JP3051173B2 - 全視野静止カメラオリエンテーションシステム - Google Patents

全視野静止カメラオリエンテーションシステム

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、半球状視野画像を、視野内の任意のオリエ
ンテーション、回転、及び倍率で、歪みのない通常の遠
近画法に変換する装置、アルゴリズム、及び方法に関す
る。視野方向、オリエンテーション、及び倍率は、コン
ピュータまたは遠隔制御手段で制御される。詳述する
と、この装置は、可動機構を有しない、機械的パン、チ
ルト、ズーム、及び回転のカメラ観察システムの電子装
置である。
背景技術 カメラ観察システムは、監視、検査、安全確保、及び
遠隔検知に、大量に利用されている。遠隔観察は、ロボ
ット操作作業に対しては限界的である。広角観察は、作
業スペース内での衝突を避けるために、ロボットシステ
ムの位置決めを助けるものであるが、近接観察は、細か
な操作作業に必要である。こういったシステムの大部分
は、限定された視野を有する固定式カメラを使用する
か、または、機械的パン及びチルトプラットホーム、及
び機械式ズームレンズを利用して、カメラの方向合わせ
や像の拡大を行うようにしている。カメラのオリエンテ
ーション及び像の拡大が要求される適用分野では、機械
的解法は規模が大きく、観察システムを隠したり近接方
向に使用されるのを困難にしているかなりの体積に対応
することができる。幾つかのカメラは、通常、作業空間
の広角観察をもたらすのに必要である。
最大量の観察有効範囲、即ち、対応角（Subtended an
gle）をもたらすために、機械的パン／チルト機構は、
通常、モータ駆動式装置及びギア機構を使用して、垂直
及び水平方向のオリエンテーションを操作するようにし
ている。この種装置の例は、1988年３月１日発行のジェ
ー・ビー・コーラン（J.B.Coghlam）他による米国特許
第4,728,839号に示されている。こういった機械的パン
チ／チルトオリエンテーション機構によって引き起こさ
れる作業環境での衝突は、カメラ及び作業空間にダメー
ジを与え得ると共に、遠隔操作を妨げ得るものである。
同時に、前記遠隔環境での観察は、検査及び操作活動を
行う上で、極めて重要である。
広い視野角度をもたらすために、内部光学系を使用す
るカメラ観察システムもまた、カメラの寸法及び容積、
それに観察領域への侵入を最小化するために、開発され
てきた。こういったシステムでは、オリエンテーション
のチルト角を変化させたり、カメラ全体の機械的回転を
もたらしてオリエンテーションのピッチ角を変化させた
りするのは、ミラーまたはプリズムの動きに基づいてい
る。この手段を使用することによって、カメラオリエン
テーションシステムの寸法は最小化することができる
が、視野の中心「盲点（blind spots）」が結果として
生じる。また、こういったシステムは、一般に、像を拡
大したり、単一のカメラからの多数の像を形成する手段
を有していない。
従って、本発明の目的は、装置を動かすことなく、半
球状視野内の視野空間の任意箇所の像をもたらすことが
できる装置を提供することである。
本発明の別の目的は、機構を動かすことなく、視野方
向の水平オリエンテーション（pan,パン。カメラを回し
ながらの撮影、の外、見渡す、調べる、見回す、の意味
もある（研究社リーダーズ英和辞典））を提供すること
である。
本発明の別の目的は、機械を動かすことなく、視野方
向の垂直オリエンテーション（チルト）を提供すること
である。
本発明の別の目的は、機構を動かすことなく、視野方
向の回転オリエンテーション（回転）を提供することで
ある。
本発明の別の目的は、電子的に像を拡大したり縮小し
たりする（ズームイン及びズームアウト）機能を提供す
ることである。
本発明の別の目的は、像強度（アイリスレベル）の電
子的制御を提供することである。
本発明の別の目的は、如何なる機構も用いることな
く、像強度（アイリスレベル）を変化させることができ
るようにすることである。
