JP2581601B2

JP2581601B2 - 立体カメラ及び立体映像システム

Info

Publication number: JP2581601B2
Application number: JP1278023A
Authority: JP
Inventors: 太郎岩本; 吉男中島; 広志山本; 祐子岡田; 幸男住谷
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-10-25
Filing date: 1989-10-25
Publication date: 1997-02-12
Anticipated expiration: 2012-02-12
Also published as: JPH03138634A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は人に立体映像を提供する立体テレビシステム
において、立体画像を撮影する立体カメラの構造に関す
る。

〔従来の技術〕

人間が立体を知覚する要因としては、多くの要素があ
るが、そのうち主要な働きを持つ要因としては、左右の
眼の位置の違いにより発生する映像のずれ、すなわち両
眼視差と、物体を注視する際の両眼の内寄せあるいは外
寄せ運動、すなわち両眼輻輳がある。２台のテレビカメ
ラを用い、これらを要因を発生させて立体視映像を取り
込み、これらの映像を人間の両眼に独立して提示するこ
とにより立体視覚を与える立体テレビシステムが開発さ
れている。人間に映像を提示する方法としては、２台の
モニタを左右の眼にそれぞれ独立に配置する方法や、一
つのモニタに左右の映像を重ね、偏光や電子シャッタを
用いて映像を分離する方式がある。一つのモニタを用い
たものの一例を第11図に示す。第11図において、左カメ
ラヘッド１と右カメラヘッド２はそれぞれ両眼視差のあ
る映像を撮影する。フィールド切換え信号処理部３は左
右カメラヘッド１、２でとらえた映像のフレームＲ、Ｌ
を交互に組合わせた合成ビデオ信号４を作成する。A/D
変換器５はこのビデオ信号をディジタル化してフレーム
メモリ６に蓄え、フレーム数変換器７はこれを倍速のビ
デオ信号８に組み替える。D/A変換器９はこのビデオ信
号８をディジタルからアナログに変換し、これを倍速ス
キャンモニタ10に映し出す。液晶メガネ11はフレーム数
変換器７で生成されるフレームと同期したシャッタ信号
12、13により、倍速スキャンモニタ10に交互に映し出さ
れるそれぞれのフレームに同期して液晶シャッタを開閉
する。従って、人間の左眼には左のフレームＬのみが見
え、右眼には右のフレームＲのみが見える。従って、両
眼視差の効果により人間は立体映像を知覚することがで
きる。液晶シャッタの代りに偏光シャッタをモニタ画面
に置き、あるいはビデオプロジェクタの投影レンズの前
に偏光シャッタを置き、左右のフレームに同期させてこ
の偏光シャッタを切換え、左右のレンズが偏光方向の異
なる偏光レンズを用いた偏光メガネを着用することによ
って左右の映像を分離し、立体像を得る方式もある。

従来の立体視技術については、日経エレクトロニクス
No.444（1988.4.4）の第205頁から第223頁まで、及び精
密工学会紙54/2/1988の第１頁から第31頁までに詳しく
論じられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、映像を取り込む２台のカメラヘッド１、２
の相対位置関係には次の２つの方式がある。その１つ
は、第12図に示すように、２つのカメラヘッドの光軸を
平行に配置するものである。平行に置かれた２台のカメ
ラヘッド１、２の前方に映像の対象物14があるとする
と、この物体の像はレンズ15、16によって撮像面17、18
に結ばれる。図では撮像面の像ｌ、ｒの大きさと方向を
引出線により示している。

撮影された２つの像ｌ、ｒは、第13図に示すようにモ
ニタ画面19に交互に表示され、これを人間の眼球20、21
でとらえることになる。左眼20は左側から見た映像ｌ
を、右眼21は右側から見た映像ｒを見るので、両眼視差
により見える合成像22の位置はモニタ画面より手前側に
ある。今、第12図において、対象物14が２台のカメラヘ
ッド１、２の中間軸上を無限遠点に移動したとすると、
その像は左右の撮像面17、18のそれぞれの中心点に結ば
れる。これを第13図に示すモニタ画面19上に表示する
と、無限遠点はモニタ画面19の中心部に位置することに
なる。無限遠点にある対象物14が左右に移動すると、そ
の対象物からの光は平行光線になるので、像ｌとｒの間
に視差は発生しない。従って、無限遠点はモニタ画面19
上に分布し、全ての立体映像はモニタ画面19より手前側
に生ずることになる。また、第12図において、２台のカ
メラヘッド１、２の平行な光軸23、24の内側の領域は第
13図の両眼の光軸25、26の内側の領域に対応することに
なる。このため、実際の空間がモニタ画面19の手前側に
圧縮して表現されることになり、また、左右の広がりも
圧縮される。従って、像は変形するので、立体像を正し
く表現することができない。これは式を用いて次のよう
に示される。

