JP2011015721A - 立体映像表示装置の立体スケール像形成装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】互いに光軸が交差するように配置した第1の撮像装置1と第2の撮像装置2と、立体画像表示装置4とを備えて、第1の撮像装置と第2の撮像装置それぞれの映像の中に長さ目盛を付した立体スケールの画像を形成し、立体スケールの視線交差角αと長さ目盛の大きさとを調整して立体画像表示装置4に表示し、映像中の立体スケールを立体視させる立体スケール像演算装置5と、表示された立体スケール11の位置を前記映像中で移動させる操作端を設けた操作盤6とを備える。
【選択図】図1
Description
さらに、立体映像中の物体の寸法を簡単に知ることができれば、的確な診断や手術に大きく貢献することになる。
このような、交叉法により撮影した映像を対象として距離画像を生成する手法は、実現していない。また、立体映像表示装置において、立体表示された映像の距離や寸法を取得する簡便な手法は、未だ知られていない。
なお、このような事情は、立体内視鏡装置に限らず、一般に用いられる交差法立体カメラを使用した立体映像表示装置においても、同様に、映像中の事物の寸法を正確に求めることが難しい。
特許文献1に記載された立体撮像装置では、観察したい被検物を画像中心部に持ってくると、新しく提供された立体計測装置により被検物までの距離が自動的に測定され、測定された距離に従い被写体の撮影倍率に対応した計測用目盛が形成されて、形成された計測用目盛がモニター画面に自動的に表示されるようになっている。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、立体カメラで撮影した立体映像の任意の位置に存在する対象物について、その奥行き(距離)、幅、高さなど長さに関する計測を容易にする立体スケールを形成して立体映像表示装置に表示させる立体スケール像形成装置を提供することである。
本発明の1態様に係る立体スケール像形成装置は、交差法を用いた立体カメラの光軸交差角である輻輳角に対応した映像深度に、実物に対応する大きさを持った長さ目盛を備えた立体スケールを画像中に表示するので、撮像装置から同じ距離にある被写体の奥行き(距離または長さ)、水平方向の長さ(幅)、垂直方向の高さ(長さ)を知ることができる。
また、立体スケールは適宜の位置に表示することができ、立体スケールの表示位置と第1および第2の撮像装置の主点面との距離に従って目盛を調整することにより、適宜の位置に撮像された被写体に適用することができる立体スケールを表示することができるので、被写体の実際の大きさを容易に推定することができる。
なお、位置や姿勢の変更に伴い、立体スケールの目盛の大きさを計算で求めることができる。一方、立体スケールの使われる領域について、その領域をカバーする点位置について、予め計算あるいは基準パターン実写像との対比により、目盛に振り直すことができるデータを形成しておいて、校正マトリックスとして記憶装置に格納しておくことができる。
目盛パターンを実写して、目盛パターンの実写像と立体スケール像の目盛とを対比させて較正する場合は、校正マトリックスを用いて、実態に沿った立体スケールを簡単に形成することができる。校正マトリックスの値をそのまま利用できないときは、内挿法あるいは外挿法を使用して補完することができる。
特に、立体内視鏡装置を用いて患部の観察や手術を行うときには、本発明に係る立体スケール像形成装置を用いることにより、術者が画像中に表示された患部などの寸法を簡単に知ることができるので便利である。
なお、特に、術者が患部の観察や手術を行うために使用する立体映像表示装置では、患部の色彩も重要な情報であるため、立体視のために映像の色彩が変化する方式は好ましくない。
こうして、立体画像表示装置4に、対象とする物体7の立体映像10と立体スケール11が表示され、立体メガネを装着して観察するとこれらの映像を立体視することができる。
なお、対象物の映像10において垂直や水平の方向でない斜行した方向について寸法を知りたいときには、操作盤6により立体スケール11を適宜の軸について回転させて目盛を測定方向に沿うようにさせることにより、直接対象物の映像10に当てて寸法を測定できるようにすればよい。
人の左目に擬せられる第1の撮像装置1と、右目に擬せられる第2の撮像装置2は、交差法を使って立体視を可能とする。