本発明の別の目的は、ジョイステック、キーボード・
コントローラ、またはコンピュータ制御手段から、一般
の人が行う簡単な入力で以って、前記パン、チルト、ズ
ーム、回転、及びアイリスを達成することができるよう
にすることである。
本発明の目的はまた、前記入力装置を使用して、絶体
視野方向の正確な制御を提供することである。
本発明の更なる目的は、異なるオリエンテーション及
び倍率を有する多数の像を同時に形成する機能を提供す
ることである。
本発明の別の目的は、30変換像／秒の実時間ビデオ速
度で、こういった像を提供すると共に、NTSC方式（Nati
onal Television Standards Committee）RS−170表示フ
ォーマット等の表示フォーマット規格を支持することが
できるようにすることである。
本発明のこれらの目的及び他の諸目的は、以下におい
て、完全なる説明と図面との組合せから、明瞭となろ
う。
発明の開示 本発明によれば、構成部分を動かすことなく、半球状
視野のパン、チルト、ズーム、及び回転の同等物を形成
する全方位観察システムが提供される。この装置は、入
力映像信号をデジタル化し、オペレータの指令に基づき
前記映像の一部分を変換し、人間による観察にとって正
確な遠近法で１つ以上の出力画像を形成する手段を備え
ている。好ましい一実施例において、入力画像は、半球
状視野を有する魚眼レンズによって形成される。この半
球状視野画像は、電子式メモリバッファに収集される。
該当領域を含む収集画像の一部分は、画像処理コンピュ
ータ手段によって、遠近法の正確な画像に変換される。
画像処理コンピュータは、直交系の変換アルゴリズムを
使用して、該当する半球状画像領域の修正画像への直接
的マッピングをもたらす。視野オリエンテーションは、
オペレータまたはコンピュータ化入力により生成される
指令信号によって指定される。変換画像は第２の電子式
メモリバッファに預けられ、そこで処理されて、指令信
号による要求に応じて、出力が生成される。
図面の簡単な説明 第１図は、主要構成要素を図示する、本発明の略ブロ
ック図を示している。
第２図は、本発明による入力として使用される、典型
的魚眼画像を例示する略図である。
第３図は、原画像内の所望する画像オリエンテーショ
ン及び倍率に対する修正後の出力画像を例示する略図で
ある。
第４図は、画像変換を達成すべく本発明が実施する基
本幾何学的配置の略図である。
第５図は、物体面及び位置ベクトルの画面座標への写
像を説明する略図である。
発明を実施するための最良の形態 ズームする機能を維持しながら、カメラオリエンテー
ションシステムの寸法を最小化するために、機構（機械
式の構成）ではなく電子画像変換を利用するカメラオリ
エンテーションシステムが開発された。機械的パン及び
チルトシステムに関する多数の特許が出願されてきた
が、電子式変換及び魚眼光学を厳密な意味で使用する手
法は、幸運にもこの発明努力に先立ってこれまで実施さ
れなかった。更に、本発明に利用される電気光学手法
は、多数の画像を単一カメラの出力から抽出できるよう
になす。この装置を生むことになるモチベーション（動
作づけ）は遠隔操作応用での観察システムがもつべき要
件から生じたものであり、そこでは装置を動作上とりか
こんでいる状態が重大な制約となっていることであっ
た。
本発明の原理は、第１図を参照することによって理解
することができる。概略的に図示した１は、180度の視
野を有する囲りの画像をもたらす魚眼レンズである。こ
の魚眼レンズは、光学画像を電気信号に変換するカメラ
２に取り付けられている。この後、こういった信号は電
子的にデジタル化されて（３）、本発明の画像バッファ
４に記憶される。Ｘ−MAPプロセッサ６及びＹ−MAPプロ
セッサ７からなる画像処理システムは、２次元変換マッ
ピングを行う。これらの画像変換プロセッサは、マイク
ロコンピュータ及び制御インターフェース５によって制
御される。このマイクロコンピュータ制御インターフェ
ースは、システムに対して、初期化及び変換パラメータ
演算をもたらす。この制御インターフェースはまた、ジ
