JP4621214B2 - 立体画像撮像位置調整装置、立体画像撮像位置調整方法およびそのプログラムならびに立体画像撮影システム - Google Patents
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請求項3に記載の発明によれば、高解像度を実現することができる。
請求項9に記載の発明によれば、2つの撮像素子で抽出された位置検出用パターンの画像を互いに半画素ずらすときに必要な位置検出用パターンと、単純な位置合わせをするときに必要な位置検出用パターンとを兼務させることができる。
[立体画像撮影システムの概要]
図1は、本発明の第1実施形態にかかる立体画像撮影システムの一例を模式的に示す構成図である。立体画像撮影システム1は、図1に示すように、立体画像撮影装置2と、立体画像撮像位置調整装置3と、結像手段群移動手段4とを備えている。
立体画像撮影装置2は、レンズアレイ(結像手段群)5と、撮像装置6と、撮像用レンズ7とを備え、レンズアレイ5を用いて、被写体の立体情報を実時間で取得する。
立体画像撮像位置調整装置3は、後記するように、撮像装置6に備えられた2つの撮像素子11a,11bでそれぞれ取得された各画像を互いに正確に半画素ずらすために、2つの撮像素子11a,11bの相対的な位置を調整するものである。また、そのために、立体画像撮像位置調整装置3は、例えば、レンズアレイ5と撮像装置6との相対的な位置関係等を調整する。
結像手段群移動手段4は、レンズアレイ(結像手段群)5を移動させるものであり、例えば、圧電素子やステッピングモータなどを用いた電気制御可能なステージから構成される。
撮像用レンズ7は、撮像用レンズ移動手段8によって移動可能に構成されている。撮像用レンズ移動手段8は、撮像用レンズ7を移動させるものであり、例えば、圧電素子やステッピングモータなどを用いた電気制御可能なステージから構成される。
撮像装置6は、例えば、高精細なテレビジョンカメラであり、RGBに対応した4個の撮像素子11a〜11dと、撮像素子移動手段12a〜12dとを備えている。撮像素子11は、レンズアレイ5により結像された被写体の各要素画像をそれぞれ撮影するものであって、例えば、CCD(Charge Coupled Device)撮像素子で構成される。この撮像素子11は、解像度の比較的高い動画での立体画像の撮影に充分である高精細な画素数で構成されている。
図2は、図1に示したレンズアレイと撮像素子との位置合わせ等に利用される位置検出用パターンの一例を示す図である。
<楔形パターン>
図2に示すように、外枠9において、レンズアレイ5との境界の各頂点には、楔形パターン(位置検出用パターン)21a〜21hが設けられている。楔形パターン21a〜21hは、撮像素子11とレンズアレイ5との微少な位置ずれを検出するための位置検出用パターンである。
楔形パターン21fは、1つの楔形から成り、この楔形の鋭角の頂点が左方からレンズアレイ5の左辺の中点22fに重なっている。
楔形パターン21gは、1つの楔形から成り、この楔形の鋭角の頂点が右方からレンズアレイ5の右辺の中点22gに重なっている。
楔形パターン21hは、1つの楔形から成り、この楔形の鋭角の頂点が下方からレンズアレイ5の下辺の中点22hに重なっている。
図2に示すように、レンズアレイ5内のレンズ5aが形成されていない部分(隣り合ったレンズ5a間の部分)には、歪み検出パターン(位置検出用パターン)23が設けられている。歪み検出パターン23は、撮像用レンズ7の歪みを検出するための位置検出用パターンである。本実施形態では、歪み検出パターン23は、図2に示すように、レンズアレイ5内の各レンズ5aを取り囲む正六角形の形状を網目の一単位とした網目状にレンズアレイ5の全体を覆うように形成されている。歪み検出パターン23の一単位の形状は、正六角形で限定されるものなく、その他の多角形でもよく、レンズアレイ5の中央などその一部分だけを覆うものでもよい。この歪み検出パターン23は、例えば、合成樹脂等のシート状の部材を接着または融着して貼り付けたり、あるいは、印刷されたりして、レンズアレイ5に固定される。
