JP2007271956A - 撮像装置、ミラーおよびその設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】広視野であり、かつ、歪みの少ない画像を撮影できる撮像装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る撮像装置は、カメラ１１０と、カメラ１１０の撮像範囲より広い範囲１３０の像を反射しカメラ１１０に送るミラー１２０とを備える撮像装置１００であって、ミラー１２０は、カメラ１１０自身が有する撮像した画像に生じる歪みを相殺する形状であり、カメラ１１０の光軸に対して回転対称でない形状である。また、ミラー１２０は、歪みが発生しない状態の微少領域ごとの光線ベクトルが反射され、カメラ１１０自身が有する撮像した画像に生じる歪みの影響を含むカメラ１１０の微少領域ごとの光線ベクトルとなる反射面を有してもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮像装置、ミラーおよびその設計方法に関し、特に、カメラと、カメラの撮像範囲より広い範囲の像を反射しカメラに送るミラーとを備える撮像装置に関する。

運転手から死角となる自動車の後方の領域をモニターするためのバックモニターおよび監視カメラ等には、画角の広い広視野の撮像装置が用いられている。広視野の撮像装置には一般に広角レンズが用いられる。

しかしながら、広角レンズを用い撮影した画像は歪みが生じるという問題がある。例えば、図４（ａ）に示す格子模様を、広角レンズを用い撮影した画像は、図４（ｂ）に示すように周辺部分ほど円形に近い歪んだ画像となる。このように、広角レンズを用いた撮像装置は、実際の撮影空間の状態とは異なる状態の像を撮影する。このため、監視カメラ等に広角レンズを用いた撮像装置を使用した場合には、実際の撮影空間の状態を認識するのが困難となる。また、画像の周辺部分において実際の撮影空間の状態より画像が小さくなるので、周辺部分の解像度は、中心部分の解像度と比べ低くなる。

これに対し、撮像装置で撮影した画像をソフトウェアで画像処理し、歪みを除去する方法が知られている。しかし、画像処理を行うためには、処理を行うためのコンピュータ等が必要となる。また、図４（ｂ）に示すように周辺部分ほど歪みが大きくなり、画像処理を行った場合でも、周辺部分の解像度が、中心部分の解像度と比べ低くなるという問題は解消されない。

上記問題に対し、例えば、特許文献１に画像の歪みを低減する撮像装置が記載されている。特許文献１記載の撮像装置は、撮影する画像の歪みを低減することができるので、ソフトウェアによる画像処理を必要としない。

図５は、特許文献１に記載の広視野の撮像装置の構成を示す図である。図５に示す撮像装置２００は、カメラ２１０とミラー２２０とを備える。

カメラ２１０は、ミラー２２０に反射した像を撮影する。ミラー２２０は、カメラ２１０の視野が広がるように反射面が形成されている。撮像装置２００は、ミラー２２０を用いることで、カメラ２１０の視野である角度θより広い視野である角度Φを実現することができる。また、ミラー２２０は、カメラ２１０が撮影する画像に歪みが生じないように形成されている。これにより、撮像装置２００は、撮影する画像の歪みを低減することができる。
特開２００２−２２１７５２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の撮像装置は、画像の歪みを低減しているが、カメラ自身が有する撮影した画像に対する歪みについては考慮されていない。従来の撮像装置は、カメラ自身が有する歪みを考慮しないので、ミラーを歪みが発生しないように形成しても、撮像装置が撮影する画像にはカメラ自身が有する歪みが残ることとなる。例えば、図４（ｃ）に示すように、カメラ自身が有する歪みが撮影した画像に生じる。

そこで、本発明は、広視野であり、かつ、歪みの少ない画像を撮影できる撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る撮像装置は、カメラと、前記カメラの撮像範囲より広い範囲の像を反射し前記カメラに送るミラーとを備える撮像装置であって、前記ミラーは、前記カメラ自身が有する撮像した画像に生じる歪みを相殺する形状であり、前記カメラの光軸に対して回転対称でない形状である。