ョイステック・コントローラ12またはコンピュータ入力
手段13等の入力手段から入力されるオリエンテーション
角、倍率、回転、及び光強度に基づいて、所望の変換係
数を決定する。変換画像は、２次元重畳（コンボリュー
ション）フィルタ８によって濾過され、濾過画像の出力
は、出力画像バッファ９に記憶される。出力画像バッフ
ァ９は、表示電子装置10によって走査され、その出力
は、観察のために、映像表示装置11に送出される。
レンズ型式のもつ範囲は、多様な視野を支持するよう
に整えることができる。レンズ光学系１は、画像を変換
するためにＸ−MAPプロセッサ６及びＹ−MAPプロセッサ
７に使用される数学的係数と直接に対応している。異な
る最大視野が異なるレンズ要素で作られたとしても、出
力画像をパンすると共に傾斜させる機能は維持される。
本発明は、多数の光学及び電子装置を正しく組み合わ
せることによって、実現することができる。魚眼レンズ
１は、一連の広角レンズの中の任意のもの、例えば、ニ
コン（Nikon）社製のもの、特に8mm F2.8によって例示
される。任意の映像源２、及び光学画像を電子メモリ用
信号に変換する画像収集装置３は、テキサス・インスツ
ル−メント社（Texas Instrument）製TMS34061集積回路
とインターフェースをとるビデック・デジタル・カメラ
（Videck Digital Camera）が例えば、本発明用の入力
装置として機能する。入力画像バッファ４及び出力画像
バッファ９は、テキサス・インスツル−メント社製TMS4
4C251ビデオRAM（video random access memory）チップ
またはその同等物を使用して構成することができる。制
御インターフェースは、インテル（Intel）80C196を含
む多数のマイクロコントローラの中の任意のもので完成
される。Ｘ−MAP変換プロセッサ６並びにＹ−MAPプロセ
ッサ７、及び画像フィルタ８は、当業者にとって周知の
ような、応用特殊集積回路（ASIC）または他の手段で完
成することができる。ディスプレイ駆動装置もまた、テ
キサス・インスツル−メント社製TMS34061等の集積回路
で完成することができる。例えばNTSC RS−170型式の出
力映像信号は、米国で最も工業的なTVディスプレイと適
合することができる。遠隔制御12及びコンピュータ制御
13は、周知の容易に入手できるスイッチ及び／又はコン
ピュータシステムを介して、完成される。こういった構
成要素はシステムとして機能して、入力画像（魚眼また
は広角）の一部を選択し、これを数学的に変換して、適
切な遠近出力をもたらす。本発明を成功させるための秘
訣は、次の事項を含む。
（１）該当部分を除き、全入力画像を変換する必要はな
い。
（２）所要の数学的変換は、レンズ特性に基づき予測可
能である。
２つの協働する変換回路６及び７によって制御される
ところに従い入力メモリバッファ４及び出力メモリバッ
ファ９の間で生じる変換は、第１図及び第３図を参照す
ることによって、より一層理解される。第２図に示す画
像は、魚眼レンズによって生成された格子状パターンの
画像を、ペンとインクで描写したものである。この画像
は180度の視野を有し、全半球体に渡る環境の内容を示
すものである。第２図の得られた画像は、人間の知覚対
象としては、相当歪んだものであることに留意された
い。この環境の中で垂直格子ラインは、画像面上、14
a、14b、及び14cとして現われている。外界の水平格子
ラインは、画像面上、15a、15b、及び15cとして現われ
ている。物体の画像は、16によって例示されている。第
２図の画像の一部分は、第３図に示す画像を生成すべ
く、修正され、拡大され、かつ回転される。部位17は、
出力ディスプレイに表示される、対象物の修正した表現
を示している。第３図の画像に示す結果は、本発明を使
用して、第２図の画像の任意部分から生成することがで
きる。第３図に示される格子状パターンの歪み直し（直
線化）によって表わされた、補正遠近画法（corrected
perspective）に留意されたい。本発明においては、こ