図2に示すように、レンズアレイ5内のレンズ5aが形成されていない部分のうち、レンズアレイ5のほぼ中央部分には、中央位置検出パターン(位置検出用パターン)24が設けられている。中央位置検出パターン24は、撮像素子11とレンズアレイ5との位置ずれを検出するための位置検出用パターンである。本実施形態では、中央位置検出パターン24は、一点から放射状に伸びた長さの等しい3本の線分で示されている。これら3本の線分のうちの隣り合う2本のなす角度は120度である。この中央位置検出パターン24の3本の線分の交点によって、レンズアレイ5の中央が特定される。なお、中央位置検出パターン24の形状は、これに限定されるものなく、例えば、レンズ5aが正方配列される場合には4本の線分の交点によってレンズアレイ5の中央が特定されるように構成してもよい。この中央位置検出パターン24は、例えば、合成樹脂等のシート状の部材を接着または融着して貼り付けたり、あるいは、印刷されたりして、レンズアレイ5に固定される。なお、中央位置検出パターン24は、レンズアレイ5の中心に配置されることが好ましいが、それができない場合には、中心の近くで配置可能な位置に配置されていればよい。
図3に示すように、外枠9のレンズアレイ5の周辺部には、位置ずれ検出パターン(位置検出用パターン)25a〜25hが設けられている。位置ずれ検出パターン25a〜25hは、撮像素子11a〜11d間の位置ずれを検出するためのパターンである。本実施形態では、位置ずれ検出パターン25a〜25hは、円形であり、円形の領域の中心で輝度値が最も高く、円形の領域の中心から半径に沿って離間していくにしたがって、輝度値が二乗特性で減少する。なお、輝度値が減少する変化の仕方はこれに限定されるものではなく、線形特性で減少するようにしてもよい。
位置ずれ検出パターン25c,25dは、外枠9の左辺または右辺をほぼ3等分にした位置のうちの上方にそれぞれ設けられている。
位置ずれ検出パターン25e,25fは、外枠9の左辺または右辺をほぼ3等分にした位置のうちの下方にそれぞれ設けられている。
位置ずれ検出パターン25g,25hは、外枠9の下辺をほぼ3等分にする位置にそれぞれ設けられている。
図4に示すように、外枠9のレンズアレイ5の周辺部には、画素ずれ検出パターン(位置検出用パターン)26a〜26hが設けられている。画素ずれ検出パターン26a〜26hは、撮像素子11aによって撮影された画像と、撮像素子11bによって撮影された画像とを半画素ずらすために利用される位置検出用パターンである。本実施形態では、画素ずれ検出パターン26a〜26hは、2つの正弦波パターンから成る。各正弦波パターンは、長方形の形状であり、長方形の領域の長手方向に、輝度値が正弦波の振幅のように周期的に変化するパターンが設けられている。すなわち、正弦波パターンは、長方形の領域の長辺を位相θラジアン(0<θ<2π)に割り当てたときに、長方形の領域の長手方向の輝度値がsinθに対応している。
外枠9の上辺において、画素ずれ検出パターン26aは、位置ずれ検出パターン25a(図3参照)を挟む位置にそれぞれ設けられた2つの正弦波パターンから成り、画素ずれ検出パターン26bは、位置ずれ検出パターン25b(図3参照)を挟む位置にそれぞれ設けられた2つの正弦波パターンから成る。
また、外枠9の下辺において、画素ずれ検出パターン26cは、位置ずれ検出パターン25g(図3参照)を挟む位置にそれぞれ設けられた2つの正弦波パターンから成り、画素ずれ検出パターン26dは、位置ずれ検出パターン25h(図3参照)を挟む位置にそれぞれ設けられた2つの正弦波パターンから成る。
これら画素ずれ検出パターン26a〜26dは、撮像素子11aと撮像素子11bとの空間的な水平方向の相対位置をずらす場合に利用される。
画素ずれ検出パターン26eは、外枠9の左辺において、位置ずれ検出パターン25c(図3参照)を挟む位置にそれぞれ設けられた2つの正弦波パターンから成る。
画素ずれ検出パターン26fは、外枠9の右辺において、位置ずれ検出パターン25d(図3参照)を挟む位置にそれぞれ設けられた2つの正弦波パターンから成る。
画素ずれ検出パターン26gは、外枠9の左辺において、位置ずれ検出パターン25e(図3参照)を挟む位置にそれぞれ設けられた2つの正弦波パターンから成る。
画素ずれ検出パターン26hは、外枠9の右辺において、位置ずれ検出パターン25f(図3参照)を挟む位置にそれぞれ設けられた2つの正弦波パターンから成る。
これら画素ずれ検出パターン26e〜26hは、撮像素子11aと撮像素子11bとの空間的な垂直方向の相対位置をずらす場合に利用される。