この構成によれば、本発明に係る撮像装置は、カメラ自身が有する撮像した画像に生じる歪みを相殺する形状のミラーを備える。これにより、ミラーに反射された像をカメラで撮影することで、カメラ自身が歪みを有する場合であっても、撮影した画像に歪みは発生しない。よって、本発明に係る撮像装置は、広視野であり、かつ、歪みの少ない画像を撮影できる。また、ミラーは、カメラの光軸に対し回転対称でない形状である。すなわち、カメラの光軸と、撮像装置の光軸とをずらすことにより、カメラが撮影する画像にカメラが写りこむことを防止することができる。

また、前記ミラーは、歪みが発生しない状態の微少領域ごとの光線ベクトルが反射され、前記カメラ自身が有する撮像した画像に生じる歪みの影響を含む前記カメラの微少領域ごとの光線ベクトルとなる反射面を有してもよい。

また、前記ミラーは、凹状の形状を有する領域と、凸状の形状を有する領域とを含んでもよい。

また、本発明に係るミラーは、カメラの撮像範囲より広い範囲の像を反射し前記カメラに送るミラーであって、前記カメラ自身が有する撮像した画像に生じる歪みを相殺する形状であり、前記カメラの光軸に対して回転対称でない形状である。

この構成によれば、本発明に係るミラーは、カメラ自身が有する撮像した画像に生じる歪みを相殺する形状である。これにより、ミラーに反射された像をカメラで撮影することで、カメラ自身が歪みを有する場合であっても、撮影した画像に歪みは発生しない。よって、本発明に係るミラーを用いた撮像装置は、広視野であり、かつ、歪みの少ない画像を撮影できる。また、ミラーは、カメラの光軸に対し回転対称でない形状である。すなわち、カメラの光軸と、撮像装置の光軸とをずらすことにより、カメラが撮影する画像にカメラが写りこむことを防止することができる。

また、カメラの撮像範囲より広い範囲の像を反射し前記カメラに送るミラーの設計方法であって、歪みが発生しない状態の光線ベクトルである第１の光線ベクトルを微少領域ごとに算出する第１のステップと、前記カメラ自身が有する撮像した画像に生じる歪みの影響を含む前記カメラの光線ベクトルである第２の光線ベクトルを微少領域ごとに算出する第２のステップと、前記第１の光線ベクトルが反射し前記第２の光線ベクトルとなる反射面の法線ベクトルを微少領域ごとに算出する第３のステップと、前記微少領域ごとに算出された法線ベクトルに基づき前記ミラーの形状を算出する第４のステップとを含む。

これによれば、本発明に係る設計方法は、カメラ自身が有する撮像した画像に生じる歪みを含むカメラの光線ベクトルを用い、ミラーの形状を算出する。よって、カメラ自身が有する撮像した画像に生じる歪みを相殺する形状のミラーを設計することができる。カメラ自身が有する撮像した画像に生じる歪みを相殺する形状のミラーに反射された像をカメラで撮影することで、カメラ自身が歪みを生じる場合であっても、撮影した画像に歪みは発生しない。よって、本発明に係る設計方法により設計したミラーを用いることで、広視野であり、かつ、歪みの少ない画像を撮影できる。

本発明は、広視野であり、かつ、歪みの少ない画像を撮影できる撮像装置を提供することができる。

以下、本発明に係る撮像装置の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

本実施の形態に係る撮像装置は、撮像装置が備えるカメラ自身が有する撮影した画像に対する歪みを相殺するミラーを形成することで、撮影した画像の歪みを低減することができる。

まず、本実施の形態に係る撮像装置の構成を説明する。
図１は、本実施の形態に係る撮像装置の構成を模式的に示す図である。

図１に示す撮像装置１００は、撮像範囲１３０の画像を撮影する撮像装置である。例えば、撮像装置１００は、監視カメラまたは自動車のバックモニター等に用いられる撮像装置である。撮像装置１００は、カメラ１１０と、ミラー１２０とを備える。