第14図に示すように記号を定めると、点ｐ（x,y）の
撮像面上の位置k,mは次の式により表わされる。

ここで、ｂは撮像面17、18の中心間距離、ｄはレンズ
中心から撮像面までの距離である。また、ｓは撮像面の
大きさを示す。

次に、第15図に示すようにモニタ画面の大きさをＳ、
観察者の眼からモニタ画面までの距離をＡ両眼の間隔を
Ｂとしたとき、合成された立体像Ｐ（X,Y）の位置は次
のように表わされる。まず、画面の大きさより、左右の
映像の位置K,Mは、したがって、Ｐ（X,Y）の位置は（５）式よりＸはｙの値の影響を受け、ｙが無限大に近
づくと、Ｘは０に近づくことがわかる。また（６）式よ
りｙが無限大に近づくと、ＹはＡに近づくことがわか
る。したがって、（５）、（６）式より、実際の点ｐ
（x,y）は変形されて立体像の点ｐ（x,y）に再現される
ことになり、自然な立体感を得ることができない。

カメラヘッド１、２の相対位置関係のもう１つの方法
は、第16図に示すようにカメラの光軸を内側に向けるも
のである。この方法で得られる映像は第17図及び第18図
を用いて次のように表わされる。点Ｐ（X,Y）の撮像面
上の位置ｋ、ｍは次の式により表される。

同様に第18図より、これが映し出されるモニタ画面19と両眼20、21の関係
は前と同じく第15図で示される。従って、となる。この結果、ＸもＹもｘとｙの影響を受け、単純
な比例関係にならない。従って、左右のカメラヘッド
１、２でとらえた映像には両眼視差により左右方向のず
れの他に、像のひずみが発生し、立体視知覚の障害とな
る。

さらに、次のような不都合がある。対象物として、正
面から見て正方形の物体を選んだとき、左の撮像面17で
とらえた映像は第19図に示すように右側が細くなった台
形状となる。一方、右の撮像面18でとらえた映像は左側
が細くなった台形となる。これをモニタ画面19上に重ね
て表示すると、対応する縦線の寸法が異なった両眼視差
のある映像となる。このとき第20図に示すように、正方
形の左辺を例にとると、合成像27は縦方向の寸法が異な
るため、正しく合成されない。

このように、従来の方式ではいずれも自然な立体感を
得ることができず、疲労感が激しいものになっている。

この発明の目的は、上記問題点に鑑みなされたもの
で、不自然な奥行き感やひずみの発生が防止され、自然
な立体感のある映像を得ることのできる立体カメラを提
供することである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために本発明は、２台のカメラで
撮影した視差のある２種類の映像を１台の映像再生手段
のモニタ画面に再生し、該モニタ画面上の映像のうち、
観察者の左及び右の眼が前記カメラのうちそれぞれ対応
するカメラによる映像のみを観察し、２台の撮影機のそ
れぞれの撮像面の法線が互いに平行に配置され、かつ２
台の撮影機のレンズの光学的中心距離が、それぞれの撮
像面の中心間距離ｂより短く設定された立体カメラにお
いて、前記モニタ画面の大きさをＳ、前記撮像面の大き
さをｓ、前記観察者の両眼間隔の距離をＥ、前記撮像面
からレンズの光学中心までの法線方向の距離をｄ、それ
ぞれの撮像面の中央点とそれぞれのレンズの光学中心と
を結ぶ直線が撮像面の中心軸上て交わる点からレンズま
での距離をａとして、前記撮像面の中心間距離ｂを、SE
（ａ＋ｄ）/dsに、実質的に等しくなるように設定した
ことを特徴とするものである。

