JP2023091268A - 撮像装置、移動装置、撮像方法およびプログラム - Google Patents
撮像装置、移動装置、撮像方法およびプログラム Download PDFInfo
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Abstract
【課題】
撮像方向を変更しても、表示される撮影範囲の変化を抑制できる撮像装置を提供する。
【解決手段】
撮像装置において、被写体像を撮像する撮像素子と、前記撮像素子の受光面に前記被写体像を形成する光学系と、前記撮像素子と前記光学系からなる撮像ユニットの撮像方向を変更するための撮像方向変更手段と、前記撮像素子の出力から任意の撮影領域を切り出す切り出し手段と、前記切り出し手段により切り出された前記撮影領域の画像データを表示手段に表示させると共に、前記撮像方向変更手段により前記撮像方向を変更するのに伴って、前記表示手段に表示される前記撮影領域が変化しないように、前記切り出し手段により切り出される前記撮影領域を変更する制御手段と、を有する。
【選択図】図1
撮像方向を変更しても、表示される撮影範囲の変化を抑制できる撮像装置を提供する。
【解決手段】
撮像装置において、被写体像を撮像する撮像素子と、前記撮像素子の受光面に前記被写体像を形成する光学系と、前記撮像素子と前記光学系からなる撮像ユニットの撮像方向を変更するための撮像方向変更手段と、前記撮像素子の出力から任意の撮影領域を切り出す切り出し手段と、前記切り出し手段により切り出された前記撮影領域の画像データを表示手段に表示させると共に、前記撮像方向変更手段により前記撮像方向を変更するのに伴って、前記表示手段に表示される前記撮影領域が変化しないように、前記切り出し手段により切り出される前記撮影領域を変更する制御手段と、を有する。
【選択図】図1
Description
本発明は、撮像装置、移動装置、撮像方法およびプログラム等に関するものである。
特許文献1には、撮影領域の一部の解像度を高く撮影できる光学系を備えたカメラによって車両の周囲をモニターするためのカメラの台数を削減できる技術が開示されている。
しかしながら、特許文献1に記載のカメラでは、高解像度の撮影方向を変更すると、解像度の低い撮影領域である全体の撮影方向(表示されている撮影領域)も同時に変化してしまう課題がある。たとえば、移動する注目物体を特許文献1のカメラを用いて高解像度領域で撮影する場合、注目物体の移動に合わせてカメラ全体の撮影方向も変わってしまうため、視野方向が変化し、もともと移動しない被写体像の位置が変化してしまう課題があった。
そこで、本発明は、撮像方向を変更しても、表示される撮影範囲の変化を抑制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、本発明の撮像装置は、
被写体像を撮像する撮像素子と、
前記撮像素子の受光面に前記被写体像を形成する光学系と、
前記撮像素子と前記光学系からなる撮像ユニットの撮像方向を変更するための撮像方向変更手段と、
前記撮像素子の出力から任意の撮影領域を切り出す切り出し手段と、
前記切り出し手段により切り出された前記撮影領域の画像データを表示手段に表示させると共に、前記撮像方向変更手段により前記撮像方向を変更するのに伴って、前記表示手段に表示される前記撮影領域が変化しないように、前記切り出し手段により切り出される前記撮影領域を変更する制御手段と、を有することを特徴とする。
被写体像を撮像する撮像素子と、
前記撮像素子の受光面に前記被写体像を形成する光学系と、
前記撮像素子と前記光学系からなる撮像ユニットの撮像方向を変更するための撮像方向変更手段と、
前記撮像素子の出力から任意の撮影領域を切り出す切り出し手段と、
前記切り出し手段により切り出された前記撮影領域の画像データを表示手段に表示させると共に、前記撮像方向変更手段により前記撮像方向を変更するのに伴って、前記表示手段に表示される前記撮影領域が変化しないように、前記切り出し手段により切り出される前記撮影領域を変更する制御手段と、を有することを特徴とする。
本発明によれば、撮像方向を変更しても、表示される撮影範囲の変化を抑制できる撮像装置を提供できる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。なお、図面において、同一の部材または要素については同一の参照番号を付し、それらの重複する説明については省略または簡略化する。
[実施形態1]
図1は、実施形態1における撮像装置100と表示装置からなる撮像システムを説明するための機能ブロック図である。実施形態1の撮像装置100は、撮影した画像データを表示装置200に送信して表示するように構成されている。
図1は、実施形態1における撮像装置100と表示装置からなる撮像システムを説明するための機能ブロック図である。実施形態1の撮像装置100は、撮影した画像データを表示装置200に送信して表示するように構成されている。
また、表示装置200の操作部から、ユーザーが指示した高解像方向に関する情報を取得すると、全体の撮影方向(撮像方向)や表示される撮影範囲を維持しつつ、指示された高解像方向を、光学系の高解像度領域で撮影できるように構成されている。すなわち、撮像方向を変更しても、表示される撮影範囲の変化を抑制できるように構成されている。なお、以下の説明において撮影と撮像は同じ意味で使われる。
表示装置200は、たとえば液晶ディスプレイを含み、撮像装置100から取得した画像データを表示する機能と、表示された画像を見ながらユーザーが操作部を操作することによって高解像方向を指示できる機能を備えている。たとえば、画像データを表示する機能は、液晶ディスプレイに画像データを表示させることで実現され、表示される画像データは等距離射影画像を表示できるよう歪み補正される。
また、表示装置200の画面の一部の位置を高解像方向として指定するための操作部として、液晶ディスプレイの表面に透明電極膜を備えた抵抗膜方式のタッチパネル等を備える。ユーザーがタッチパネルを指で押圧した時に、表示画面の中央方向と押圧した位置方向とのなす角を高解像方向(θx、θy)とすることで高解像方向を指示することができる。
