and A 2 on the assumed hemisphere α 1 are obtained, and therefore N 1 point and N 2 point are obtained. Thereby, linear rays G 1 and G 2 are given, and the position of the real point Q in space, that is, the length OQ and the angle θ can be obtained. Thus, distance and direction can be measured.
図9において、既知のパラメータ(x0,y0)、rによって、求めるべき点Qに関するパラメータr1、θ1の関係は、以下により表すことができる。 In FIG. 9, the relationship between the parameters r 1 and θ 1 relating to the point Q to be obtained can be expressed by the following using known parameters (x 0 , y 0 ) and r.
まず、角度θ2Rおよびr2Rを補助パラメータとして用いると鏡面c1に関して
次に、点Qに関するパラメータr1,θ1は以下の手順で求めることができる。
I.ステレオマッチングにより、θ2Rとθ2Lを求め、その値を(4),(5),(6),(7)式に代入する。
II.(5)式を(4)式に代入した式によりr2Rを消去し、(7)式を(6)式に代入した式によりr2Lを消去する。
III.上記IIで求めた2式は、既知のパラメータ(x0,y0)、rと、求めるべき点Qに関するパラメータr1,θ1だけの式になり、連立方程式を解く事によってパラメータr1,θ1を求めることができる。
Next, the parameters r 1 and θ 1 relating to the point Q can be obtained by the following procedure.
I. By stereo matching, θ 2R and θ 2L are obtained, and the values are substituted into equations (4), (5), (6), and (7).
II. R 2R is erased by the equation in which the equation (5) is substituted into the equation (4), and r 2L is eliminated by the equation in which the equation (7) is substituted into the equation (6).
III. The two equations obtained in II above are equations of known parameters (x 0 , y 0 ), r and parameters r 1 , θ 1 relating to the point Q to be obtained. By solving the simultaneous equations, the parameters r 1 , θ 1 can be obtained.
ここで、ステレオマッチングとは、画像中の2点の対応を見つけ出す方法である(例えば、非特許文献2の頁127〜131)。この実施形態では、図9の点Qを特定するためのステレオマッチングにおいて、図10に示すように、同一直線(エピポーラ線)上にある2つの画像の2点が同一点である事を見つけ出す。具体的には、左右のうちの一方の画像をテンプレートとして、他方の画像との画像中の所定のブロックでテンプレートマッチングを行う。これをブロックマッチング基づくステレオマッチングという。この実施形態では、点B1と同じ点を探す場合、所定ブロックの色と輝度を比較して同一点か否かを調べる手法を用いた。このブロックをできる限り小さくして、マッチングを行い、上記式により位置を演算して求めることにより、立体映像を出力するための位置データを得ることができる。そのほか、その画像の他の情報を用いてマッチングを行っても良い。 Here, stereo matching is a method of finding correspondence between two points in an image (for example, pages 127 to 131 of Non-Patent Document 2). In this embodiment, in stereo matching for specifying the point Q in FIG. 9, it is found that two points of two images on the same straight line (epipolar line) are the same as shown in FIG. Specifically, template matching is performed on a predetermined block in an image with one of the left and right images as a template. This is called stereo matching based on block matching. In this embodiment, when searching for the same point as the point B 1, using the method for comparing the color and brightness of a predetermined block check whether the same point. Position data for outputting a stereoscopic image can be obtained by making this block as small as possible, performing matching, and calculating the position by the above formula. In addition, matching may be performed using other information of the image.