〔作用〕

上記構成における作用原理について図面を用いて以下
に述べる。

第５図において、左右のカメラヘッドのレンズの光学
中心28、29を撮像面17、18の中心線上からずらし、撮像
面17、18の中央点とレンズの光学的中心28、29を結ぶ直
線がｙ軸上でレンズ面から距離ａだけ前方の点で交わる
ようにする。このとき、点Ｐ（ｘ、ｙ）の像の位置を示
すｋ、ｍの値は次のように得られる。

ゆえに次に、この映像を第６図に示すように合成すると、モニ
タ画面19上での映像の位置Ｋ、Ｍは、次のように表され
る。

Ｅを両眼の間隔、Ｄを両眼位置からモニタ画面19まで
の距離とすると、再現される立体像Ｐ（X,Y）の位置
は、ここで、となるように各部の寸法をとる。ただし、である。この結果、X,Yは次のようになる。

この結果より、立体合成像Ｐ（X,Y）の位置は対象物
ｐ（x,y）の位置に対し比例関係にあり、ひずみの無い
像を再現することができる。空間の拡大率を示す比例定
数df/aはレンズ面から２台のカメラヘッドの光軸の交点
までの距離ａに対するレンズから撮像面までの距離ｄの
比と、撮像面の大きさｓに対するモニタ画面の大きさＳ
の比ｆで決まる。なお、前述の仮定に基づき人間の眼か
らモニタ画面までの距離Ｄは次式により得られる値に設
定しなければならない。

さらに、カメラヘッドの間隔ｂは次式により得られる
値に設定しなければならない。

ゆえに、ｄはレンズの焦点距離とピント調整により決まる値であ
るが、ピント調整による影響は小さいので、設計上は焦
点距離としても良い。

本方式によれば再生する立体像にはひずみが発生しな
いので、第20図で説明した従来例のように縦寸法の違い
による不自然さは生じない。例えば、カメラヘッドの光
軸に垂直な平面にある四辺形を撮影したとする。第７図
及び第８図に示すように、撮像面17,18は四辺形と平行
であり、撮像面17,18上の像は四辺形とレンズの光学中
心28,29に対し点対象となる相似形の四辺形となる。そ
の大きさの比はレンズの光学中心28,29から各四辺形ま
での垂直距離の比で決まる。レンズ中心28,29から撮像
面17,18までの垂直距離ｄは左右のカメラヘッドとも同
一に設定されているので、左右の撮像面17,18上に結像
された四辺形は同一寸法であり、従って四辺形の縦辺の
寸法も同一である。従って、第９図に示すように、再生
させた立体像においても縦線の寸法は一致し、不自然さ
は無い。このため、無理のない立体感が得られる。

また、レンズとしてズームレンズを用いた場合、ある
いは望遠レンズに取り替えた場合はｄの値が変化する。
この場合、第10図に示すように、ｄがｄ′に変化したと
すると、レンズの光学的中心からカメラヘッドの光軸の
交点までの距離ａはａ′に変化する。このときｙ′＝ｙ−（ｄ′−ｄ） ……（25）である。従って、（19），（20）式においてｄとａとｙ
をｄ′とａ′とｙ′に置き換えることにより立体像Ｐ
（X,Y）の位置は求められるが、このときＤ＝fd≠fd′ ……（26）であることに注意しなければならない。ここで、とおくと、したがって、（15），（16）式において、a,d,yをａ′,
d′,y′とおくと、したがって、この結果より、焦点距離の長いレンズに交換した場合は
Ｘの値に変らず、Ｙの値は、まず焦点距離が伸びた分だ
け物体に接近し、さらに焦点距離の逆比で圧縮される。
従って、物体には接近した感覚で大きく見えるが奥行感
は乏しくなる。

〔実施例〕以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。尚、
従来例と同一構造部分については同一符号を付してその
説明を省略する。

第１図および第２図に示すように、２台のテレビカメ
ラ30,31を結合部材32を用いて一体化し、立体カメラと
する。テレビカメラ30,31のマウント部材33,34にはレン
ズ鏡筒35,36の取付けねじ37,38が設けられており、レン
ズ鏡筒35,36を取り付けることにより、テレビカメラ内
の撮像素子39,40に像を結ぶ。ただし、取付けねじの中
心の位置は撮像素子39,40の中心軸上には無く、結合部
材32の方に偏って設けられている。