これについて図2を用いて詳しく説明する。図2は、実施形態1における表示装置200の画像データの表示位置と高解像方向の関係を説明する図である。黒枠で囲われた部分が液晶ディスプレイの表示領域であり、撮像装置100で撮影された画像データが表示される。また破線の交点は、液晶ディスプレイの表示領域および表示する画像データの中央であり、画像データは中央を基準に撮像装置100の画角として左右60°、上下60°の領域が表示されているものとする。
以後説明する方向の正負は、表示装置200の表示領域(表示画面)の中央を原点として、右方向または上方向を正、左方向または下方向を負とし、方向を(左右方向角度、上下方向角度)として説明する。
表示領域の左下点は中央方向から撮像装置100の画角が(-60°、-60°)の方向に対応し、表示領域の右上点は中央方向から撮像装置100の画角が(60°、60°)の方向に対応する。表示領域の内部の点も方向情報を持ち、黒点Aは中央方向となす角30°の方向、黒点Bは中央方向となす角30°の方向を示す点とすると、黒点A方向は(30°、0°)、黒点B方向は(0°、-30°)となる。
つまり、ユーザーが黒点Aを高解像方向として例えば押圧した場合、表示装置200は、方向(30°、0°)を高解像方向情報(θx、θy)として認識し撮像装置100に送信する。このように、ユーザーが押圧する個所と表示領域の中央とのなす角を認識して高解像方向とすることができる。なお、上記の説明では、高解像方向をユーザーが指示する方法について説明した。
しかし、例えば画像認識装置を用いて撮像装置100から取得した画像データから特定のオブジェクト(対象物)とそのオブジェクトの中央方向からのなす角を認識し、その方向を高解像方向として指定するようにしてもよい。すなわち、撮像素子から得られた画像データに基づき所定の対象物を画像認識をする認識手段を設け、画像認識された対象物が高解像度領域に対応するように撮像方向変更部150により撮像方向を変更しても良い。
撮像装置100は、光学系110と、被写体像を撮像する撮像手段としての撮像素子120と、結像位置変更部130からなる撮像ユニット140と、撮像方向変更部150と、切り出し部160、駆動制御部170とを有する。駆動制御部170にはコンピュータとしてのCPUが内蔵されており、記憶媒体としてのメモリに記憶されたコンピュータプログラムに基づき装置全体の各部の動作を制御する制御手段として機能する。
光学系110は、撮影画角のうち光軸周辺の狭い画角において、高精細な像を得ることができるようなイメージサークルを持つ光学特性を備え、撮像素子120の受光面に被写体像を形成する。
次に光学系110の光学特性について、図3を用いて具体的に説明する。図3は、実施形態1における光学系110の光学特性を説明するための図であり、図3(A)は、実施形態1における光学系110の、撮像素子120の受光面上での各半画角における結像高さ(像高)yを等高線状に示した図である。
図3(B)は、実施形態1における光学系110の、像高yと半画角θとの関係を表す射影特性を表した図である。図3(B)では、半画角(光軸と入射光線とがなす角度)θを横軸とし、撮像素子の受光面上(像面上)での像高yを縦軸として示している。
実施形態1における撮像装置100が有する光学系110は、図3(B)に示すように、所定の半画角θa未満の領域と半画角θa以上の領域でその射影特性y(θ)が異なるように構成されている。したがって、単位あたりの半画角θに対する像高yの増加量を解像度というとき解像度が領域によって異なる。この局所的な解像度は、射影特性y(θ)の半画角θでの微分値dy(θ)/dθで表されるともいえる。
すなわち、図3(B)の射影特性y(θ)の傾きが大きいほど解像度が高いといえる。また、図3(A)の等高線状の各半画角における像高yの間隔が大きいほど解像度が高いともいえる。なお、本実施形態における光学系110は、高解像度領域300aにおいてその射影特性y(θ)がf×θよりも大きくなるように構成されている(fは光学系110の焦点距離)。
また、θmaxを光学系110が有する最大の半画角とするとき、θaとθmaxの比θa/θmaxは所定の下限値以上であることが望ましく、例えば所定の下限値として0.15~0.16が望ましい。また、θaとθmaxの比θa/θmaxは所定の上限値以下であることが望ましく、例えば0.25~0.35とすることが望ましい。例えば、θaを90°とし、所定の下限値を0.15、所定の上限値0.35とする場合、θaは13.5~31.5°の範囲で決定することが望ましい。
ここで、fは前述のように光学系110の焦点距離であり、Aは所定の定数である。下限値を1とすることで、同じ最大結像高さを有する正射影方式(y=f×sinθ)の魚眼レンズよりも中心解像度を高くすることができ、上限値をAとすることで、魚眼レンズ同等の画角を得つつ良好な光学性能を維持することができる。所定の定数Aは、高解像度領域と、低解像度領域の解像度のバランスを考慮して決めればよく、1.4~1.9となるようにするのが望ましい。
以上のように光学系110を構成することで、高解像度領域300aにおいては、高解像度が得られる一方、低解像度領域300bでは、単位あたりの半画角θに対する像高yの増加量を小さくし、より広い画角を撮像することが可能になる。従って、魚眼レンズと同等の広画角を撮像範囲としつつ、高解像度領域300aにおいては、高い解像度を得ることができる。
また、実施形態1では、高解像度領域(低歪曲領域)においては、通常の撮像用の光学系の射影特性である中心射影方式(y=f×tanθ)や等距離射影方式(y=f×θ)に近似した特性としているため、光学歪曲が小さく、精細に表示することが可能となる。従って、周囲を目視する際における自然な遠近感が得られると共に、画質の劣化を抑えて良好な視認性を得ることができる。なお、上述の数式1の条件を満たす射影特性y(θ)であれば、同様の効果を得ることができるため、実施形態1は図3(B)に示した射影特性に限定されない。
