JP3872250B2

JP3872250B2 - 広画角撮像装置

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Publication number: JP3872250B2
Application number: JP2000070670A
Authority: JP
Inventors: 武彦吉野; 文男岡野; 正幸菅原; 公二三谷
Original assignee: Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2000-03-14
Filing date: 2000-03-14
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2020-03-14
Also published as: JP2001257924A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２次元撮像素子を用いる撮像装置の複数台を空間配置し３次元空間の任意の一点から広画角で画像を撮影する広画角撮像装置に関する。
【０００２】
［発明の概要］
本発明は、３次元空間の任意の一点から広画角で画像を撮影する広画角撮像装置に関するものであり、円周上または球面上に複数個の撮像装置を、それらの撮像領域が互いに交差しないように配置したものである。また、本発明の広画角撮像装置は、同心円周上または同心球面上に撮像装置及び凹面鏡の組の複数個を、それらの撮像領域の境界線が互いに一致するように配置したものである。これにより、ある視点位置から見た３６０度周囲や全天周を撮影した画像から特別の画像処理を要せずに簡単に滑らかな連続映像を取得できる。
【０００３】
【従来の技術】
周囲の画像を広画角に撮像する方法には、撮像装置（以下「カメラ」という）のレンズに魚眼レンズなどの広角レンズや広角プリズムを用いる方法が古くから用いられている。
【０００４】
また、３６０度全周の静止画像を撮影する方法として、１台のカメラをそのレンズの主点位置を中心に回転可能な機能を設け、回転中心から見た全周囲画像を撮影できるようにしたものが既に開発されている。
【０００５】
さらに、全天周の動画像を撮影する方法として、複数台のカメラを用いて撮影できる画角を拡大する方法がいくつか提案されている。図９は、従来の広画角撮像装置の構成例である。
【０００６】
図９に示すように、この広画角撮像装置は、複数台のカメラ９０，９０，・・を同一円周上に光軸を円の径方向の外側に向けて、かつ各カメラの撮像領域をオーバーラップして配置し、撮影画角を広げるようにしたものである。この図９に示す方法では、各カメラ９０は、隣接したカメラの撮像領域をオーバーラップして撮像し、全撮影画角内を漏れなく撮像することを可能にしている。
【０００７】
なお、図１０は、図９に示した方法の原理を説明する模式図である。図１０において、カメラＡとＢは、撮影画角（水平画角）θ_ｈを有し、撮像領域がオーバーラップするように、間隔ｄを置いて配置される。また、撮像面の水平方向のサイズをｂとし、光学系の焦点距離をｆとする。そうすると、水平画角θ_ｈは、θ_ｈ＝２tan^−１（ｂ／２ｆ）である。また、カメラレンズ系の主点から水平画角が交わる点までの距離Ｄ_０は、Ｄ_０＝（ｆｄ）／ｂである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図９に示した動画用に開発された撮像方法では、隣接したカメラ間の映像を滑らかに合成することが非常に困難であるという問題点がある。具体的には、図１０に示すように、隣接カメラ撮像領域のオーバーラップ部分の任意点に存在する被写体１，２を撮影した場合、カメラと被写体の距離によって隣接カメラ間で、これら被写体１，２に対応する像の受光面での位置が異なってくるので、この対応点を求めることが困難である。
【０００９】
このような対応点を探す方法として１つのカメラで撮像した映像のうち、隣接カメラと撮影領域がオーバーラップしていると考えられる領域を小領域に分割し、各小領域毎に隣接カメラで撮像した映像の中から相関性の高い映像領域を探し出すパターンマッチングにより対応点を求める方法を用いることが考えられる。
【００１０】
しかし、この方法では、小領域を１画素毎にずらしながら相関係数を求めることになるので、処理時間の問題から動画像のリアルタイム処理には適していない。
【００１１】
また、魚眼レンズなどの方法では、全天周の画像を１つの撮像素子上に投影するため、十分な解像度のある映像が得られないという問題点がある。
【００１２】
