JP2019514078A - 時間多重化プログラム可能な視野撮像 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、全体的に参照により本明細書に援用される2016年3月10日に出願された米国仮特許出願第62/306,615号への優先権を主張するものである。
本開示は、カメラ視野角度を高速で調整するように動作可能なシステム及び方法に関する。視野角度調整は、高速画像捕捉プロセスと同期し得る。したがって、短い時間期間内で複数のフレームを捕捉し得、物体の移動及び/又は手に持つことに起因した手振れの影響を回避し得る。本システム及び本方法は、写真ステッチング及び/又は広域FOV(例えば、360°FOV)動画で使用される画像を捕捉し得る。
本開示は、時間多重化を利用して、1つのカメラを使用して可変視野(VFOV)の写真又は動画を捕捉する。図1は、実施形態例によるシステム100の概略図を示す。システム100は、カメラと、光を様々な方向に導波し、同時に、レンズストップを露出することができる中継光学系とを含む。システム100は、カメラの視野(例えば、視野角度)を調整する回転ミラーも含む。システム100は、回転ミラーの状態を読み出し、ミラーの移動を制御するモータコントローラを更に含む。システム100は、a)カメラからデータを読み出し、カメラを制御し、b)モータコントローラからデータを読み出し、モータコントローラを制御するカメラ制御・画像処理システムを更に含む。システム100は、制御パネル、1つ又は複数のボタン、タッチパッド、又は別のタイプの入力デバイスを含み得る。
ミラーが回転するにつれて、カメラの視野は360度全体を走査する。実施形態例では、ミラーが回転するにつれて、システムは複数の画像を撮影し、複数の画像をステッチングして360度画像にする。図2は、実施形態例によるシステム200を示す。図2に示されるように、ミラーが45°、135°、225°、及び315°の角度にそれぞれ回転する際、4枚の画像を捕捉し得る。各画像は90°よりも大きな水平視野(FOV)を有する。次に、4枚の写真を一緒にステッチングすることにより、360°出力画像を形成し得る。ミラーが2つのみの角度間で回転する場合、〜180°FOVの出力画像をステッチングすることができる。ミラーがいかに回転するか及び画像がいつ捕捉されるかを制御することにより、システムは、様々なFOVを有する画像を出力することができる。画像ステッチングのために、出力画像でのギャップを回避するために、連続画像間に重複があることを確認することが望ましいことがある。したがって、本明細書におけるシステム及び方法は、所定の画像重複に基づいて画像を捕捉し得る。モータ回転の精密な制御により、必要とされる重複を最小にし得、モータ制御誤差又はミラー位置不確実性に基づいて、所定の画像重複を決定し得る。
別の実施形態では、システムは、ミラーが回転するにつれて画像を捕捉することができ、画像は360°動画(又は任意の他のより小さな角度量)に変換し得る。図2は、一例として4つの画像捕捉位置を有する回転ミラーを示す。回転ミラーを用いて、システムは、FOV1、FOV2、FOV3、及びFOV4のフレームをそれぞれ捕捉し、画像処理アルゴリズムが、あらゆる4つの連続フレームを視野の大きな1つのフレームにステッチングし、したがって、高フレームレートであるが、FOVの狭い動画(図2の中間の図に示される)をフレームレートがより低いが、FOVの大きな動画(図2の最後の図に示される)に変換する。
システムでの中継光学系の一機能は、カメラの開口絞り露出させることである。開口絞りは通常、光路において最小のビーム直径を画定又は対応するため、反射回転ミラーを開口絞りの位置又はその近傍に配置することにより、反射回転ミラーのサイズを最小に抑えることができる。高速回転速度を達成するためには、回転ミラーのサイズ及び重量を最小に抑えることが重要である。
実施形態例では、平面回転ミラーが使用され、したがって、カメラの視野は変更されない(例えば、歪まない)。そのような状況では、ミラーは、光学系の外部絞りの近くに配置される。
本明細書に記載される回転ミラー及び画像捕捉方法は、異なるカメラシステムに適合し、異なる結果を達成するように様々な方法で実行し得る。以下に列挙するのは、このシステムが動作し得る幾つかの非限定的なモードである。
ミラーがまだ回転している間に画像を捕捉すると、モーションブラーが生じる恐れがある。モーションブラーを最小に抑えるために、露出中、ミラーの移動を最小に抑える必要がある。図5は実施形態例による方法500を示す。方法500に示されるように、システムは、画像フレームが捕捉された後かつ次の画像捕捉が開始される前でのみ、ミラーが動くようにミラーの回転とカメラの露出とを同期させる。
図7は、実施形態例による動作時系列700を示す。動作時系列700は、システムがフレームを連続モードで捕捉し、ミラーが停止したときに1つのフレームが露出を開始し、ミラーが再び動き始める前に露出を完了するようにミラーの動きが同期される別の状況を示す。フレームのタイムスタンプとモータのタイムスタンプとを比較することにより、画像ブレなしの捕捉画像フレームを識別し得る。代替的には、画像処理ルーチンを利用して、ブレたフレームを検出し削除することができる。選択されたフレームは、図7においてフレーム1、フレーム2、フレーム3、及びフレーム4として示され、これらをステッチングして360°写真にすることができる。カメラが動画モードで機能する場合、モーションブラーがない4つの画像フレームを連続した8つの画像フレームから抽出することができる、これらの4つの画像フレームをステッチングして1つの360°画像フレームにする。その結果、実際の画像捕捉レートと比較して低いフレームレートで360°動画を出力し得る。