第３図および第４図には他の実施例を示す。本実施例
ではレンズマウント41,42はスライド可能な構造になっ
ている。すなわち、レンズマウント41,42は薄板を折り
曲げてつくられており、板の端は内側に折り曲げられて
いる。この折り曲げられた部分はテレビカメラの鏡板4
3,44に設けられた溝にはめ込まれ、スライドする。レン
ズマウント41,42の一部にはラックギヤ45,46が設けられ
ており、ピニオン47にかみ合っている。ピニオン47はシ
ャフト48を介してノブ49に結合されている。また、レン
ズマウント41,42の内側には外の光がカメラの中に入ら
ないように遮光材50が貼りつけてある。ノブ49を回すと
ピニオン47とラック46,47の働きにより左右のレンズマ
ウント41,42が等距離スライドし、レンズ間距離を容易
に変更できる。従って、観察者と映像再生手段の距離が
変った場合でもレンズ間距離を補正できるので、正しい
立体像が得られる。なお、第３図と第４図ではレンズ5
1,52として単玉レンズを描いてあるが、他の組合せレン
ズ等を用いても良い。

本実施例の立体カメラは劇場用ビデオの撮影や遠隔操
作でマニピュレータ等の作業を行うのに用いることがで
きる。また、小型のものはテレビを用いた外科手術にも
用いて効果がある。

〔発明の効果〕本発明によれば、ひずみの無い自然な立体視が得られ
るので、観察者の疲労を軽減し、長時間の使用が可能に
なる効果がある。また、本発明によれば、観察者の映像
再生手段に対する位置が変わっても正しい立体感覚が得
られるようにレンズの位置を調整することができるの
で、観察者の位置によらず疲労を軽減することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す横断面図、第２図
は第１の実施例の正面図、第３図は本発明の第２の実施
例を示す横断面図、第４図は第２の実施例の正面図、第
５図及び第６図は本発明の原理図、第７図ないし第10図
は本発明の効果を示す図面で、第７図及び第９図は見取
り図、第８図は上面図、第10図は原理説明図、第11図は
従来システムの原理を示すブロック図、第12図及び第13
図は従来の第１の方式を示す原理図、第14図及び第15図
は従来の第１の方式を示す原理説明図、第16図は従来の
第２の方式を示す原理図、第17図及び第18図は従来の第
２の方式を示す原理説明図、第19図及び第20図は従来の
第２の方式の問題点を示す見取り図である。 1,2……カメラヘッド、 10……倍速スキャンモニタ、14……対象物、 15,16……レンズ、17,18……撮像面、 19……モニタ画面、21,21……眼、 22……合成像、23,24,25,26……光軸、 27……合成像、30,31……テレビカメラ、 39,40……撮像素子、 45,46……ラックギヤ、47……ピニオン。

フロントページの続き (72)発明者岡田祐子茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者住谷幸男茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (56)参考文献特開昭61−75336（ＪＰ，Ａ) 特公昭39−18738（ＪＰ，Ｂ１) 特公昭29−6536（ＪＰ，Ｂ１)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】２台のカメラで撮影した視差のある２種類
の映像を１台の映像再生手段のモニタ画面に再生し、該
モニタ画面上の映像のうち、観察者の左及び右の眼が前
記カメラのうちそれぞれ対応するカメラによる映像のみ
を観察し、２台の撮影機のそれぞれの撮像面の法線が互
いに平行に配置され、かつ２台の撮影機のレンズの光学
的中心距離が、それぞれの撮像面の中心間距離ｂより短
く設定された立体カメラにおいて、前記モニタ画面の大きさをＳ、前記撮像面の大きさを
ｓ、前記観察者の両眼間隔の距離をＥ、前記撮像面から
レンズの光学中心までの法線方向の距離をｄ、それぞれ
の撮像面の中央点とそれぞれのレンズの光学中心とを結
ぶ直線が撮像面の中心軸上て交わる点からレンズまでの
距離をａとして、前記撮像面の中心間距離ｂを、SE（ａ
＋ｄ）/dsに、実質的に等しくなるように設定したこと
を特徴とする立体カメラ。
【請求項２】請求項１に記載の立体カメラと、該立体カ
メラで撮影した映像を再生する映像再生手段とからなる
立体映像システム。