ういった変換は、実時間ビデオ速度（30回／秒）で行う
ことができ、工業的ビデオ規格に適合し得る。
上述した本発明は、入力手段、例えば、ジョイステッ
クまたはコンピュータをコントローラに変更することに
よって、レンズ要素の全視野を通した出力画像をパンし
たり傾斜したりする機能を有する。このことによって、
広範囲の領域が走査されて、安全確保及び監視応用分野
において有益となり得る情報を得ることができる。表示
された画像についての知覚した垂直線を変化させると、
この画像はその軸上で360℃回転させることができる。
この機能は垂直画像と重力ベクトルとを整列させる能力
をもたらし、画像のパンまたはチルト角に関係なく、画
像表示に適切な遠近画法を維持する。本発明はまた、出
力画像を表示するのに使用される倍率の修正も支持す
る。このことは、出力画像の視野を変化させるズーム機
能と釣り合っている。この機能は、検査動作を行う上で
極めて有益である。ズームの大きさは、入力カメラの分
解能、出力ディスプレイの分解能、出力ディスプレイの
鮮明さ（clarity）、及び所定のディスプレイに使用さ
れる画素の数量の関数である。本発明は、こういった全
ての機能を支持して、通常の機械的パン（180度）、チ
ルト（180度）、回転（360度）、及びズーム装置に関連
した機能をもたらす。デジタルシステムはまた、ユーザ
または外部コンピュータからの指令に基づいて表示画像
の強度をシフトすることにより、機械的アイリスの機能
性をエミュレートするような画像強度スケーリング（大
きさ設定）を支持することもしている。
以下に記載する仮定及び等式は、光学的構成要素とし
て魚眼レンズを利用する本発明に基づいている。完全な
魚眼レンズシステムを示す２つの基本的性質と２つの基
本的仮定がある。魚眼レンズの第１の性質は、レンズが
２πステラジアンの視野を有し、生成する画像が円形で
あるということである。第２の性質は、視野内の全物体
が商店が合っている、即ち、完全な魚眼レンズは無限の
被写界深度を有しているということである。魚眼レンズ
システムの２つの重要な仮定（第４図及び第５図参照）
は、次下に述べる通りである。
仮定1:方位角不変性 画像面に垂直で、この画像面原点
を通る内容面上の物（オブジェクト）点については、こ
れらの全点が画像面と内容面とが交差する直線上、すな
わち、放射方向直線上の画像点として写像される。従っ
て、画像点の方位角は、内容面内のオブジェクトの距離
と仰角とに対して変化しない。
仮定2:等距離写像則 物（オブジェクト）点の写像を含
む方位角に沿った画像面原点からの放射方向距離ｒは、
天頂角βに直線比例する。ここで、βは、画像面原点を
通る垂直線と、画像面原点からオブジェクト点までの直
線とのなす角度である。したがって、次式が成立する。
ｒ＝ｋβ （１） こういった性質及び仮定を、魚眼レンズシステムの基
本事項として使用することにより、遠近法の画像を得る
ための数学的変換を決定することができる。第４図は、
物体面及び画像面に対する基準測定フレームを示してい
る。座標u,vは、物体面内の物点を示す。座標x,y,zは、
基準画像測定フレーム内の点を示している。
第４図に示す物体面は、適切に物体を修正すべく画像
面へのマッピング関係を決定するための代表的領域であ
る。視野ベクトルDOV〔x,y,z〕の方向は、物体面uvを画
像面XY上にマッピングするための天頂角及び方位角を決
定する。物体面は、ベクトルDOV〔x,y,z〕に垂直となる
ように定義される。
球座標における画像面〔x,y,z〕に関して物体面の原
点の位置は、次式で与えられる。
ｘ＝D sinβ cos∂ ｙ＝D sinβ sin∂ ｚ＝D cosβ （２） 式中、Ｄ＝画像面原点から物体面原点までのスカラー
長、βは天頂角、∂は画像面球座標における方位角であ
る。物体面の原点は、等式１で与えられた成分を使用し
て、ベクトルとして、次のように表わされる。
DOV［x,y,z］＝［Dsinβcos∂,Dsinβsin∂,Dcosβ］
（３） DOV〔x,y,z〕は物体面に垂直であり、そのスカラー量