図4は、立体画像表示装置に表示する立体スケールを立体的に表示した概念図である。図4では、立体スケールの中心に原点を置くローカル座標系について、水平軸をX軸、奥行き方向の軸をY軸、垂直軸をZ軸として表現し、位置の異なる立体スケール相互間の関係、特に奥行き関係を明確に示すようにした。このため、図4では、立体スケール21,22,23は、撮像装置の中間点とコンバージェンスポイント8を結ぶ絶対座標系のY軸上に置かれている。
なお、立体スケールは、方眼を形成した面や、図4に示すような目盛棒を直交させた十字など、適宜のものであっても良い。
なお、基準線9から立体スケール22までの距離は、先に述べた通り、立体画像表示装置4において、立体スケール22の左目用画像と右目用画像の左右配置関係と視線交差角α1、あるいは、コンバージェンス面18に投影された左目用画像と右目用画像の間の距離L1に関係する量として、算出することができる。
なお、基準線9から立体スケール23までの距離は、立体画像表示装置4において、立体スケール23の左目用画像と右目用画像の左右配置関係と視線交差角α2、あるいは、コンバージェンス面18に投影された左目用画像と右目用画像の間の距離L2に関係する量として、算出することができる。
立体スケール22は立体画像表示装置4の画像中央に立体表示されるにもかかわらず、左目用画像は右側に偏倚しており、右目用画像は左側に偏倚している。片目用画像の偏倚量はそれぞれL1/2で、両者の隔たりはL1になる。立体スケール22の目盛の大きさは、基準立体スケール21の目盛に対して、Dc/Ds倍になっている。
基準立体スケール21は、左目用画像と右目用画像のいずれも画面中央位置に表されて、標準立体スケール21の画像の中心位置の偏倚はない。基準立体スケール21の目盛の大きさは、実体の立体スケールテンプレートと対照させて校正された値になっている。
立体スケール23は立体画像表示装置4の画像中央に表示されるにもかかわらず、左目用画像は左側に偏倚しており、右目用画像は右側に偏倚している。片目用画像の偏倚量はそれぞれL2/2で、両者の隔たりはL2になる。立体スケール23の目盛の大きさは、基準立体スケール21の目盛に対して、Dc/Dl倍になっている。
図6は、本実施形態の立体画像表示装置に係る立体スケール像形成装置に用いる操作盤6の1例を示す斜視図である。
十字キー31は、X軸方向とZ軸方向の移動を指示するスイッチである。十字キー31の横方向の腕はX軸方向の制御を行い、腕の右側を押し込めば、立体スケールは横方向右側(X軸正方向)に移動し、左側を押し込めば立体スケールは横方向左側(X軸負方向)に移動する。また、縦方向の腕はZ軸方向の制御を行い、腕の上側を押し込めば、立体スケールは上の方向(Z軸正方向)に移動し、下側を押し込めば、下の方向(Z軸負方向)に移動する。なお、十字キー31は、長押しにより上の通り決められた方向に高速移動するように構成しても良い。
トラックボール32は、3軸回転方向の運動を指示する操作端で、トラックボールの垂直軸周りの回転に立体スケールのZ軸周りのヨー運動、左右方向の回転にY軸周りのピッチ運動、前後方向の回転にX軸周りのロール運動をそれぞれ割り当てて、立体スケールの回転運動を制御できるようになっている。
このように、トラックボール32を操作端として追加すれば、立体スケールの回転を含めた6軸を簡単に制御することができるようになる。
十字キー31により、立体スケールのX軸方向の平行移動とZ軸方向の平行移動を制御する。また、シーソーキー33により、立体スケールのY軸方向の平行移動を制御する。
このように、立体スケールは、6軸の自由度を持っていて、それぞれが単独に変化することができるが、変化した立体スケールは、その位置に応じた目盛を持っていなければならない。すなわち、Y軸方向に移動した場合は、撮像装置の基準線9から立体スケールまでの距離Dyが変化するので、基準線からの距離Dcの位置にある基準立体スケール21の目盛を基準として、そのDc/Dy倍の大きさの目盛を備えるようにしなければならない。
このリセットキーが使えるため、映像が変化するときや映像中の測定対象を変更するときにおける立体スケールの追従性が向上する。
立体画像表示装置4に表示する立体スケールの目盛の大きさは、コンバージェンス面18を基準として光学的配置関係に基づく演算により求めることができる。しかし、部品の光学性能のばらつきや、組立誤差、あるいは光学調整や使用による変動などにより、光学パラメータが設計値と異なる場合には、演算により得た立体スケールの目盛は信頼性が低下する。
これに対して、図8に示すように、実体の立体スケールテンプレートに基づいて、映像中に表示する立体スケールの目盛を校正する方法を用いることができる。
なお、画像処理技術を用いて自動的に実体の立体スケールテンプレート29の目盛を検出して大きさを算定し、目盛合わせに使うこともできる。