実施形態1においては、光学系110を通して撮像素子120の受光面上に形成される結像面図3(A)の300をイメージサークルと呼び正立像を結像する特性であるとする。なお、半画角θが所定の半画角θa未満のときに撮像素子面上に形成される中心寄りの領域を高解像度領域300a、半画角θが所定の半画角θa以上の外寄りの領域を低解像度領域300bと呼ぶ。また、実施形態1では、高解像度領域300aと低解像度領域300bの境界の円を解像境界と呼ぶこととする。このように実施形態1の光学系は、撮像素子の受光面に高解像度領域と低解像度領域を有する被写体像を形成することができる。
実施形態1ではたとえば半画角θa=30°、θb=60°、θc=90°であるとき、射影特性より像高y(θa)=4mm、y(θb)=6mm、y(θc)=8mmが求まるものとする。なお、本実施形態では光軸であるイメージサークルの中心を基準に同心円方向に同じ特性である光学系として説明するが、イメージサークルの中心は光軸とずれていても良い。また、以後説明する視野角はイメージサークルの中心を基準に右方向または上方向を正、左方向または下方向を負とする。左右方向の光学系の視野角(画角)をθHFOV、上下方向の光学系の視野角(画角)をθVFOVとした場合、イメージサークル300の画角は-90°≦θHFOV≦+90°、-90°≦θVFOV≦+90°となる。
撮像素子120は、複数の画素が二次元的に配置されたCMOSイメージセンサやCCDイメージセンサ等を含み、光電変換エリアである受光面を有する。受光面に入射したイメージサークルの被写体像は電気信号に変換され、画像データとして後段の切り出し部160へ出力される。このように、部分的に高解像度領域を持つ光学系110と撮像素子120とを組み合わせることで、高解像度領域と低解像度領域を組み合わせた画像データを得ることができる。
次に図4(A)~(C)は、実施形態1におけるイメージサークル300と撮像素子120の位置関係と画像データの特性を説明する図である。図4(A)は、撮像素子の中心とイメージサークルの中心が略一致し、撮像素子の上下方向がイメージサークルの半画角θbの領域を含み、撮像素子の左右方向はイメージサークルの半画角θcの領域を含む配置とした例を説明する図である。
撮像素子から出力される画像データは、イメージサークルと重なる領域の範囲を出力することができる。すなわち、撮像素子中心から左右方向の画像データ画角をθHAOV、上下方向の画像データ画角をθVAOVとした場合、少なくとも-90°≦θHAOV≦+90°、-60°≦θVAOV≦+60°の範囲の画像データを出力することができる。
ここで、撮像素子仕様とイメージサークルの射影特性から画像データの画角θHAOV、θVAOVを確認または導出できる方法を説明する。撮像素子120の受光面サイズが左右16mm、上下12mm、画素数は左右1600画素、上下1200画素であるとする。また、左右方向をxpix、上下方向をypix、左下を原点として各画素の座標を(xpix、ypix)で表すと、撮像素子から出力される画像データの左下画素は(1、1)、右上画素は(1600、1200)となる。すると、撮像素子の中心と光軸の位置が一致している場合には、光軸は、画素(800、600)と画素(801、601)の間に位置することがわかる。
また、撮像素子の画素は中心から左右方向にそれぞれ800画素、上下方向にそれぞれ600画素存在することがわかる。また、受光面サイズ16mmに1600画素であることから、1mmあたりの撮像素子の左右方向画素数は100画素と算出できる。同様に、受光面サイズ12mmに1200画素であることから、1mmあたりの撮像素子の上下方向画素数は、100画素と算出できる。
左右方向の800画素は像高y(θc)=8mmと合致するため、それぞれ半画角θcの領域を含み、画角-90°≦θHAOV≦+90°に対応している。また、上下方向の600画素は像高y(θb)=6mmと合致するため、それぞれ半画角θbの領域を含み、画角-60°≦θVAOV≦+60°に対応していることを確認することができる。このように、撮像素子仕様とイメージサークルの射影特性と撮像素子中心とイメージサークル中心の位置関係から画像データの画角を確認または導出できる。
なお、光学系の光学特性や撮像素子仕様は本例に限定されない。任意の光学系の光学特性と撮像素子仕様と撮像素子とイメージサークルの位置関係から、撮像素子から出力される画像データの画角θHAOV、θVAOVを確認または導出することができる。
図1の結像位置変更部130は、駆動制御部170から、イメージサークルの中心と撮像素子中心の相対的な位置を変更するための変更指示が出力された場合、イメージサークルと撮像素子120の相対的な位置関係を変更する。ここで、結像位置変更部130は、撮像素子の受光面と被写体像の相対的な位置を変更するための結像位置変更手段として機能している。これによって、撮像素子120が出力する画像データの高解像方向と全体の撮影方向(撮像方向)の関係、即ち、画面内における高解像度領域の位置を変更できる。
イメージサークルに対する撮像素子の相対的な位置変更は、たとえば、ラックピニオンギア等の物理的な移動機構を用いて撮像素子を水平に移動させることで実現できる。イメージサークルの中心と撮像素子中心の相対的な位置が変化すると、撮像素子の受光面の端部迄の距離が変わり、画像データの画角θHAOV、θVAOVの範囲が変化する。つまり、イメージサークルと撮像素子の相対的な位置関係を変更することで、撮像素子から出力される画像データの中心方向(全体の撮影方向)を変更することができる。
また同時に、画像データの画角θHAOV、θVAOVにおける高解像度領域の位置を全体の撮影方向からシフトすることができる。このように、イメージサークルの中心と撮像素子の位置関係を変更することで、撮像素子から出力される画像データの中心方向(全体の撮影方向)と高解像度領域の方向の関係を変更することができる。
これについて図4(B)を用いて具体的に説明する。図4(B)は、図4(A)撮像素子の中心がイメージサークルの中心(光軸)から2mmだけ上方に水平移動した場合について説明するための図であり、図4(A)は変更前、図4(B)は変更後を表す図である。
変更後の光軸は、撮像素子仕様である1mmあたりの画素数100より、変更前の光軸と比較し画像データ200画素分だけ下方にずれており、光軸は、画素(800、400)と画素(801、401)の間に位置している。