別の実施形態では、フレームの捕捉とミラーの回転との同期は必要ない。図8は、実施形態例による動作時系列800を示す。そのような状況では、動作時系列800は、360°連続動画をなお生成することができるように、非同期でいかにミラーを回転し、画像フレームを捕捉するかを示す。図8では、青色ブロックは、フレーム露出の開始時及び終了時を示し、オレンジブロックは、モータが移動を開始するとき及び終了するときを示し、ミラーは、モータ移動間、位置0、1、2、及び3において静止する。表記:
Teは、各フレームの露出時間を示し、
Tsは、モータ移動間の時間を示し、
Ttは、モータが移動中である時間を示す。
グローバルシャッタを用いる任意のフレームについて、
a)開始タイムスタンプt0を読み出し、t1=t0+Teとしてその終了タイムスタンプを計算する。
b)t0からt1までの時間中、ミラーが移動中であるか否かをチェックする。
1.はい:フレームは不良である。
2.その他の場合、フレームは良好である。
多くの近代のスマートフォン又は他のカメラにおける画像センサは、グローバルシャッタの代わりにローリングシャッタを有する。図9は、実施形態例による動作時系列900を示す。ローリングシャッタを有する画像センサの場合、図9に示されるように、各ピクセル行は異なる時点で露出を開始及び終了する。したがって、1つの行が正確に捕捉される(例えば、ミラーが動いていない状態で捕捉される)一方で、同じフレーム内の別の行はミラーの動きにより破損することがある。図10は、実施形態例による動作時系列1000を示す。図10に示されるように、図10におけるフレーム1内の行0〜3は不良であり(ミラーが動いている間に捕捉されるため)、行4及び5は良好であり、すなわち、ミラーが動いていない状態で捕捉される。良好な行は、図10において赤色で強調表示されている。
フレームごとに
a)行0のタイムスタンプt0を読み出す。
b)行iごとに
i)開始タイムスタンプAi=t0+i×sを計算し、式中、sは、ローリングシャッタでの連続行間の時間差である。
ii)終了タイムスタンプBi=Ai+Teを計算し、式中、Teは露出時間である。
iii)AiからBiまでの間、ミラーは動いていたか?
1)はい:行iは、ミラー移動中に捕捉される(「不良」)。
2)その他の場合、行iは、ミラー移動がない状態で捕捉される(「良好」)。
1.q=−1に設定
2.k=0に設定
3.i=0に設定
4.i<フレーム総数である間
a)このフレーム内の良好な全ての行を見つけ、画像Hにコピーする
b)p=0〜3の範囲のミラー位置とする
c)pがqに等しくない場合
i)q=3である場合
1)F_0、F_1、F_2、F_3をステッチングして画像Gkを得る
2)k=k+1
ii)HをF_pにコピーする
d)i=i+1
5.全ての画像Gkをエンコードして動画を提供する
図11は、実施形態例によるモータパターン1100を示す。図10の例では、ミラーは、モータパターン1として図11に示されるパターンで回転する。その結果、生の動画が毎秒240フレーム(fps)で捕捉される場合、最後の360度動画は30fpsになり、その理由は、1つの360度画像フレームが8つの生のフレームごとに出力されるためである。フレームレートはあらゆる視野角度で均一である。
実施形態例では、システムは、均一速度で反射ミラーを回転させて、大きなFOVのシーンを走査する(例えば、大きなFOVの動画を捕捉する)。画像フレームごとに、イベント検出を実行し得る。例えば、連続画像フレーム間の違いを測定することにより、移動検出を実行することができ、又は描く画像フレームを画像データベースと比較することにより、顔検出を各画像フレームで実行することができる。イベント検出は、1つ又は複数の物体を含み得る。イベントが1つの視野角度で検出されると、システムは、イベントが終了するまで、イベントがもはや検出可能ではなくなるまで、又は新しいイベントが検出されるまで、より高いフレームレートでこの視野角度及び/又は物体を追跡し、他の視野角度をより低いフレームレートで捕捉し得る。
1.上記モードC又はモードDとして大きなFOVの動画を捕捉する。
2.画像フレームごとに:
a)イベント検出(例えば、移動検出、顔検出、物体検出)を実行する。
b)イベントが検出された視野角度に、イベントが検出されない他の視野角度よりも高いフレームレートが割り当てられるように、検出結果に従って各視野角度を調整する。
c)ミラー移動を調整して、上記モードEに記載されるような様々なフレームレート捕捉を達成する。
d)ステップ2にループする。
1.上記モードC又はモードDとして大きなFOVの動画を捕捉する。
2.画像フレームごとに:
a)画像フレームを表示する。
b)ユーザは、特定の入力デバイス(例えば、タッチスクリーン、マウス、ジェスチャ等)を介して1つ又は複数の関心領域を示し得る。
c)ユーザ指示の視野角度に、ユーザ指示されない他の視野角度よりも高いフレームレートが割り当てられるように、ユーザ指示に従って各視野角度でのフレームレートを調整する。
d)ミラー移動を調整して、上記モードEに記載されるような様々なフレームレート捕捉を達成する。