カメラ１１０は、ビデオカメラ等の動画像を撮影するカメラである。カメラ１１０は、ミラー１２０に反射した像を撮影する。ミラー１２０は、カメラ１１０の視野が広がるように反射面が形成される。すなわち、ミラー１２０は、カメラ１１０の撮像範囲より広い範囲の像を反射しカメラ１１０に送る。これにより、撮像装置１００が撮影可能な撮像範囲１３０は、カメラ１１０の視野よりも広い範囲となる。なお、カメラ１１０は、静止画像を撮影するカメラであってもよい。

ミラー１２０のミラー面は、滑らかな曲面である。ミラー１２０のミラー面の形状は、カメラ１１０とミラー１２０と位置関係に応じ、カメラ１２０が有する撮像した画像生じる歪みを相殺するように形成される。すなわち、撮像装置１００が撮影した画像に歪みが生じないようにミラー１２０のミラー面の形状が形成される。ミラー１２０のミラー面の形状は、ミラー面の微少領域ごと(例えば、画素ごと)に数値計算することにより設計される。ここで、撮影した画像に歪みが生じないとは、撮像した画像が、実際の物質空間の透視投影の像となることを意味する。すなわち、実際の物質空間において直線の像は、直線として撮影される。また、実際の物質空間における寸法の比が変更されることなく撮影される。例えば、図４（ａ）の格子模様を撮像した場合には、図４（ａ）と同じ画像が取得される。

また、ミラー１２０は、撮像範囲１３０にカメラ１１０が入り込まないように形成される。すなわち、ミラー１２０のミラー面の形状は、カメラの光軸に対し回転対称とならないように形成される。これにより、撮像装置１００が取得する画像には、カメラ１１０が写りこまない。

また、カメラ１１０およびミラー１２０は、機械的な駆動部分を有さず、カメラ１１０とミラー１２０との位置関係は固定されている。

図２は、ミラー１２０の形状を示す外観図である。
図２に示すように、ミラー１２０は、全体として凸状の形状である。また、ミラー１２０は、凹状の形状を有する領域１２２と、凸状の形状を有する領域１２１とを含む。このようなミラー１２０の形状は、所望の画角および撮影した画像に歪みが生じない撮像装置１００の条件に基づき、数値計算することにより決定される。

なお、図２において、ミラー１２０は、凹状の形状を有する領域と、凸状の形状を有する領域とを含んでいるが、この形状に限定されるものではない。例えば、凸状の形状のみを有してもよい。

以上の構成により、本実施の形態に係る撮像装置１００は、カメラ１１０自身が有する撮像した画像に生じる歪みを相殺する形状のミラー１２０を備える。これにより、ミラー１２０に反射された像をカメラ１１０で撮影することで、カメラ１１０自身が歪みを有する場合であっても、撮影した画像に歪みは発生しない。よって、本実施の形態に係る撮像装置１００は、広視野であり、かつ、歪みの少ない画像を撮影できる。

次に、本実施の形態に係る撮像装置１００が備えるミラー１２０の設計方法を説明する。

図３は、本実施の形態に係る撮像装置１００が備えるミラー１２０の設計方法の流れを示すフローチャートである。

まず、撮像装置１００の画角（視野）および歪み等の仕様を設定する（Ｓ１００）。具体的には、取得する画像の大きさ、画素数、各画素の形状、画像の反転／非反転、撮像装置１００に対する撮像領域１３０の方向（ミラー１２０の光軸方向）および焦点距離を設定する。撮像装置１００の焦点距離をカメラ１１０の焦点距離より小さくすることで撮像装置１００の画角をカメラの画角より大きくする。また、撮像装置１００の取得する画像には歪みが発生しないように設定する。

次に、カメラ１１０のキャリブレーションを行い、画角（視野）および歪み等の仕様を取得する（Ｓ１０１）。具体的には、カメラ１１０が取得する画像の大きさ、画素数、各画素の形状、画像の反転／非反転、カメラ１１０の光軸方向およびカメラ１１０の焦点距離を取得する。また、カメラ１１０自身が有する撮像した画像に生じる歪みの情報を取得する。