この実施形態の撮像装置は、例えば図11に示すような装置から成る。この装置は、カメラ10の魚眼レンズを含むレンズ光学系12と、回転体鏡δにより結像された複数の結像点を撮像する撮像素子14とを備え、被写体の一つの点に対する複数の結像点の位置を求めて、レンズ光学系12と回転体鏡δとの幾何光学的関係から被写体の一つの点Qの位置を算出する計測手段であるコンピュータ16を備える。
The imaging apparatus according to this embodiment includes an apparatus as shown in FIG. This apparatus includes a lens optical system 12 including a fisheye lens of the camera 10 and an
そして、上記の演算をコンピュータ16により行い、得られた被写体の位置情報を記憶し、計測データとすることができる。さらに、その位置情報である計測データを元に、立体映像表示プログラムによりモニタ18に立体映像を表示することができる。被写体の位置情報から立体映像を出力する方法としては、例えば、メガネを用いない方法として、パララックス方式、レンチキュラ方式、インテグラル方式、大凹面ミラー方式、及び大凸レンズ方式がある(例えば、非特許文献1の頁122〜127)。
Then, the above calculation is performed by the
この実施形態の撮像装置によれば、1台のカメラ10と魚眼レンズを有したレンズ光学系12、及び回転体鏡δを用いるだけで、被写体の各点の位置情報を取得することができる。特に魚眼レンズを用いると、魚眼レンズの特徴である被写界深度が無限大であることを生かし、最適撮像可能な被写体の範囲を、曲面鏡または回転体鏡の設定により適宜設定することができる。 According to the imaging apparatus of this embodiment, the position information of each point of the subject can be acquired only by using one camera 10, the lens optical system 12 having a fisheye lens, and the rotating mirror δ. In particular, when a fisheye lens is used, the range of the subject that can be optimally imaged can be appropriately set by setting a curved mirror or a rotating mirror, taking advantage of the infinite depth of field that is a feature of the fisheye lens.
また、魚眼レンズは、レンズ正面からの直接入力光もあり、この交線は図9に示すように入射角θ1で直接焦点に向かい、半球α1とA3で交わり、全方位レンズの射影原理式(1)に従って、B3点に射影される。そして、3点B1、B2、B3は平面γ上の直線(エピポーラ線)上に存在する。この直線は、3分割されるもので、3分割されたそれぞれの部分に上記の3点が存在する。これにより、3点で被写体の点の位置を演算することができ、より正確に位置情報を得ることができる。 Also, the fisheye lens is also directly input light from the lens front, the line of intersection is directed directly focus at the incident angle θ1 as shown in FIG. 9, intersect at the hemisphere alpha 1 and A 3, the projection principle type of omnidirectional lens According to (1), projection is performed on B 3 points. The three points B 1 , B 2 , and B 3 exist on a straight line (epipolar line) on the plane γ. This straight line is divided into three parts, and the above three points exist in each of the three parts. Thereby, the position of the point of the subject can be calculated from the three points, and the position information can be obtained more accurately.
なお、魚眼レンズの他の投影規則である、平射投影方式、等立体角射影方式、正射影方式の各方式についても、その方式に関する数式に基づいて上述の式等の関係式により被写体の各点の位置を求めることができる。 It should be noted that other projection rules of the fisheye lens, such as the normal projection method, the equal solid angle projection method, and the orthographic projection method, are also applied to each point of the subject according to a relational expression such as the above-described expression based on the mathematical formula relating to the method. The position can be determined.
次にこの発明の他の実施形態について説明する。この実施形態ではレンズ光学系として、以下に説明するパノラマ撮像レンズを用いた。このパノラマ撮像レンズは、360°の周囲映像を撮ることができるものである。 Next, another embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, a panoramic imaging lens described below is used as the lens optical system. This panoramic imaging lens can take a 360 ° surrounding image.