したがって、光軸から画面端までの画素数は上方向に800画素、下方向に400画素となり、イメージサークルの射影特性から、画像データの上下方向の画角は-30°≦θVAOV≦+90°の範囲に変化する。また、画像データの画面中心(全体の撮影方向)を(θxa、θya)と表すと、図4(A)では光軸方向と同じ(0°、0°)であったが、図4(B)では上下方向の画角の変化に合わせて(0°、30°)に変化する。なお、高解像方向は光軸方向から変化しないため、全体の撮影方向と高解像方向の関係が変わることがわかる。
このように、結像位置変更部130は、イメージサークルと撮像素子120の相対的な位置関係を変更させることで、撮像素子120が出力する画像データの高解像方向と全体の撮影方向の関係を変更することができる。また、この関係を用いれば、撮像素子仕様と射影特性と必要な画角から必要な像高を求め、撮像素子とイメージサークルの中心の移動量を導出することができる。
なお、光学系の光学特性や撮像素子仕様は本件に限定するものではなく、任意の光学系の光学特性と撮像素子仕様と撮像素子とイメージサークルの位置関係から、画像データの(θxa、θya)および高解像方向を導出または確認することが可能である。
撮像方向変更部150は、駆動制御部170の光軸方向変更指示に従い、撮像ユニット140の光軸方向を変更する機能を備え、撮像素子と光学系からなる撮像ユニットの撮像方向を変更するための撮像方向変更手段として機能している。
光軸方向の変更は、撮像ユニット140または撮像装置100を、パンチルト機能を備えた回転台(電動雲台)などを用いて回転させる。したがって、回転方向を(θpan、θtilt)とすれば、高解像方向を含む全体の撮影方向(θxa、θya)を(θpan、θtilt)の分だけ変化することができる。なお、光軸方向の変更は例えばパン方向だけ、或いはチルト方向だけなど、所定の1つの回転方向についてだけ変更するものであっても良い。
切り出し部160は、駆動制御部170からの切り出し領域指示に従い、撮像素子120の出力としての画像データの任意の一部の撮影領域を切り出し、表示装置200に出力する切り出し手段として機能している。たとえば、駆動制御部170から画像データの対角座標情報(x1、y1)(x2、y2)を受け取ると、四隅の画素座標情報が、画素(x1、y1)、画素(x2、y1)、画素(x1、y2)、画素(x2、y2)で囲まれた領域の画像データを切り出す。切り出し部160により切り出された撮影領域の画像データは表示手段としての表示装置200で表示される。
画像データの一部分を切り出すことで画像データの画角が変更できる方法について図4(C)を用いて説明する。図4(C)は、図4(A)の撮像素子から出力される画像データを説明する図である。実線400は、画素(1、1)、画素(1600、1)、画素(1、1200)、画素(1600、1200)で囲まれた領域の画像データであり、-90°≦θHAOV≦+90°、-60°≦θVAOV≦+60°の画角特性を持つ画像データである。
破線の切り出し領域410は、実線400の領域から左右方向をトリミングした画素(201、1)、画素(1400、1)、画素(201、1200)、画素(1400、1200)で囲まれた領域の画像データである。ここで左右方向の切り出し後の画像データの画角をθHcrop、上下方向の切り出し後の画像データの画角をθVcropとする。すると、いずれも図4(A)のイメージサークルの半画角θbの領域、像高y(θb)=6mmの領域を含んで重なることから-60°≦θHcrop≦+60°、-60°≦θcrop≦+60°の画角の画像データであることが分かる。
このように、撮像素子120から出力された画像データの画角θHAOV、θVAOVから、必要な任意の撮影画角θHcrop、θVcropに相当する像高を求め、必要な画素領域を導出することによって、必要な画角を持つ画像データを切り出すことができる。
なお、光学系の光学特性や撮像素子仕様は本例に限定するものではなく、任意の光学系の光学特性と撮像素子仕様と撮像素子とイメージサークルの位置関係から、任意の画角をもつ画像データの切り出し領域を確認または導出することができる。
駆動制御部170は、取得した高解像方向情報に基づき、高解像方向が画像データの高解像度領域として出力されるよう撮像方向変更部150に光軸方向変更指示を行う。すなわち、駆動制御部170は、撮像方向変更部150により撮像方向を変更することによって、表示装置に表示される画像データの一部(高解像方向)が高解像度領域に対応するように制御している。また、その際に、表示画面における変更前の光軸方向を維持するよう結像位置変更部130または切り出し部160に指示する。
次に図5から図11の例を用いて駆動制御部170の制御を具体的に説明する。
図5は、実施形態1における駆動制御部170の制御フローを説明するフローチャートである。駆動制御部170内のCPUがメモリ内のコンピュータプログラムを実行することにより順次行われる。
図5は、実施形態1における駆動制御部170の制御フローを説明するフローチャートである。駆動制御部170内のCPUがメモリ内のコンピュータプログラムを実行することにより順次行われる。
図5のステップS501は、駆動制御部170が高解像方向情報を取得すると開始するステップである。表示装置200より高解像方向情報として初期方向(0°、0°)、黒点A(30°、0°)、黒点B(0°、-30°)を取得したとして説明を続ける。
ステップS502は、駆動制御部170が高解像方向情報と対応する制御パラメータを駆動制御部170内の不図示のメモリから取得するステップである。制御パラメータは、撮像方向変更部150に指示する光軸方向、結像位置変更部130に指示する撮像素子120の移動量、切り出し部160に指示する切り出し領域情報を含む。
図6は、実施形態1においてメモリに保管されている制御パラメータの例を示す図である。図6では、左端の列に高解像方向が記載され、右の列には、対応する全体の撮影方向(表示される撮影範囲)を維持しつつ高解像方向を画像データの高解像度領域で撮影することができる制御パラメータの例が記載されている。前述のように、制御パラメータとしては光軸方向、撮像素子の移動量、切り出し領域が含まれている。
ステップS503は、駆動制御部170がステップS502で取得した制御パラメータを用いて撮像方向変更部150、結像位置変更部130、切り出し部160に制御指示するステップである。