図5は、第1実施形態に係る立体画像撮像位置調整装置の構成を示すブロック図である。立体画像撮像位置調整装置3は、例えば、CPU(Central Processing Unit)と、RAM(Random Access Memory)と、ROM(Read Only Memory)と、HDD(Hard Disk Drive)等から構成されており、図5に示すように、大別して、入出力手段31と、記憶手段32と、制御手段33とを備える。
RAM321は、制御手段33による演算処理等に利用されると共に、入出力手段31を介して取得した情報等を記憶し、ROM322は、所定のプログラム等を記憶する。
抽出条件記憶手段323は、撮像素子11で取得される情報の中から、被写体の立体情報や所定の位置検出用パターンの画像情報等を抽出する条件を示す抽出条件を記憶するものであり、一般的なハードディスク等から構成される。
第1に、レンズアレイ5と撮像装置6との位置合わせ、撮像用レンズ7の位置合わせ、および撮像素子11間の位置合わせを含む位置合わせ処理(以下、撮像位置調整処理という)に用いられるアドレス値を基準アドレスとして含んでいる。すなわち、レンズアレイ5と撮像装置6との間の位置ずれが無い場合に取得されるべきアドレス値、撮像用レンズ7による歪みが無い場合に取得されるべきアドレス値、撮像素子11間の位置ずれが無い場合に取得されるべきアドレス値等を含む。
立体画像情報抽出手段331aは、撮像情報の中から、被写体の立体情報を抽出するものである。
配置情報信号処理手段335は、抽出画像のアドレスと基準アドレスとの間の差が所定範囲内である場合に、撮像素子11の出力信号において、抽出画像のアドレスを微調整するものである。
立体画像撮像システムの一般的な動作を図1を参照して説明する。この立体画像撮影システム1では、レンズアレイ5の前方(図中左側)に配置された被写体を撮影する。このとき、各撮像素子11には、レンズアレイ5を構成する各レンズ5aにより生じる要素画像(光学像)が結像する。なお、各要素撮像画像は、被写体の奥行きが反転した状態の画像である。そして、立体画像撮像位置調整装置3は、撮像素子11から出力された信号に含まれる撮像情報(画像)を点対称に反転させた情報として立体画像情報記憶手段325(図5参照)に格納する。この立体画像情報記憶手段325(図5参照)に格納された情報を、撮影時に撮像装置6を配置した位置で表示させ、撮影時と同じ位置に配置されたレンズアレイ5の前方から眺めると、被写体と比較して奥行きが等しい立体像を再生できる。このように立体像を正しく再生できるように、立体画像撮像位置調整装置3では、前記したように、正しい配置において各位置検出用パターンの画像を予め取得し、取得された各位置検出用パターンの画像情報を基準アドレスとして、基準画像位置情報記憶手段324(図5参照)に格納している。
<撮像位置調整処理>
図5に示した立体画像撮像位置調整装置3の動作について図6を参照(適宜図5参照)して説明する。図6は、第1実施形態に係る立体画像撮像位置調整装置による撮像位置調整処理を示すフローチャートである。撮像位置調整処理において、立体画像撮像位置調整装置3は、パターン画像抽出手段331bによって、撮像素子11で撮像された画像から、位置検出用パターンの画像を抽出する(ステップS1)。そして、立体画像撮像位置調整装置3は、一致判別手段333によって、抽出画像のアドレスと基準アドレスとが一致するか否かを判別する(ステップS2)。抽出画像のアドレスと基準アドレスとが一致する場合(ステップS2:Yes)、立体画像撮像位置調整装置3は、撮像位置調整処理を終了する。
図8は、立体画像撮像位置調整装置による画像シフト処理を示すフローチャートである。この画像シフト処理は、図6に示した撮像位置調整処理が完了していることを前提に実行される処理である。画像シフト処理において、立体画像撮像位置調整装置3は、シフト用画像抽出手段331cによって、2つの撮像素子11a,11bで同一の画素ずれ検出パターン(例えば、26a)を撮像することで取得されたそれぞれの画像をシフト用画像としてそれぞれ抽出する(ステップS11:画像抽出ステップ)。そして、立体画像撮像位置調整装置3は、画素ずれ判別手段341によって、2つのシフト用画像が半画素ずれているか否かを判別する(ステップS12:画素ずれ判別ステップ)。2つのシフト用画像が半画素ずれている場合(ステップS12:Yes)、立体画像撮像位置調整装置3は、画像シフト処理を終了する。