ステップＳ１００において設定した撮像装置１００の画角および歪みから各画素の光線ベクトルを算出する（Ｓ１０２）。すなわち、歪みが発生しない状態の撮像装置１００の光線ベクトルを算出する。次に、ステップＳ１０１において取得したカメラ１１０の画角および歪みから各画素の光線ベクトルを算出する（Ｓ１０３）。すなわち、カメラ１１０自身が有する撮像した画像に生じる歪みの影響を含むカメラ１１０の光線ベクトルを算出する。

次に、カメラ１１０とミラー１２０との位置関係を設定する（Ｓ１０４）。この際、撮像装置１００の画角にカメラ１１０が入り込まないように設定される。

ステップＳ１０２で算出した撮像装置１００の光線ベクトルと、ステップＳ１０３で算出したカメラ１１０の光線ベクトルと、ステップＳ１０４において設定したカメラ１１０とミラー１２０との位置関係に基づき、各画素におけるミラー１２０の法線ベクトルを算出する（Ｓ１０５）。すなわち、ステップＳ１０２で算出した光線ベクトルが反射し、ステップＳ１０３で算出した光線ベクトルとなる反射面の法線ベクトルを算出する。

ステップＳ１０３で算出した光線ベクトルと、ステップＳ１０５で算出した各画素の法線ベクトルに基づき、解析的にミラー１２０のミラー面の形状を算出する（Ｓ１０６）。例えば、まず、中心の画素の法線ベクトルから中心の画素のミラー面の形状を算出し、順次隣接する画素のミラー面の形状を算出する。

ステップＳ１０６で算出したミラー面の形状が所望の形状であった場合（Ｓ１０７でＹｅｓ）、算出した形状を用いる。一方、所望の形状でない場合（Ｓ１０７でＮｏ）、カメラ１１０とミラー１２０との位置関係を変更し（Ｓ１０４）、その後、各画素におけるミラー１２０の法線ベクトルを算出し（Ｓ１０５）、ミラー１２０のミラー面の形状を算出する（Ｓ１０６）。このように、所望の形状を得られるまで、ステップＳ１０４〜１０６の動作を繰り返す。ここで、所望の形状でない場合とは、例えば、ステップＳ１０６の算出された形状においてミラーが２重になる等の解がない場合、または、ステップＳ１０６で算出した形状においてミラー１２０の大きさが大きすぎる場合等である。なお、所望の形状が得られない場合（Ｓ１０７でＮｏ）には、カメラ１１０とミラー１２０との位置関係のみでなく、撮像装置１００の画角等を変更してもよい。

以上より、本実施の形態に係る撮像装置１００が備えるミラー１２０の設計方法は、歪みが発生しない状態の撮像装置１００の光線ベクトルと、カメラ１１０自身が有する撮像した画像に生じる歪みの影響を含むカメラ１１０の光線ベクトルとからミラー１２０のミラー面の形状を設計する。すなわち、ミラー１２０は、歪みが発生しない状態の画素毎の光線ベクトルが反射され、カメラ１１０自身が有する撮像した画像に生じる歪みの影響を含むカメラ１１０の画素毎の光線ベクトルとなる反射面を有する。これにより、ステップＳ１０１において取得したカメラ１１０が有する歪みの影響を考慮したミラー１２０が設計される。よって、本実施の形態に係るミラーの設計方法により設計されたミラー１２０を備える撮像装置１００は、カメラ１１０が有する歪みの影響を相殺することができる。これにより、撮像装置１００が取得する画像の歪みを低減することができる。

以上、本発明の実施の形態に係る撮像装置およびその設計方法について説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。

例えば、上記説明では、図３において撮像装置１００の仕様の設定（Ｓ１００）の後にカメラの仕様の取得（Ｓ１０１）を行っているが、撮像装置１００の仕様の設定（Ｓ１００）の前にカメラの仕様の取得（Ｓ１０１）を用いてもよいし、同時に行ってもよい。また、各画素の光線ベクトルの算出（Ｓ１０２）は、撮像装置１００の仕様の設定（Ｓ１００）の後であり、かつ、ミラーの法線ベクトルの算出（Ｓ１０５）の前であれば任意のタイミングで行ってよい。また、カメラの各画素の光線ベクトルの算出（Ｓ１０３）は、カメラの仕様の取得（Ｓ１０１）の後であり、かつ、ミラーの法線ベクトルの算出（Ｓ１０５）の前であれば任意のタイミングで行ってよい。また、カメラの位置関係の設定（Ｓ１０４）は、ミラーの法線ベクトルの算出（Ｓ１０５）の前であれば任意のタイミングで行ってよい。