図6から図8を用いて、撮像方向変更部150と切り出し部160の制御によって、全体の撮影方向(表示される撮影範囲)を維持しつつ、高解像方向を画像データの高解像度領域で撮影する例を説明する。
図7(A)、(B)は、実施形態1に係る撮像装置100を搭載した無人航空機(ドローン)を上方から俯瞰した図であり、図7の上方向がドローンの前方向に対応しており、撮像装置100は移動装置としてのドローン700の前方向に設置されている。701は移動装置としてのドローンの移動を制御するための移動制御手段としての回転羽根であり、ドローン700の四隅に配置されており、回転羽根701の回転によりドローン700は移動する。
図7(A)はドローンの前方向と、撮像装置100から出力される画像データの画角と、全体の撮影方向と高解像方向が(0°、0°)で一致した例を示す図である。図7(A)では、画像データ全体の撮影画角が-60°≦θHcrop≦60°、解像境界を+30°と-30°にした例を示している。
図7(B)は高解像方向が(30°、0°)、光軸方向30°、切り出し部160から出力される画像データの全体の撮影方向0°、画像データ全体の撮影画角が―60°≦θHcrop≦60°、解像境界を0°と60°にした例を示す図である。
また図8(A)は、図7(A)の撮像装置100におけるイメージサークル300と撮像素子120と切り出し領域410の関係を示した図である。図8(B)は図7(B)の撮像装置100におけるイメージサークル300と撮像素子120と切り出し領域420の関係を示した図である。
まず図7(A)の場合の駆動制御部170のステップS502とS503の制御について説明する。駆動制御部170はS502において、初期高解像方向(0°、0°)となる制御パラメータを図6のテーブルから取得する。具体的には、図6のテーブルより高解像方向が(0°、0°)に対応した制御パラメータである、撮像方向変更部150への制御値(光軸方向)、結像位置変更部130への制御値(撮像素子の移動量)、切り出し部160への切り出し領域を取得する。
すなわち、駆動制御部170はS503において、撮像方向変更部150へ光軸方向(0°、0°)を指示する。すると撮像方向変更部150は撮像ユニット140または撮像装置100を、パンチルト機能を備えた回転台(電動雲台)などを用いて光軸を正面方向(0°、0°)に設定する。
また、駆動制御部170は、結像位置変更部130へ光軸と撮像素子中心の変位量(撮像素子の移動量)0mmを指示する。すると、結像位置変更部130はイメージサークル300の中心と撮像素子120の中心を図8(A)のように一致させる。また、駆動制御部170は、切り出し部160へ切り出し領域(201、1)(1400、1200)を指示する。すると、切り出し部160は図8(A)の切り出し領域410を切り出す。
図8(A)の関係は図4(A)と図4(C)で説明した関係と同じであるから、図7(A)ように全体の撮影画角が-60°≦θHcrop≦+60°、-60°≦θVcrop≦+60°となる。したがって、撮像装置100は全体の撮影方向と高解像方向(0°、0°)が同じである画像データを出力することができる。
次に図7(B)の場合の駆動制御部170のステップS502とS503の制御について説明する。駆動制御部170はS502において、高解像方向(30°、0°)に対応した制御パラメータを図6から取得する。すなわち、駆動制御部170はS503において、撮像方向変更部150へ光軸方向(30°、0°)を指示する。
すると、撮像方向変更部150は撮像ユニット140または撮像装置100を、パンチルト機能を備えた電動雲台などを用いて光軸を正面方向から30°右に回転させ、画角を-60°≦θHcrop≦60°から-30°≦θHcrop≦90°に変更する。
また、駆動制御部170は、結像位置変更部130へ光軸と撮像素子中心の変位量(撮像素子の移動量)0mmを指示する。すると、結像位置変更部130はイメージサークル300の中心と撮像素子120の中心を図8(B)のように一致させる。
また、駆動制御部170は、切り出し部160へ切り出し領域(1、1)(1200、1200)を指示する。すると、切り出し部160は図8(B)の切り出し領域420を切り出す。図8(B)の切り出し領域420は図8(A)の切り出し領域410と比較し左に30°シフトした切り出し領域である。
すなわち、光軸を30°右に回転させることによって高解像方向を右にシフトした状態で、切り出し領域を410から420へ変更することにより、切り出し領域全体を左に30°シフトすることができる。したがって、撮像装置100は図7(B)のように全体の撮影画角が-60°≦θHcrop≦+60°、-60°≦θVcrop≦+60°となる。すなわち、全体の撮影方向や、もともと移動しない被写体像の位置や、表示されている撮影範囲を維持しつつ高解像度領域である光軸方向を高解像方向(30°、0°)に向けた画像データを出力することができる。
すなわち、切り出し部から出力される画像データの撮影画角θHcrop、θVcropが撮像方向変更部150の制御によって変わっても、撮像素子120から出力される画像データの画角θHAOV、θVAOVに光軸変化前の画角が含まれている。したがって、切り出し部160の切り出し領域を変更することで全体の撮影方向や表示されている撮影領域を維持することができる。
このように実施形態1では、撮像方向変更部150の制御と切り出し部160の制御を組み合わせることにより、全体の撮影方向(表示される撮影範囲)を維持しつつ、高解像方向を画像データの高解像度領域で撮影することができる。すなわち、撮像方向変更部150により撮像方向を変更するのに伴って、切り出し部160により切り出される撮影領域を変更しているので表示装置に表示されるもともと移動しない被写体像の位置や、表示される撮影範囲が変化しない。
次に、図6、図9、図10を用いて、撮像方向変更部150と結像位置変更部130の制御の組み合わせにより、全体の撮影方向や被写体像の位置や表示される撮影範囲を維持しつつ、高解像方向を画像データの高解像度領域で撮影することができる例を説明する。