図9は、図6に示した撮像位置調整処理と図8に示した画像シフト処理との具体的な一例を示すフローチャートである。ここでは、撮像位置調整処理において、まず、撮像素子11(あるいは撮像装置6)とレンズアレイ5との位置ずれ検出および補正を行い、次に、撮像用レンズ7の歪み検出および補正を行い、続いて、撮像装置6内の撮像素子11間の位置ずれ検出および補正を行うこととする。また、一例として撮像素子11a(図1参照)により取得される情報を用いて、撮像用レンズ7の歪み検出および補正を行う手順を説明する。なお、図1に示した他の撮像素子11b〜11dのいずれかを用いたとしても同様に処理することができる。
第2実施形態の立体画像撮影システムは、図1に示したものと同じ構成であり、また、立体画像撮像位置調整装置は、2つの撮像素子11a,11bによって取得された各画像を半画素ずらす処理(画像シフト処理)において、撮像素子11aと撮像素子11bとの空間的な相対位置をずらす手法が第1実施形態のものと異なるだけで、図5に示したものと同様な構成である。そのため、以下では、構成の図面を省略し、同じ符号を用いて第1実施形態と異なる機能だけを説明する。
第3実施形態の立体画像撮影システムは、図1に示したものと同じ構成であり、また、立体画像撮像位置調整装置は、画像シフト処理において、撮像素子11aと撮像素子11bとの空間的な相対位置をずらす手法が第2実施形態のものと異なるだけなので、以下では、第2実施形態と異なる機能だけ説明する。
基準画像位置情報記憶手段324は、基準画像位置情報として、以下の位相差を記憶する。すなわち、この位相差は、画素ずれ検出パターン25aを撮像することで2つの撮像素子11a,11bによって取得される各画像が半画素ずれた状態となるときに対応した、撮像素子11aと撮像素子11bとの空間的な相対位置が実現する配置において、仮想凸レンズ60を用いて算出されるそれぞれの光強度分布の位相差である。
移動量算出手段342は、画素ずれ判別手段341によって算出される、光強度分布62aと光強度分布62bとの位相差PCと、基準画像位置情報記憶手段324に記憶された基準画像位置情報としての位相差とが一致するように、撮像素子11a(または11b)の移動量を算出する。
しかしながら、第3実施形態で用いる画素ずれ検出パターン25a〜25hは、それぞれ形状が同一であり、輝度値が二次元状に変化するパターンであるので、水平方向の画素ずれを検出する場合に利用できると共に、垂直方向の画素ずれを検出する場合にも利用できる。
図11は、本発明の立体画像撮像システムの他の例を模式的に示す構成図である。図11に示すように、第4実施形態の立体画像撮影システム1Cでは、レンズアレイ5に外枠が設けられておらず、レンズアレイ5の外周部に位置検出用光学系70a〜70dを備え、立体画像撮像位置調整装置3Cの機能が異なる点を除いて、図1に示した第1実施形態のシステムと同様なので、同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。
2 立体画像撮影装置
3,3C 立体画像撮像位置調整装置
4 結像手段群移動手段
5 レンズアレイ(結像手段群)
5a レンズ(結像手段)
6 撮像装置
7 撮像用レンズ
8 撮像用レンズ移動手段
9 外枠
11(11c,11d) 撮像素子
11a,11b 撮像素子(同色用撮像素子)
12(12a〜12d) 撮像素子移動手段
21a〜21h 楔形パターン(位置検出用パターン)
23 歪み検出パターン(位置検出用パターン)
24 中央位置検出パターン(位置検出用パターン)
25a〜25d 位置ずれ検出パターン(位置検出用パターン)
26a〜26h 画素ずれ検出パターン(位置検出用パターン)
323 抽出条件記憶手段
324 基準画像位置情報記憶手段
325 立体画像情報記憶手段
331 画像抽出手段
331a 立体画像情報抽出手段
331b パターン画像抽出手段
331c シフト用画像抽出手段
332 立体画像情報管理手段
333 一致判別手段
334 補正量算出手段
335 配置情報信号処理手段
341 画素ずれ判別手段
342 移動量算出手段
343 シフト量信号処理手段
351 駆動制御手段
70(70a〜70d) 位置検出用光学系
71 ピンホール
72 コリメータレンズ
Claims (9)
- 結像手段群により結像された被写体の各要素画像を撮像用レンズを介して撮像する撮像装置に備えられた2つの撮像素子でそれぞれ取得された各画像を互いに半画素ずらす立体画像撮像位置調整装置であって、
前記結像手段群の位置を示す位置検出用パターンと前記被写体とを共に前記各撮像素子によって撮像することで取得された各画像から前記位置検出用パターンの画像をそれぞれ抽出する画像抽出手段と、