Ｄは、物体面までの距離を与える。YZ面をDOV〔x,y,z〕
の動きの方向と位置合わせすることにより、方位角∂
は、90度または270度となり、このため、ｘ成分は零と
なり、この結果、DOV〔x,y,z〕座標は、次式のようにな
る。
DOV［x,y,z］＝［0,−Dsinβ,Dcosβ］ （４） 第５図を参照すると、画像面の原点に関する座標のuv
面原点に関する物点は、次式のようになる。従って、物
体面にある点Ｐ（u,v）の ｘ＝ｕ ｙ＝v cosβ （５） ｚ＝v sinβ 座標は、画像面座標のベクトルＰ〔x,y,z〕として、次
のように表わすことができる。
Ｐ［x,y,z］＝［u,vcosβ,vsinβ］ （６） 式中、Ｐ〔x,y,z〕は、uv面の原点に関する画像座標
中の物点の位置を表わしている。画像座標中の物点を表
わす物体ベクトルＯ〔x,y,z〕は、次式によって与えら
れる。
Ｏ［x,y,z］＝DOV［x,y,z］＋Ｐ［x,y,z］ （７） Ｏ［x,y,z］＝［u,vcosβ・Dsinβ,vsinβ＋Dcosβ］
（８） 画像面に付けた半径Ｒの半球への写像は、表面ベクト
ルＳ〔x,y,z〕を生成すべく物体ベクトルＯ〔x,y,z〕を
スケーリングすることによって決定される。
８式からのＯ〔x,y,z〕の各成分を代入することによ
り、半球上への画像点のマッピングを表わすベクトルＳ
〔x,y,z〕は、次式のようになる。
等式10の分母は、ベクトルＯ〔x,y,z〕の長さ、即ち
絶対値を表わし、代数的かつ３角法的取扱いによって、
次式のように簡略化することができる。
第11式から、２次元画像面へのマッピングは、次式の
ようなｘ及びｙに対して得ることができる。
更に、画像面中心と物体面の距離Ｄは、半径Ｒの円形
魚眼画像に関して、次の関係式によって表わすことがで
きる。
Ｄ＝mR （14） ここで、ｍは、画像面原点から物体面原点への半径方
向単位Ｒのスケールファクタ（scale factor）を表わし
ている。等式14を等式12及び13に代入することにより、
ズーム動作をもたらすのに使用できる有効なスケーリン
グ動作、即ち倍率を得る手段がもたらされる。
物体面uv及び画像面XY双方に対する軸の２次元的回転
の等式を使用することにより、最後の２つの等式を更に
処理して、画像面内の回転及び物体面内の回転に対して
用意されるより一般的な等式の組をもたらすことができ
る。
ここで、 また、 Ｒ＝円形画像の半径 β＝天頂角 ∂＝画像面の方位角 φ＝物体面の回転角 ｍ＝倍率 u,v＝物体面の座標 x,y＝画像面の座標 である。
等式17及び18は、uv空間からXY画像空間への直接マッ
ピングをもたらし、可動部分を有しない本発明の全方向
性観察システムの機能性を支持する基本的な数学的結論
である。所望の天頂角、方位角、物体面回転角、及び倍
率を知ることにより、結像アレイ中のｘ及びｙの位置を
決定することができる。この手法は、入力映像バッファ
からの画像を出力バッファに正確に変換する手段をもた
らす。また、魚眼画像システムは、天頂に関して完全に
対称的であるため、種々の成分のベクトル割合て及び得
られる符号は、画像面に関する物体面の所望のオリエン
テーションに応じて、異なるように選択することができ
る。更に、こういった仮定及び数学的等式は、所定の応
用における所望の視野範囲に対する必要に応じて、多様
なレンズ要素に対して修正することができる。
入力手段は、天頂角β、方位角∂、物体の回転φ、及
び倍率ｍを定める。こういった値を等式19に代入して、
等式17及び18への代入のための値を決定する。円形画像
の半径Ｒは、カメラレンズ及び構成要素関係によって決
定される固定値である。変数ｕ及びｖは物体（オブジェ
クト）面の全範囲に渡って変化して、画像面座標のｘ及
びｙに対する値を決定する。
上述したことから、魚眼レンズは、カメラによってと
らえられる半球状視野をもたらすということを予知する
ことができる。この後、画像は、制御入力によって述べ
たような所望する視野に基づいて、所望のパン、チル
ト、倍率、回転、及び焦点で以って、修正画像に変換さ