また、ミラー１２０の設計方法において、画素単位で撮像装置１００の光線ベクトル、カメラ１１０の光線ベクトルおよび法線ベクトルを算出し、ミラー１２０のミラー面の形状を算出しているが、算出の単位は画素単位に限らない。例えば、複数画素単位で算出を行ってもよいし、１画素を複数に分割した１画素以下の単位で算出を行ってもよい。

また、上記説明では、撮像装置１００が取得する画像に歪みが生じないようにミラー１２０を設計しているが、所望の歪みが発生するようにミラー１２０を設計してもよい。この場合、図３のステップＳ１００において、撮像装置１００が取得する画像における所望の歪みを設定し、ステップＳ１０３において設定した画角および所望の歪みから各画素の光線ベクトルを算出すればよい。

また、上記説明では、ミラー１２０は、撮像範囲１３０にカメラ１１０が写りこまないように形成されるとしたが、撮像範囲１３０にカメラ１１０が写りこんでもよい。

また、上記説明では、ミラー１２０は、撮像した画像が、実際の物質空間の透視投影の像となるように形成されるとしたが、実際の物質空間の平行投影の像となるように形成されてもよい。

更に、本発明の主旨を逸脱しない限り、本実施の形態に対して当業者が思いつく範囲内の変更を施した各種変形例も本発明に含まれる。

本発明は、撮像装置に適用でき、特に、監視カメラ、自動車のバックモニターおよびＷｅｂカメラ等に適用できる。

本実施の形態に係る撮像装置の構成を示す図である。 本実施の形態に係る撮像装置のミラーの形状を示す外観図である。 本実施の形態に係る撮像装置が備えるミラーの設計方法の流れを示すフローチャートである。 従来の撮像装置の構成を示す図である。 撮影画像の一例を示す図である。

符号の説明

１００、２００ 撮像装置
１１０、２１０ カメラ
１２０、２２０ ミラー
１３０ 撮像範囲

Claims (5)

1. カメラと、前記カメラの撮像範囲より広い範囲の像を反射し前記カメラに送るミラーとを備える撮像装置であって、
   前記ミラーは、前記カメラ自身が有する撮像した画像に生じる歪みを相殺する形状であり、前記カメラの光軸に対して回転対称でない形状である
   ことを特徴とする撮像装置。
2. 前記ミラーは、歪みが発生しない状態の微少領域ごとの光線ベクトルが反射され、前記カメラ自身が有する撮像した画像に生じる歪みの影響を含む前記カメラの微少領域ごとの光線ベクトルとなる反射面を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 前記ミラーは、凹状の形状を有する領域と、凸状の形状を有する領域とを含む
   ことを特徴とする請求項１または２記載の撮像装置。
4. カメラの撮像範囲より広い範囲の像を反射し前記カメラに送るミラーであって、
   前記カメラ自身が有する撮像した画像に生じる歪みを相殺する形状であり、前記カメラの光軸に対して回転対称でない形状である
   ことを特徴とするミラー。
5. カメラの撮像範囲より広い範囲の像を反射し前記カメラに送るミラーの設計方法であって、
   歪みが発生しない状態の光線ベクトルである第１の光線ベクトルを微少領域ごとに算出する第１のステップと、
   前記カメラ自身が有する撮像した画像に生じる歪みの影響を含む前記カメラの光線ベクトルである第２の光線ベクトルを微少領域ごとに算出する第２のステップと、
   前記第１の光線ベクトルが反射し前記第２の光線ベクトルとなる反射面の法線ベクトルを微少領域ごとに算出する第３のステップと、
   前記微少領域ごとに算出された法線ベクトルに基づき前記ミラーの形状を算出する第４のステップとを含む
   ことを特徴とする設計方法。

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