さらに、実体の立体スケールテンプレート29の単位長目盛30の寸法と、第1の撮像装置1と第2の撮像装置2のたとえば主点同士を結ぶ基準線9からコンバージェンス面18までの距離Dcを検出してシステムに記録し、その後にそれらのデータを使用して基準立体スケール21の像を形成するようにしてもよい。
なお、第1の撮像装置1と第2の撮像装置2を結ぶ基準線9から対象物の位置までの距離Dsに基づいて目盛の大きさを決めた立体スケールの像を形成し、対象物の像の位置に立体表示するようにしてもよい。目盛の大きさは、基準立体スケール21の目盛に対して、Dc/Ds倍になる。
なお、第1の撮像装置1と第2の撮像装置2を結ぶ基準線9から対象物の位置までの距離Dlに基づいて、基準立体スケール21の目盛のDc/Dl倍の大きさの目盛を持った立体スケールの像を、対象物の像の位置に立体表示するようにしてもよい。
一旦各位置における目盛の校正を行った後では、そのデータを校正データマトリクスとしてシステムのメモリに格納しておいて、測定の必要に応じて校正データマトリクスのデータを選択して立体スケールを表示すればよい。校正を行っていない位置に関する立体スケールは、校正を行った位置のデータを使って内挿法または外挿法により適切な立体スケールを形成して表示すればよい。
本実施形態における立体スケールは、特に立体内視鏡装置に適用するため、歪んだスクリーンを使わずに、歪みのある立体映像の中に、歪みに適合する立体スケールを形成することで対処することができる。
校正データマトリクスは、Y座標上の平面における目盛の大きさについての数値情報によりマトリクスを構成したもので、このマトリクス上に立体スケールの各軸目盛の情報が存在する。したがって、任意の座標位置における立体スケールが、校正データマトリクスに集積された情報を用いることで形成することができる。たとえば、立体スケールの回転に対しても、校正データマトリクス上からスケール作成情報を取得して、斜行する腕に刻む目盛の大きさを確定することができる。また、必要な情報がない位置についても、内挿法あるいは外挿法などにより、欲しい情報を形成することができる。
光学系歪み補正用の校正データマトリクス41は、実体の立体スケールテンプレートを適宜の位置に配置して、立体カメラ(第1の撮像装置と第2の撮像装置)で取得する立体画像信号に基づいて形成する。不足のデータは、内挿法や外挿法により補填することができる。校正データマトリクス41は、立体スケール像演算装置に内蔵もしくは付属する記憶装置に格納することが好ましい。
さらに、近地点における立体スケール44について、同様にして目盛のデータを形成しする。近地点における立体スケール44では、広角レンズの影響で光学系歪みが現れるため、特に枠の周辺部分における格子がゆがむ現象が見られる。こうした実態を反映した測定データを、校正データマトリクス41を構成するデータとして記憶させる。
こうして得られた校正データマトリクス41に、立体スケールの各軸方向の目盛の情報が存在する。立体スケールの6軸を変更したときにも、立体スケールの位置と姿勢に基づき、この校正データマトリクス41のデータを用いて、寸法測定に対して適正な目盛を有する立体スケールを形成することができる。
なお、校正データマトリクス41は、光学系歪みがない場合についても同様に作成して利用することにより、立体スケールの形成における効率を向上させることができる。
立体内視鏡51は、光軸が前方の決められたコンバージェンスポイント57で交差するように配置されたほぼ同じ性能を有する2個のカメラ55,56を備えている。
2個のカメラ55,56で構成される立体カメラが形成した映像信号は、立体表示コントロールユニット52に入力される。立体表示コントロールユニット52は、画像処理装置と立体スケール像演算装置を内蔵する。立体表示コントロールユニット52は、内蔵した画像処理装置により、立体カメラ55,56から入力された映像信号を立体液晶モニター53に右目用と左目用に分離して表示させる。
立体表示コントロールユニット52は、内蔵する立体スケール像演算装置により、立体スケールの左目用と右目用の画像信号を形成して、内蔵する画像処理装置に供給する。画像処理装置で、立体スケール画像信号の左目用信号が左目用の立体カメラの映像信号と重畳され、右目用信号が右目用の立体カメラの映像信号に重畳されて、立体液晶モニター53に送信され表示される。
こうして、立体液晶モニター53に、患部の立体映像と立体スケール58が立体的に表示される。
したがって、立体映像中の患部の位置に立体スケール58の像が重なるように調整すれば、立体スケール58の目盛を読み取ることにより、患部の寸法を測定することができ、的確な診断および手術が可能になる。