この実施形態のパノラマ撮像レンズ20は、光学ガラスやレンズ用の透明樹脂等で形成され、レンズ中心の光軸回りに回転対称に形成されている。パノラマ撮像レンズ20は、360°の視界を一度に撮像できるように360°全周から側方の光が入射する環状の光入射面22を備える。光入射面22は、側方に膨らんだ凸レンズ状に形成されている。この光入射面22に対して所定の間隔を隔てて、光入射面22から入射した光をレンズ20内へ反射する環状の第一反射面23が形成されている。環状の光入射面22の環内中央部には、第一反射面23からの反射光を第一反射面23の環の内側部分に向けて反射する第二反射面24が設けられている。第一反射面23は側方に膨らんだ凸面状に形状され、第一反射面23のレンズ20内面側が、第二反射面24の方向を向いた環状の凹曲面鏡の反射面となっている。第二反射面24は、凹面状に形成されレンズ20の内面側が凸面鏡状の反射面となっている。そして、環状の第一反射面23の環内中央部には、第二反射面24と対向する位置に、第二反射面24からの光を透過する光出射面25が形成されている。
The
光入射面22、第一光反射面23、及び第二光反射面24の各表面形状は、光入射面22から入射した360°のパノラマ画像が、光出射面25を経て得られるように、球面または適宜の式で設定される非球面形状に形成されている。光出射面25は、光学系に合わせて凹面、凸面または平面状に形成される。また、光入射面22と第一反射面23との間に所定厚みがありその側周面30が所定の幅で設けられている。
The surface shapes of the
このパノラマ撮像レンズ20は、図12に示すように、パノラマ撮像レンズ20の光入射面22から入射する平行光のうち、光軸上の1箇所に集まる方向に入射した光束により画像を形成するものである。さらに、パノラマ撮像レンズ20は、前方から側方までの周囲360°の被写体からの入射光により画像を形成する。
As shown in FIG. 12, this
このパノラマ撮像レンズ20と回転体鏡δの位置関係は、図13、図14に示すように、回転体鏡δにより反射して入射する光のうち、パノラマ撮像レンズ20の光軸Sのほぼ1点に集中する方向の入射光が、上記実施形態と同様の原理により、被写体の位置情報や3次元データを演算することができる入射光として画像を形成する。また、図13,図14に示すように、回転体鏡δの位置を光軸方向に移動させることにより、被写体を良好に撮像可能な範囲Aを調節することができる。
As shown in FIGS. 13 and 14, the positional relationship between the
例えば、図13に示す回転体鏡δは、レンズ光学系の光軸Sと同軸に配置された回転体状の曲面を有し、その曲率は、第一レンズ面(光入射面22)の延長上の頂点を座標系(Z,Y)の座標原点(0,0)としたとき、曲率の中心をZ=-13.855 mm Y=-34.00
mm とし、半径を48mmとした円弧である。また、図14は、回転体鏡δの曲率の中心をZ=-10.425 mmとした場合を示す。図13、図14では、被写体を良好に撮像可能な範囲Aが、図13に対して図14の場合はレンズ側に近くなっている。
For example, the rotating mirror δ shown in FIG. 13 has a rotating body-like curved surface arranged coaxially with the optical axis S of the lens optical system, and its curvature is an extension of the first lens surface (light incident surface 22). When the top vertex is the coordinate origin (0,0) of the coordinate system (Z, Y), the center of curvature is Z = -13.855 mm Y = -34.00
It is a circular arc with a radius of 48 mm. FIG. 14 shows a case where the center of curvature of the rotating mirror δ is Z = −10.425 mm. In FIG. 13 and FIG. 14, the range A in which the subject can be imaged satisfactorily is closer to the lens side in the case of FIG.
この実施形態のパノラマ撮像レンズ20も、図11に示すような撮像装置として用いられ、被写体の位置情報を取得し、立体映像の作成や、計測・測距に利用される。また、その測距原理は上記実施形態で説明したものと同様であり、この実施形態によっても前記実施形態と同様の効果を得ることができる。
The
なお、この発明の撮像装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、曲面鏡または回転体鏡の形状は、円弧状の線の回転体状や球面状の他、楕円状、放物線状、双曲線状、直線状等の線を、光軸を中心として回転させた非球面形状に設定することもできる。非球面形状の回転体鏡δ(曲面鏡)としては、例えば、後述する実施例2のように数値を設定することができる。 The imaging device of the present invention is not limited to the above embodiment, and the shape of the curved mirror or rotating mirror may be an elliptical, parabolic, in addition to a rotating or spherical shape of an arcuate line, It is also possible to set an aspherical shape in which a hyperbola shape, a straight line, or the like is rotated about the optical axis. As the aspherical rotating mirror δ (curved surface mirror), for example, numerical values can be set as in Example 2 described later.