e)ステップ2にループする。
Claims (22)
- カメラと、
前記カメラに光学的に結合されるミラーと、
前記ミラーに結合されるモータと、
メモリ及び少なくとも1つのプロセッサを含むコントローラと
を備え、
前記少なくとも1つのプロセッサは、前記メモリに記憶される命令を実行して、動作を実行するように構成され、前記動作は、
前記カメラが第1の視野を有するように第1の位置に前記モータを調整することと、
前記カメラを介して、前記第1の視野の画像フレームを捕捉することと、
所定の視野を含む複数の画像フレームが捕捉されるまで、各位置及び各視野において前記調整するステップ及び前記捕捉するステップを繰り返すことであって、前記所定の視野は、前記第1の視野よりも大きい角度を含む、繰り返すことと、
前記複数の画像フレームを結合して、出力画像フレームを形成することと
を含む、システム。 - 前記カメラはモバイルデバイスに組み込まれ、前記モバイルデバイスはスマートフォンを含む、請求項1に記載のシステム。
- 中継光学系を更に含み、前記ミラーは前記中継光学系を介して前記カメラに光学的に結合される、請求項1に記載のシステム。
- 前記ミラーは平面ミラーを含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記ミラーは、円筒ミラー又は球形ミラーを含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記コントローラは、無線通信インターフェースを介して通信可能に結合されるカメラ制御モジュール及びモータ制御モジュールを含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記動作は、前記調整するステップ及び/又は前記捕捉するステップを互いに同期して実行することを含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記動作は、前記調整するステップ及び/又は前記捕捉するステップを互いに非同期で実行することを含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記所定の視野は360°に等しい角度を含む、請求項1に記載のシステム。
- モータを第1の位置に調整することであって、前記モータはミラーに結合され、前記ミラーは、カメラに光学的に結合され、前記調整することは、前記カメラが第1の視野を有するように実行される、調整することと、
前記カメラを介して、前記第1の視野の画像フレームを捕捉することと、
所定の視野を含む複数の画像フレームが捕捉されるまで、各位置及び各視野において前記調整するステップ及び前記捕捉するステップを繰り返すことであって、前記所定の視野は、前記第1の視野よりも大きい角度を含む、繰り返すことと、
前記複数の画像フレームを結合して、出力画像フレームを形成することと
を含む、方法。 - 前記動作は、前記調整するステップ及び/又は前記捕捉するステップを互いに同期して実行することを含む、請求項10に記載の方法。
- 前記動作は、前記調整するステップ及び/又は前記捕捉するステップを互いに非同期で実行することを含む、請求項10に記載の方法。
- 前記カメラはグローバルシャッタを含み、前記モータを各位置に調整することは、移動時間及び静的時間を含み、画像フレームを捕捉することは露出時間を含み、前記静的時間は、前記露出時間の2倍以上である、請求項12に記載の方法。
- 前記カメラはローリングシャッタを含み、前記モータを各位置に調整することは、移動時間及び静的時間を含み、画像フレームを捕捉することは、露出時間、ピクセル読み出し時間、及びピクセルリセット時間を含み、前記静的時間は、前記露出時間、前記ピクセル読み出し時間、及び前記リセット時間の和の2倍以上である、請求項13に記載の方法。
- 各画像フレームが捕捉されていた間、前記ミラーが移動していたか否かに基づいて、前記各画像フレームのブラー状況を判断することを更に含む、請求項10に記載の方法。
- 各画像フレームと少なくとも1つの隣接する画像フレームとの画像比較に基づいて、前記各画像フレームのブラー状況を判断することを更に含み、前記画像比較は前記比較される画像フレームの鮮鋭度に基づく、請求項10に記載の方法。
- 前記各画像フレームを捕捉することは、関心領域に従って提供され、前記複数の画像フレームは、他の視野と比較して、前記関心領域に対応する視野からより多くの画像フレームを含む、請求項10に記載の方法。
- イベントを特定することを更に含み、前記各画像フレームを捕捉することは、前記特定されたイベントに従って提供され、前記複数の画像フレームは、他の視野と比較して、前記特定されたイベントに対応する視野からより多くの画像フレームを含む、請求項10に記載の方法。
- イベントを特定することは、移動検出、画像検出、顔検出、ジェスチャ検出、又は物体検出の1つを含む、請求項18に記載の方法。
- イベントを特定することは、ユーザ対話を含む、請求項18に記載の方法。
- 前記カメラは90度よりも大きい視野を有し、前記複数の画像フレームを結合することは、少なくとも4つの画像フレームを結合して、前記出力画像フレームを形成することを含む、請求項10に記載の方法。
- 前記所定の視野は360°に等しい角度を含む、請求項10に記載の方法。
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