なお、校正データマトリクスは、撮像装置の分解掃除、再調整、特性変化などがあれば、適宜に再校正して更新するものであることはいうまでもない。
2 第2の撮像装置
3 画像処理装置
4 立体画像表示装置
5 立体スケール像演算装置
6 操作盤
7 対象物
8 コンバージェンスポイント
9 撮像装置の主点を結ぶ基準線
10 対象物の像
11 立体スケール像
12 対象物(猫)
13 対象物(教会)
14 左目用の画像
15 右目用の画像
16 左目用の画像
17 右目用の画像
18 コンバージェンス面
20 立体スケール像形成装置
21 基準立体スケール像
22 立体スケール像
23 立体スケール像
29 実体の立体スケールテンプレート
30 単位長の目盛
31 十字キー
32 トラッキングボール
33 シーソーキー
34,35 押しボタンスイッチ
36 広角レンズ
37 理想の目盛
38 広角レンズで得られる目盛
39 歪みのない表示位置
40 広角レンズによる表示位置
41 校正データマトリクス
42 遠地点データ
43 コンバージェンスポイントのデータ
44 近地点データ
51 立体内視鏡
52 立体表示コントロールユニット
53 立体液晶モニター
54 操作盤
55,56 立体カメラ
57 コンバージェンスポイント
58 立体スケール
Claims (10)
- 第1の撮像装置と第2の撮像装置と、立体画像処理装置と、画像表示装置とを備えた立体映像表示装置において、前記第1の撮像装置と前記第2の撮像装置それぞれの映像の中に長さ目盛を付した立体スケールの画像を形成し、前記立体スケールの視線交差角と前記長さ目盛の大きさとを該立体スケールの位置に合わせて調整して前記画像表示装置に表示し、前記立体スケールを立体視させる立体スケール像演算装置と、表示される前記立体スケールの位置を前記映像中で移動させる操作端を設けた操作盤とを備える、立体映像表示装置の立体スケール像形成装置。
- 前記立体スケールの目盛は、前記立体スケールの表示位置と前記第1および第2の撮像装置の主点面との実体上の距離に従って、大きさを調整する、請求項1記載の立体映像表示装置の立体スケール像形成装置。
- 前記立体スケールの画像は、寸法の一定したパターンを前記立体スケールの表示位置に配置して撮影した実写画像と対比して立体スケールの目盛の大きさを較正したデータを集積して形成した校正データマトリクスに基づいて形成した、請求項1記載の立体映像表示装置の立体スケール像形成装置。
- 前記第1の撮像装置と第2の撮像装置は互いに光軸が交差するように配置され、前記立体スケールの画像は、前記第1および第2の撮像装置の光軸の交差点を含み該光軸に挟まれた角を2分する線に垂直なコンバージェンス面に、該立体スケールの右目用画像と左目用画像を投影したときの距離差を基準として、大きさを調整する、請求項1記載の立体映像表示装置の立体スケール像形成装置。
- 前記操作盤は、映像中の該立体スケールの位置を前記光軸の交差点の位置に移動させる操作端を備える、請求項4記載の立体映像表示装置の立体スケール像形成装置。
- 前記操作盤は、映像中の該立体スケールの姿勢を調整する操作端を備える、請求項1から5のいずれか一項に記載の立体映像表示装置の立体スケール像形成装置。
- 前記操作盤は、映像中の該立体スケールの位置を直交座標系のX軸方向、Y軸方向、Z軸方向に独立に移動させる操作端と、映像中の該立体スケールの回転をロール軸、ピッチ軸、ヨー軸の周りに独立に調整して該立体スケールの姿勢を調整する操作端とを備え、前記立体スケール像形成装置は、ロール軸とピッチ軸とヨー軸の各軸をそれぞれ直交座標系の1軸と組み合わせて、同時にはそれぞれ組み合わされた2軸のみが操作できるようにするモードを有し、前記操作盤が該モードの指定と解除を行う操作端を備える、請求項1から4のいずれか一項に記載の立体映像表示装置の立体スケール像形成装置。
- 立体スケールの目盛を実体目盛に対応させる数値情報を集積した校正データマトリクスを記憶装置に格納して、前記立体スケールの位置と姿勢に従って得た該校正データマトリックスの数値情報に基づいて立体スケールの画像を形成し、前記画像表示装置に表示する、請求項1から7のいずれか一項に記載の立体映像表示装置の立体スケール像形成装置。
- 前記第1の撮像装置と第2の撮像装置は、立体内視鏡のカメラである、請求項1から8のいずれか一項に記載の立体映像表示装置の立体スケール像形成装置。
- 請求項9記載の立体映像表示装置の立体スケール像形成装置を備えた立体内視鏡装置。
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