本発明は、このような従来の課題を解決すべく創作されたものであり、複数台の撮像装置または複数台の撮像装置及び凹面鏡の組をそれらの撮像領域が重ならないように円周上または球面上に配置することにより、ある視点位置から見た３６０度周囲や全天周の動画広画角映像を特別な画像処理をすることなく簡単に生成することができる広画角撮像装置を提供することを目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明に係る広画角撮像装置は、２つの同心円の小半径円の周上に凹面を円の径方向の外側に向けて隙間なく配置されるｎ個の凹面鏡と、２つの同心円の大半径円の周上に前記凹面鏡のうち対応する凹面鏡に向いて配置されるｎ台の撮像装置と、で構成され、各凹面鏡及び撮像装置の組み合わせで撮影できる撮影画角が、２π／ｎであることを特徴としている。
【００１８】
かかる請求項１に記載の発明の構成によれば、同心円上に配置される凹面鏡及び撮像装置の組み合わせで撮影できる撮像領域は、それぞれ隣接する凹面鏡及び撮像装置の組み合わせで撮影できる撮像領域と重なることなく、境界が一致するように形成される。したがって、複数個の凹面鏡及び撮像装置の組み合わせで撮像した３６０度周辺の画像から、特別の画像処理を要さずに簡単に滑らかな動画広画角映像を生成できる。
【００１９】
請求項２に記載の発明に係る広画角撮影装置は、２つの同心球の小半径球の球面上に凹面を球の径方向の外側に向けて隙間なく配置される複数個の凹面鏡と、２つの同心球の大半径球の球面上に前記複数個の凹面鏡のうち対応する凹面鏡に向いて配置される複数個の撮像装置と、で構成され、各凹面鏡及び撮像装置の組み合わせで撮影できる撮像領域の境界線が隣り合った凹面鏡及び撮像装置の組み合わせで撮影できるの撮像領域の境界線と一致することを特徴としている。
【００２０】
かかる請求項２に記載の発明の構成によれば、２つの同心球の面上に配置される凹面鏡及び撮像装置の組み合わせで撮影できる撮像領域は、それぞれ隣接する凹面鏡及び撮像装置の組み合わせで撮影できる撮像領域と重なることなく、境界線が一致するように形成される。したがって、複数個の凹面鏡及び撮像装置の組み合わせで撮像した全天周の画像から、特別の画像処理を要さずに簡単に滑らかな全天周映像を生成できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る広画角撮像装置の第１の参考例を示す構成図である。また図２は、広画角撮像装置の構成を模式的に示す説明図である。
【００２２】
図１、図２において、第１の参考例の広画角撮像装置は、同一円周上に光軸を円の径方向の外側に向けて等間隔に配置される４台のカメラ１，２，３，４と、４台のカメラ１，２，３，４がそれぞれ撮影した画像から３６０度周囲の映像を生成する信号処理装置５とで構成される。
【００２３】
４台のカメラ１〜４は、それぞれ２次元撮像素子を有する。４台のカメラ１〜４は、レンズの主点位置Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが半径ｒの円周上に互いに９０度の角度を持つよう配置されている。また、４台のカメラ１〜４は、撮影画角θ_Ａ、θ_Ｂ、θ_Ｃ、θ_Ｄが、それぞれ９０度となるようなレンズを用いている。なお、各カメラの結像位置は、Ｉ_Ａ，Ｉ_Ｂ，Ｉ_Ｃ，Ｉ_Ｄとなる。
【００２４】
このような条件のもとでは、各カメラで撮影される領域（斜線部分）６の境界線は、隣接したカメラの撮影領域６の境界線と平行になる。その結果、カメラ間に発生する撮影されない領域の幅Ｌは、カメラから被写体までの距離Ｒに拘わらず一定で、√２×ｒと表される。また、カメラの中心から距離Ｒだけ離れた被写体を撮影した場合の撮影されない領域の画角は、約sin^−１（√2×ｒ／Ｒ）となる。
【００２５】
したがって、被写体までの距離Ｒが４台のカメラ１〜４のレンズ主点位置Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄが配置された円周の半径ｒよりも十分大きく、撮影されない領域Ｌの画角が１画素で撮影される画角よりも十分小さい場合には、撮影されない領域Ｌは無視できる。
【００２６】
具体的には、例えばカメラ１〜４を配置している円周の半径ｒが１０ｍｍとなるような小型のカメラを使用したとすると、カメラ間に生じる撮影されない領域の幅Ｌは、１４ｍｍとなる。このとき当該広画角撮像装置の視点中心から１０ｍ離れた部分の全周画像を撮影した場合、撮影されない領域の画角は０．０８度となりほぼ無視できることがわかる。
【００２７】
したがって、４台のカメラ１〜４が撮像した３６０度周辺の画像から、特別の画像処理を要さずに簡単に滑らかな動画広画角映像を生成できる。