図9(A)、(B)は、実施形態1の撮像装置100を搭載した無人航空機(ドローン)700を側方から俯瞰した図であり、図の左方向がドローン700の前方向であり、撮像装置100はドローン700の前方向に設置されている。
図9(A)は高解像方向(0°、0°)、光軸方向(0°)、切り出し部160から出力される画像データの全体の撮影方向(0°)、画角-60°≦θVcrop≦60°、解像境界(30°と-30°)の場合を示す図である。
図9(B)は高解像方向(0°、-30°)、光軸方向(-30°)、切り出し部160から出力される画像データの全体の撮影方向(0°)、画角-60°≦θVcrop≦60°、解像境界(0°と-60°)の場合を示す図である。
また図10(A)は、図9(A)の撮像装置100におけるイメージサークル300と撮像素子120と切り出し領域410の関係を示した図であり、図8(A)と同じ図である。図10(B)は図9(B)の撮像装置100におけるイメージサークル300と撮像素子120と切り出し領域410の関係を示した図である。
まず図9(A)の場合の駆動制御部170のステップS502とS503の制御は、図7(A)の制御と同じであるため説明を省略する。図9(B)の場合、駆動制御部170はステップS502において、高解像方向(0°、-30°)となるパラメータを図6のテーブルから取得する。駆動制御部170はステップS503において、撮像方向変更部150へ光軸方向(0°、-30°)を指示する。
すると、撮像方向変更部150は撮像ユニット140または撮像装置100を、パンチルト機能を備えた電動雲台などを用いて光軸を正面方向から30°下に回転させて、画角を-60°≦θVcrop≦60°から-90°≦θVcrop≦30°に変更する。
また、駆動制御部170は、結像位置変更部130へ撮像素子中心を上方2mmの位置になるよう指示する。すると、結像位置変更部130は撮像素子の位置を上方2mm移動させ、図10(B)の切り出し領域420が図10(A)の切り出し領域410と比較し上方に30°シフトした切り出し領域になる。
すなわち、光軸を30°下に回転させた状態で、撮像素子120の位置を図10(A)の位置から図10(B)の位置へ変更することにより、切り出し領域全体を上方に30°変更することができる。したがって、撮像装置100は図9(B)のように全体の撮影画角が-60°≦θHcrop≦+60°、-60°≦θVcrop≦+60°となる。よって、全体の撮影方向や被写体像の位置や表示される撮影範囲を維持しつつ高解像度領域である光軸方向を高解像方向(0°、-30°)に向けた画像データを出力することができる。
このように撮像方向変更部150の制御によって、切り出し部から出力される画像データの撮影画角θHcrop、θVcropは変わってしまう。しかし、撮像素子120から出力される画像データの画角θHAOV、θVAOVを、結像位置変更部130により撮像素子の位置変更をして光軸変化前の画角が含まれているよう変更することで、全体の撮影方向や撮影領域を維持することができる。
すなわち、撮像方向変更部150の制御と結像位置変更部130の制御の組み合わせによっても、全体の撮影方向を維持しつつ、高解像方向を画像データの高解像度領域で撮影することができる。すなわち、撮像方向変更部150により撮像方向を変更するのに伴って、結像位置変更部130により撮像素子の受光面と被写体像の相対的な位置を変更しているので、表示装置に表示される被写体像の位置や表示される撮影範囲が変化しない。
以上のように、実施形態1では、全体の撮影方向や被写体位置や表示される撮影範囲を維持しつつ、高解像方向を画像データの高解像度領域で撮影する方法として、撮像方向変更部150と切り出し部160の制御方法を説明した。また、撮像方向変更部150と結像位置変更部130の制御方法について説明した。しかしながら、他の方法として、撮像方向変更部150と切り出し部160と結像位置変更部130とをそれぞれを制御してもよい。
また、以上の説明では、高解像方向情報と合致する制御パラメータをメモリから取得し駆動制御部170がそれらの制御パラメータに基づき制御をする例を説明した。しかし、駆動制御部170、光学系110の射影特性や撮像素子120の仕様から、必要な高解像方向と全体の撮影方向や被写体像の位置や表示される撮影範囲を維持するよう、撮像方向変更部と切り出し部と結像方向変更部への制御値を演算して制御してもよい。
また、実施形態1では、高解像方向を画像データの高解像度領域の中心に合わせる例を説明したが、高解像方向が高解像度領域に含まれていれば良く、必ずしも高解像方向を高解像度領域の中心に合わせる必要はない。
また、実施形態1の駆動制御部170は高解像方向情報を取得しているが、高解像度領域情報であっても良く、その場合には、高解像度領域を含むよう高解像方向を決めれば同様に制御することができる。また、実施形態1では、撮像方向変更部150への制御指示は光軸方向を指定しているが、これに限定されるものではなく、例えば高解像度領域方向を指示する方法であってもよい。
また、実施形態1では、全体の撮影方向(θxa、θya)、および全体の撮影画角θHcrop、θVcropが同一となるように維持する例を説明したが、同一でなくてもほぼ同じ或いは類似するように制御するものであってもよい。
また、実施形態1では、撮像装置100から出力される画像データは光学系の特性について補正せずにそのまま出力する例を説明した。しかし、高解像方向と全体の撮影方向や被写体像の位置や表示される撮影範囲をある程度維持できる処理であれば、歪補正など必要な画像処理を行ってもよい。
また、実施形態1では、撮像装置100から出力される画像データは撮像素子の光電変換信号をそのまま出力する例を説明した。しかし、不図示の補正回路(補正手段)によって、高解像度領域に対応する高解像方向の画像のダイナミックレンジ拡大やコントラスト強調や色深度強調などの補正をすることで、さらに高解像方向の識別性能を向上させることができる。
また、実施形態1では、1つの撮像装置100を用いて説明した。しかし、高解像方向情報を複数の撮像装置100に送信することで、全体の撮影方向や被写体像の位置や表示される撮影範囲を維持したまま、指定された高解像方向を高解像データの高解像度領域で3D撮影することもできる。
[実施形態2]