また、曲面鏡または回転体鏡の形状や位置を適宜調節することにより、対象とする被写体の位置や良好な撮像範囲を適宜選択することができる。さらに、回転体鏡内部を空気より大きい屈折率の透明体、例えばガラスで充填し、距離測定できる範囲を拡大したものでも良い。これらの光学系に関する幾何光学的関係等に用いる式は、レンズ特性や鏡面の形状に関する式を用いることができるものであり、その他既知の各種理論式を用いることができる。また、回転体鏡を形成する曲面鏡は、連続した回転体でなくても良く、回転体の一部を構成する曲面を所定位置に配置したものであれば良く、たとえば、光軸を中心として互いに対象な位置に所定の大きさで回転体鏡の一部を構成する一対の曲面鏡を配置したものでも良い。 In addition, by appropriately adjusting the shape and position of the curved mirror or the rotating mirror, the position of the subject and the good imaging range can be appropriately selected. Further, the inside of the rotating mirror may be filled with a transparent body having a refractive index larger than that of air, for example, glass, and the range in which the distance can be measured may be expanded. As the equations used for the geometrical optical relationship and the like regarding these optical systems, equations relating to lens characteristics and the shape of the mirror surface can be used, and various other known theoretical equations can be used. In addition, the curved mirror that forms the rotating mirror does not have to be a continuous rotating body, and may be a curved mirror that forms a part of the rotating body at a predetermined position. A pair of curved mirrors constituting a part of the rotating mirror with a predetermined size may be arranged at positions that are mutually targeted.
次にこの発明の撮像装置の一実施例について、以下に説明する。この実施例では、全方位カメラの光学系に用いるレンズとして、パノラマ撮像レンズ20を用いた。このパノラマ撮像レンズ20とその撮像光学系32、及び回転体鏡δを用いた場合のレイトレースを図15に示す。この実施例の場合も、被写体の任意の一つの点Qに対して回転体鏡δとパノラマ撮像レンズ20およびその他の撮像光学系32により、二つの結像点B1,B2が得られ、上記実施形態と同様に、点Qの位置を求めることができる。この実施例では、パノラマ撮像レンズ20を用いた光学系に、バンドパスフィルタ(G-BPF)34を入れて、特定波長のみにより測距を行うようにしたものである。これにより、より正確に位置情報を計算することができ、正確な測距が可能となる。
Next, an embodiment of the imaging apparatus of the present invention will be described below. In this embodiment, the
この実施例の回転体鏡δは、レンズ光学系の光軸と同軸に配置された回転体状の曲面を有し、その曲率は、第一レンズ面(光入射面22)の延長上の頂点を、座標系(Z,Y)の座標原点(0,0)としたとき、曲率の中心をZ=-13.855 mm Y=-34.00
mm とし、半径を48mmとした円弧である。この実施例のレンズ系は表1の値をとる。
The rotating mirror δ of this embodiment has a rotating body-like curved surface arranged coaxially with the optical axis of the lens optical system, and its curvature is the apex on the extension of the first lens surface (light incident surface 22). Is the coordinate origin (0,0) of the coordinate system (Z, Y), the center of curvature is Z = -13.855 mm Y = -34.00
It is a circular arc with a radius of 48 mm. The lens system of this example takes the values in Table 1.
この実施例によれば、被写体の一つの点に対して二つの結像を得て、人の目の視差による立体視を容易に再現することができる。また、被写体をバンドパスフィルタ34を通して撮像することにより、ほぼ単一波長で測距することができ、より精度良く計測することができる。
According to this embodiment, two images can be obtained for one point of the subject, and stereoscopic vision based on the parallax of the human eye can be easily reproduced. Further, by imaging the subject through the band-
次に、非球面を使用した曲面鏡の例を示す。この実施例でも、全方位カメラの光学系に用いるレンズとして、パノラマ撮像レンズ20を用いた。表2にその条件を示す。
Next, an example of a curved mirror using an aspherical surface is shown. Also in this embodiment, the
10 カメラ
12 レンズ光学系
14 撮像素子
16 コンピュータ
18 モニタ
α 全方位カメラ
α1 想定半球(魚眼レンズ)
δ 回転体鏡
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Camera 12 Lens
δ Rotating mirror
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