【００２８】
次に、図３は、本発明の第２の参考例に係る広画角撮像装置の構成図である。
【００２９】
図３に示すように、第２の参考例の広画角撮像装置は、第１の参考例の構成を一般的な構成で示したものである。即ち、第２の参考例の広画角撮像装置は、ｎ台のカメラ１１（１〜ｎ）を同一円周上に光軸を円の径方向の外側に向けて、配置角度β＝２π／ｎの間隔で配置したものである。また、ｎ台のカメラ（１〜ｎ）の撮影画角（θ_１、θ_２、・・、θ_ｎ−１、θ_ｎ）は、それぞれ配置角度βと同じ２π／ｎである。
【００３０】
これにより、上記４台のカメラの場合と同様に、ｎ台の各カメラで撮影できる領域６の境界線を、隣接したカメラのそれと平行となるよう設定することができる。そして、上記の撮影されない部分に関しては、カメラの台数を多くすることによってより狭くすることができるので、近距離の被写体においても撮影されない部分を無視することができる。
【００３１】
したがって、第２の参考例によれば、第１の参考例よりも一層簡単に、３６０度周辺の画像から滑らかな動画広画角映像が生成できる。
【００３２】
次に、図４は、本発明に係る広画角撮像装置の第３の参考例を示す構成図である。
【００３３】
図４に示すように、第３の参考例の広画角撮像装置は、複数台のカメラ１２を同一球面上に光軸を球の径方向の外側に向けて等間隔に、かつ１つのカメラ１２の撮像領域の境界線が隣り合ったカメラ１２の撮像領域の境界線と平行となるように配置し、広画角画像を撮影できるようにしたものである。なお、これらのカメラ１２が接続される信号処理装置は、図示省略した。
【００３４】
各カメラ１２の撮影領域は、具体的には、次のようにして設定される。図４において、球面の中心Ｐを頂点として任意の隣接した４つのカメラ１２（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）で作られる四角錐の立体角をαとすると、各カメラ１２の撮影画角θをこの四角錐の立体角と同じα（θ＝α）とする。そうすると、各カメラ１２が撮影できる領域の境界線を、隣接したカメラ１２のそれと平行となるよう設定することができる。
【００３５】
したがって、上記第１、第２の参考例と同様に、ある一定距離以上離れた被写体に対しては、各カメラ間に生じる撮影されない領域を無視することができるため、連続した全天周の画像を撮影することができる。
【００３６】
次いで、図５は、本発明に係る広画角撮像装置の第１の実施形態を示す構成図である。なお、この第１の実施形態は、請求項１に対応する。
【００３７】
図５に示すように、第１の実施形態の広画角撮像装置は、同心円周上に８個の凹面鏡２１及び８台のカメラ２２を設置し、周辺３６０度の画像を撮像するようにしたものである。なお、これらのカメラ２２が接続される信号処理装置は、図示省略した。
【００３８】
８個の凹面鏡２１は、半径ｒ１、ｒ２（ｒ１＜ｒ２）の２つの同心円のうち小半径ｒ１の円周上にその凹面を当該円の径方向の外側に向けて隙間なく配置されている。また、各凹面鏡２１に対し、カメラ２２が対応する凹面鏡２１の視野を撮像領域とするように同心円の大半径ｒ２の円周上に等間隔に配置されている。
【００３９】
このとき、凹面鏡２１及びカメラ２２のレンズの焦点距離は、１つの凹面鏡２１及びカメラ２３の組み合わせで撮影画角α＝２π／８で撮影できるように設定する。
【００４０】
このような条件のもとでは、各カメラ２２で撮影される領域（斜線部分）２３の境界線は、隣接したカメラの撮影領域２３の境界線と一致する。したがって、各カメラが撮影した画像を図示しない信号処理装置で連続的に処理することにより、当該同心円の中心にある仮装的な視点位置Ｐから見ることのできる３６０度の全周画像の連続した映像が得られる。
【００４１】
次に、図６は、本発明に係る広画角撮像装置の第２の実施形態を示す構成図である。なお、第２の実施形態は、請求項１に対応する。
【００４２】
図６に示すように、第２の実施形態の広画角撮像装置は、第１の実施形態の構成を一般的な構成で示したものである。即ち、第２の実施形態の広画角撮像装置は、２つの同心円の小半径円の周上に凹面を円の径方向の外側に向けて隙間なく配置されるｎ個の凹面鏡３１と、２つの同心円の大半径円の周上にｎ個の凹面鏡３１のうち対応する凹面鏡３１に向いて配置されるｎ台のカメラ３２と、ｎ台のカメラ３２が接続される図示しない信号処理装置とで構成され、周辺３６０度の画像を撮像するようにしたものである。
【００４３】
このとき、各凹面鏡３１及びカメラ３２の組み合わせで撮影できる撮影画角αをα＝２π／ｎとし、凹面鏡３１及びカメラ３２のセットを同心円上に等間隔に配置してある。