実施形態1では、1台の撮像装置で、全体の撮影方向や被写体像の位置や表示される撮影範囲を維持しつつ、高解像方向を画像データの高解像度領域で撮影することができる方法を説明した。実施形態2においては、複数台の撮像装置(撮像ユニット)を用いる例について説明する。
実施形態1では、1台の撮像装置で、全体の撮影方向や被写体像の位置や表示される撮影範囲を維持しつつ、高解像方向を画像データの高解像度領域で撮影することができる方法を説明した。実施形態2においては、複数台の撮像装置(撮像ユニット)を用いる例について説明する。
図11は、実施形態2の撮影システムの機能ブロック図であり、実施形態1の撮像装置100に対して、撮像方向変更部を備えた撮像装置1100を2台加えた撮影システムの例を示している。なお、実施形態1と同じ番号のブロックは同じ機能を備えるものとする。
それぞれの撮像装置1100は、左右方向に120°の撮影画角の画像データを表示装置1200に出力できる撮像ユニット1140を備え、撮像方向変更部1150によって撮像ユニット1140の撮影方向を変更することができる。すなわち、実施形態2においては、撮像ユニットを複数有し、複数の撮像ユニットは、それぞれの撮像方向を変更するための撮像方向変更部を有する。
表示装置1200は、撮像装置100と2台の撮像装置1100の画像データを取得し全周を360度表示する機能を備えている点が表示装置200と異なる。撮像装置100の駆動制御部1170は、取得した高解像方向情報にそれぞれオフセットを加えて2つの撮像装置1100の撮像方向変更部1150に送信する機能を有する。
以下、図12を用いて図11の動作を具体的に説明する。図12(A)は、撮像装置100と撮像装置1100の2台を搭載した無人航空機(ドローン)を上方から俯瞰した図であり、図12の上方向をドローンの前方向とすると、各撮像装置はドローンの前方に3台設置されている。
撮像装置100は、図7(A)と同じ光軸方向で同じ画角の撮影がされている。撮像装置1100の撮影方向(光軸)は、撮像装置100の撮影方向(光軸)に対してそれぞれ+120°と-120°の方向となるよう設置されている。各撮像装置は左右に60°の撮影画角を持つため、撮影システムは左右方向の全周が撮影できるようになっている。なお、隣り合う撮像装置の画角を互いに一部オーバーラップさせるために、各撮像装置の画角を120°以上にすることが望ましい。
次に、後方を高解像方向にする場合について、駆動制御部1170で行う制御について説明する。図12(B)は、図12(A)で前方を撮影している撮像装置100を、後方を撮影するように180°回転させた場合の撮影方向を説明する図である。
駆動制御部1170は、(180°、0)の高解像方向情報を取得すると、撮像装置100の撮像方向変更部150に撮像ユニット140の撮影方向を(180°、0)に変更するよう指示する。
それに伴って、2台の撮像装置1100に、撮像装置100の撮影方向に対してそれぞれ+120°と-120°の方向の撮影方向(光軸)関係(角度差、オフセット)を維持するよう指示する。すなわち、複数の撮像ユニットのそれぞれの撮像方向が互いに所定の関係(光軸が120°ずつずれた角度関係)をもって変化するように制御する。その結果、撮像装置100と2台の撮像装置1100は図12(A)と同様に左右方向の全周を360°撮影することができる。
以上のように、実施形態2においては、高解像撮影できるカメラを回転させた場合であっても、複数の撮像装置をオフセットを加えて撮影方向を制御している。したがって、全体の撮影方向や被写体像の位置や表示される撮影範囲を維持しつつ、高解像方向を画像データの高解像度領域で撮影することができる。
[実施形態3]
上述の実施形態で説明した様々な機能、処理または方法は、パーソナルコンピュータ、マイクロコンピュータ、CPU(CentralProcessingUnit)またはマイクロプロセッサがプログラムを実行することによって実現することもできる。以下、実施形態3では、パーソナルコンピュータ、マイクロコンピュータ、CPUまたはマイクロプロセッサを「コンピュータX」と呼ぶ。実施形態3では、コンピュータXを制御するためのプログラムであって、上述の実施形態で説明した様々な機能、処理または方法を実現するためのプログラムを「プログラムY」と呼ぶ。
上述の実施形態で説明した様々な機能、処理または方法は、パーソナルコンピュータ、マイクロコンピュータ、CPU(CentralProcessingUnit)またはマイクロプロセッサがプログラムを実行することによって実現することもできる。以下、実施形態3では、パーソナルコンピュータ、マイクロコンピュータ、CPUまたはマイクロプロセッサを「コンピュータX」と呼ぶ。実施形態3では、コンピュータXを制御するためのプログラムであって、上述の実施形態で説明した様々な機能、処理または方法を実現するためのプログラムを「プログラムY」と呼ぶ。
上述の実施形態で説明した様々な機能、処理または方法は、コンピュータXがプログラムYを実行することによって実現される。この場合において、プログラムYは、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体を介してコンピュータXに供給される。実施形態3におけるコンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、ハードディスク装置、磁気記憶装置、光記憶装置、光磁気記憶装置、メモリカード、揮発性メモリ、不揮発性メモリなどの少なくとも1つを含む。実施形態3におけるコンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、non-transitoryな記憶媒体である。
[実施形態4]
上述の実施形態においては移動装置としてドローン700の例を用いて説明した。しかし、移動装置はドローンに限定されるものではなく、自動車、自動二輪車、自転車、車椅子、船舶、飛行機、ロボットなどの移動が可能な装置であれば、どのようなものであってもよい。
上述の実施形態においては移動装置としてドローン700の例を用いて説明した。しかし、移動装置はドローンに限定されるものではなく、自動車、自動二輪車、自転車、車椅子、船舶、飛行機、ロボットなどの移動が可能な装置であれば、どのようなものであってもよい。