れる。この後、画像は、遠近画法を補正した状態で、TV
ディスプレイに出力される。従って、180度のパン、180
度のチルト、360度の回転、及び種々の度合いのズーム
倍率を通して、周囲の視野に関するこの広範な分析及び
プレンゼンテーションを達成する上で、機械的装置は何
ら必要とされない。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−127877（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】魚眼レンズを備えたカメラで捕らえた歪ん
    だ画像を一連の遠近画法で補正した出力画像に変換する
    方法であって、 ａ）上記魚眼レンズからの歪んだ画像のどの点からの歪
    みをも補正するためのマッピングを記述する計算式を記
    憶する段階と、 ｂ）上記歪んだデジタル画像をメモリに記憶する段階
    と、 ｃ）上記歪んだデジタル画像の一部分を特定するところ
    の選んだ観る角度を表わす信号を入力する段階と、 ｄ）上記入力する段階で入力される観る角度を表わす信
    号に応じて上記歪んだデジタル画像の上記一部分を遠近
    画法で補正した出力画像に写像するために必要とされ
    る、上記計算式が特定された特定のマッピングを記述す
    る計算式を、上記歪んだデジタル画像の一部分に適用す
    ることにより、処理する段階とを含み、ここで段階ｄ）
    は上記入力する段階ｃ）に応答して実時間で行なわれ
    て、それにより、複数の観る角度を入力することが上記
    デジタル画像の中の連続している部分を特定し、上記画
    像を上記一連の遠近画法で補正した出力画像に変換する
    方法。
  2. 【請求項２】段階ｃ）における観る角度の選択について
    のただ１つのユーザ入力が、段階ｃ）における上記歪ん
    だデジタル画像の選んだ部分と、段階ｄ）における特定
    のマッピングを記述する計算式とを決めるために使われ
    る請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】歪んだ画像を一連の遠近画法で補正した出
    力画像に変換するシステムであって、魚眼レンズを備え
    たカメラで捕らえた歪んだデジタル画像を記憶するメモ
    リと、 上記歪んだデジタル画像の一部分を特定するところの選
    んだ観る角度を表わす信号を入力するためのユーザ入力
    手段と、 上記入力手段により入力される観る角度を表わす信号に
    応じて、上記歪んだデジタル画像の一部分を遠近画法で
    補正した出力画像に写像するために必要とされる、上記
    計算式が特定された特定のマッピングを記述する計算式
    を、上記歪んだデジタル画像の一部分に適用することに
    より、処理する画像プロセッサとを含み、 上記画像プロセッサは、上記魚眼レンズからの歪んだデ
    ジタル画像中に存在する歪みについて、該魚眼レンズか
    らの画像のどの点についても補正する計算式でプログラ
    ムされており、上記ユーザ入力手段に入力される選んだ
    観る角度を表わす信号に応じて該どの点についても補正
    する計算式を特定して上記マッピングを記述する計算式
    を求め、該計算式を上記歪んだデジタル画像の一部分に
    適用して上記遠近画法で補正した視野を上記選んだ観る
    角度により決る寸法で実時間で作り、こうして複数の観
    る角度が上記デジタル画像の中の連続している部分を特
    定し、デジタル画像を上記画像プロセッサにより上記一
    連の遠近画法で補正した出力画像に変換するシステム。
  4. 【請求項４】ただ一つのユーザ入力手段が使われて、 （ａ）上記歪んだ画像の一部分を決め、 （ｂ）上記歪んだ画像の一部分を補正するために使用さ
    れる特定のマッピングを記述する計算式を決める請求項
    ３記載のシステム。
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