【００４４】
これにより、上記第１の実施形態の場合と同様に、各カメラで撮影できる領域３３の境界線が隣接したカメラのそれと一致するように設定することができ、当該同心円の中心にある仮装的な視点位置から見ることのできる３６０度の全周画像の連続した映像が得られる。
【００４５】
次いで、図７は、本発明に係る広画角撮像装置の第３の実施形態を示す構成図である。なお、第３の実施形態は、請求項２に対応する。
【００４６】
図７において、第３の実施形態の広画角撮像装置は、２つの同心球の小半径球の球面上に凹面を球の径方向の外側に向けて隙間なく配置される複数個の凹面鏡４１と、２つの同心球の大半径球の球面上に前記複数個の凹面鏡４１のうち対応する凹面鏡に向いて配置される複数台のカメラ４２と、複数台のカメラ４２が接続される図示しない信号処理装置とで構成され、各凹面鏡４１及びカメラ４２の組み合わせで撮影できる撮像領域４３の境界線が隣り合った凹面鏡４１及びカメラ４２の組み合わせで撮影できる撮像領域４３の境界線と一致するようになっている。
【００４７】
各凹面鏡４１及びカメラ４２の組み合わせは、具体的には、図８に示すようにして設定される。図８は、図７における１個の凹面鏡及びカメラの組み合わせによる撮像範囲の説明図である。
【００４８】
図８において、四角形の凹面鏡５１は、凹面が球面状になっている。この四角形の凹面鏡５１に対し、この凹面鏡５１の視野を撮像領域とする小型のカメラ５２を光軸を同一にして適宜距離を置いて配置したものを１ユニットの撮像装置と考える。そうすると、この撮像装置で撮影できる領域は、カメラ５２の背後に図中の斜線の四角形領域５３のように形成される。
【００４９】
そこで、図７にした広画角撮像装置は、２つの同心球のうち小半径球の球面を、球面状の凹面を有する四角形の凹面鏡４１を互いの視野領域の境界線が一致するように張り合わせて形成し、この凹面鏡４１の前面に、小型のカメラ４２を隣接したカメラ４２の撮影領域がオーバーラップしないように配置したものである。このようにして配置したカメラ４２の配置面は、凹面鏡４１の配置球面と同心の球面となる。これが、上記大半径球の球面である。
【００５０】
そうすると、第２の実施形態と同様に、同心球の中心位置にある仮装視点位置から見た全天周の連続した映像を特別の画像処理をすることなく取得することができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、各撮像装置を撮像領域が重ならないように配置したので、特別の画像処理を要さずに簡単に、ある一点から見た３６０度の全周映像、または全天周の画像を動画像の形式で連続的に撮影することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る広画角撮像装置の第１の参考例に係る広画角撮像装置の構成図である。
【図２】第１の参考例の広画角撮像装置の模式図である。
【図３】本発明に係る広画角撮像装置の第２の参考例に係る広画角撮像装置の構成図である。
【図４】本発明に係る広画角撮像装置の第３の参考例に係る広画角撮像装置の構成図である。
【図５】本発明に係る広画角撮像装置の第１の実施形態に係る広画角撮像装置の構成図である。
【図６】本発明に係る広画角撮像装置の第２の実施形態を示す広画角撮像装置の構成図である。
【図７】本発明に係る広画角撮像装置の第３の実施形態を示す構成図である。
【図８】１個の凹面鏡及び撮像装置の組み合わせによる撮像範囲の説明図である。
【図９】従来の複数台の撮像装置を同心円上に配置した広画角撮像装置の構成例である。
【図１０】従来の広画角撮像装置の原理説明図である。
【符号の説明】
１〜４，１１，１２，２２，３２，４２，５２カメラ（撮像装置）
５信号処理装置
６，２３，４３，５３撮像領域
２１，３１，４１．５１凹面鏡

Claims

２つの同心円の小半径円の周上に凹面を円の径方向の外側に向けて隙間なく配置されるｎ個の凹面鏡と、
２つの同心円の大半径円の周上に前記凹面鏡のうち対応する凹面鏡に向いて配置されるｎ台の撮像装置と、
で構成され、各凹面鏡及び撮像装置の組み合わせで撮影できる撮影画角が、２π／ｎである、
ことを特徴とする広画角撮像装置。
２つの同心球の小半径球の球面上に凹面を球の径方向の外側に向けて隙間なく配置される複数個の凹面鏡と、
２つの同心球の大半径球の球面上に前記複数個の凹面鏡のうち対応する凹面鏡に向いて配置される複数台の撮像装置と、
で構成され、各凹面鏡及び撮像装置の組み合わせで撮影できる撮像領域の境界線が隣り合った凹面鏡及び撮像装置の組み合わせで撮影できるの撮像領域の境界線と一致する、
ことを特徴とする広画角撮像装置。