100:撮像装置
110:光学系
120:撮像素子
130:結像位置変更部
140:撮像ユニット
150:撮像方向変更部
160:切り出し部
170:駆動制御部
200:表示装置
110:光学系
120:撮像素子
130:結像位置変更部
140:撮像ユニット
150:撮像方向変更部
160:切り出し部
170:駆動制御部
200:表示装置
Claims (17)
- 被写体像を撮像する撮像素子と、
前記撮像素子の受光面に前記被写体像を形成する光学系と、
前記撮像素子と前記光学系からなる撮像ユニットの撮像方向を変更するための撮像方向変更手段と、
前記撮像素子の出力から任意の撮影領域を切り出す切り出し手段と、
前記切り出し手段により切り出された前記撮影領域の画像データを表示手段に表示させると共に、前記撮像方向変更手段により前記撮像方向を変更するのに伴って、前記表示手段に表示される前記撮影領域が変化しないように、前記切り出し手段により切り出される前記撮影領域を変更する制御手段と、を有することを特徴とする撮像装置。 - 被写体像を撮像する撮像素子と、
前記撮像素子の受光面に前記被写体像を形成する光学系と、
前記撮像素子と前記光学系からなる撮像ユニットの撮像方向を変更するための撮像方向変更手段と、
前記撮像素子の前記受光面と前記被写体像の相対的な位置を変更するための結像位置変更手段と、
前記撮像素子から得られた画像データを表示手段に表示させると共に、前記撮像方向変更手段により前記撮像方向を変更するのに伴って、前記表示手段に表示される前記撮影領域が変化しないように前記結像位置変更手段により前記撮像素子の前記受光面と前記被写体像の相対的な位置を変更する制御手段と、を有することを特徴とする撮像装置。 - 前記光学系は前記撮像素子の前記受光面に高解像度領域と低解像度領域を有する前記被写体像を形成することを特徴とする請求項1又は2に記載の撮像装置。
- 前記制御手段は、前記撮像方向変更手段により前記撮像方向を変更することによって、前記表示手段に表示される画像データの一部が前記高解像度領域に対応するように制御することを特徴とする請求項3に記載の撮像装置。
- 前記光学系の焦点距離をf、半画角をθ、像面での像高をy、像高yと半画角θとの関係を表す射影特性をy(θ)とするとき、
前記高解像度領域におけるy(θ)はf×θよりも大きく、前記低解像度領域における前記射影特性とは異なることを特徴とする請求項3又は4に記載の撮像装置。 - 前記高解像度領域は、中心射影方式(y=f×tanθ)または等距離射影方式(y=f×θ)に近似した射影特性となるように構成されていることを特徴とする請求項3~5のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記高解像度領域に対応する画像のダイナミックレンジ拡大、コントラスト強調、又は色深度を補正する補正手段を有することを特徴とする請求項3~7のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記表示手段の画面の一部の位置を高解像方向として指定するための操作部を有することを特徴とする請求項3~8のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記撮像素子から得られた画像データに基づき所定の対象物を画像認識をする認識手段を有し、
前記制御手段は、前記画像認識された前記対象物が前記高解像度領域に対応するように前記撮像方向変更手段により前記撮像方向を変更することを特徴とする請求項3~9のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記撮像ユニットを複数有し、
複数の前記撮像ユニットは、それぞれの前記撮像方向を変更するための前記撮像方向変更手段を有することを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 - 前記制御手段は、複数の前記撮像ユニットのそれぞれの前記撮像方向が互いに所定の関係をもって変化するように制御することを特徴とする請求項11に記載の撮像装置。
- 請求項1~12のいずれか1項に記載の撮像装置を有し、
移動装置の移動を制御する移動制御手段を有することを特徴とする移動装置。 - 被写体像を撮像する撮像素子と、前記撮像素子の受光面に前記被写体像を形成する光学系と、を有する撮像装置を制御する撮像方法であって、
前記撮像素子の出力から任意の撮影領域を切り出す切り出して表示させると共に、前記撮像素子と前記光学系からなる撮像ユニットの撮像方向を変更するのに伴って、表示される前記撮影領域が変化しないように、前記切り出して表示される前記撮影領域を変更することを特徴とする撮像方法。 - 被写体像を撮像する撮像素子と、前記撮像素子の受光面に前記被写体像を形成する光学系と、を有する撮像装置を制御する撮像方法であって、
前記撮像素子から得られた画像データを表示させると共に、前記撮像素子と前記光学系からなる撮像ユニットの撮像方向を変更するのに伴って、表示される前記撮影領域が変化しないように、前記撮像素子の前記受光面と前記被写体像の相対的な位置を変更することを特徴とする撮像方法。 - 被写体像を撮像する撮像素子と、前記撮像素子の受光面に前記被写体像を形成する光学系と、を有する撮像装置のコンピュータに、
前記撮像素子の出力から任意の撮影領域を切り出す切り出して表示させると共に、前記撮像素子と前記光学系からなる撮像ユニットの撮像方向を変更するのに伴って、表示される前記撮影領域が変化しないように、前記切り出して表示される前記撮影領域を変更させるためのコンピュータプログラム。 - 被写体像を撮像する撮像素子と、前記撮像素子の受光面に前記被写体像を形成する光学系と、を有する撮像装置のコンピュータに、
前記撮像素子から得られた画像データを表示させると共に、前記撮像素子と前記光学系からなる撮像ユニットの撮像方向を変更するのに伴って、表示される前記撮影領域が変化しないように、前記撮像素子の前記受光面と前記被写体像の相対的な位置を変更させるためのコンピュータプログラム。
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