前記それぞれ抽出された位置検出用パターンの画像が互いに半画素ずれているか否かを判別する画素ずれ判別手段と、
前記各位置検出用パターンの画像が互いに半画素ずれていない場合に、前記抽出された位置検出用パターンの画像が互いに半画素ずれるように前記撮像素子の位置をシフトするための移動量を算出する移動量算出手段と、
前記算出された移動量に基づいて、前記撮像素子を移動させる撮像素子移動手段に駆動信号を出力する駆動制御手段と、
を備えることを特徴とする立体画像撮像位置調整装置。 - 前記移動量算出手段で算出された情報に基づいて、前記撮像素子から出力される撮像された画像を示す画像信号を処理することで、前記それぞれ抽出された位置検出用パターンの画像が互いに半画素ずれるように調整するシフト量信号処理手段をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の立体画像撮像位置調整装置。
- 前記撮像手段は、色の3原色である赤色、緑色および青色のうちのいずれか1つの色に対応する同色用撮像素子を2つ有すると共に、前記3原色のうちの他の色に対応する色用の撮像素子を1つずつ有し、
前記同色用撮像素子でそれぞれ取得された各画像を互いに半画素ずらすことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の立体画像撮像位置調整装置。 - 結像手段群により結像された被写体の各要素画像を撮像用レンズを介して撮像する撮像装置に備えられた2つの撮像素子でそれぞれ取得された各画像を互いに半画素ずらす立体画像撮像位置調整装置の立体画像撮像位置調整方法であって、
画像抽出手段によって、前記結像手段群の位置を示す位置検出用パターンと前記被写体とを共に前記各撮像素子によって撮像することで取得された各画像から前記位置検出用パターンの画像をそれぞれ抽出する画像抽出ステップと、
画素ずれ判別手段によって、前記それぞれ抽出された位置検出用パターンの画像が互いに半画素ずれているか否かを判別する画素ずれ判別ステップと、
移動量算出手段によって、前記各位置検出用パターンの画像が互いに半画素ずれていない場合に、前記抽出された位置検出用パターンの画像が互いに半画素ずれるように前記撮像素子の位置をシフトするための移動量を算出する移動量算出ステップと、
駆動制御手段によって、前記算出された移動量に基づいて、前記撮像素子を移動させる撮像素子移動手段に駆動信号を出力する駆動制御ステップと、
を有することを特徴とする立体画像撮像位置調整方法。 - 結像手段群により結像された被写体の各要素画像を撮像用レンズを介して撮像する撮像装置に備えられた2つの撮像素子でそれぞれ取得された各画像を互いに半画素ずらすために、コンピュータを、
前記結像手段群の位置を示す位置検出用パターンと前記被写体とを共に前記各撮像素子によって撮像することで取得された各画像から前記位置検出用パターンの画像をそれぞれ抽出する画像抽出手段、
前記それぞれ抽出された位置検出用パターンの画像が互いに半画素ずれているか否かを判別する画素ずれ判別手段、
前記各位置検出用パターンの画像が互いに半画素ずれていない場合に、前記抽出された位置検出用パターンの画像が互いに半画素ずれるように前記撮像素子の位置をシフトするための移動量を算出する移動量算出手段、
前記算出された移動量に基づいて、前記撮像素子を移動させる撮像素子移動手段に駆動信号を出力する駆動制御手段、
として機能させることを特徴とする立体画像撮像位置調整プログラム。 - 結像手段群と、この結像手段群により結像された被写体の各要素画像を撮像用レンズを介して撮像する撮像装置とを備える立体画像撮影装置と、
前記撮像装置に備えられた撮像素子を移動させる撮像素子移動手段と、
前記結像手段群の位置を示す位置検出用パターンと、
請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の立体画像撮像位置調整装置とを備えることを特徴とする立体画像撮影システム。 - 前記結像手段群の配設された領域の外側に外枠が設けられており、
前記位置検出用パターンは、前記外枠に設けられていることを特徴とする請求項6に記載の立体画像撮影システム。 - 前記外枠に表示装置が設けられており、
前記位置検出用パターンは、前記表示装置に表示されることを特徴とする請求項6に記載の立体画像撮影システム。 - 前記位置検出用パターンは、位置検出用光学系によって形成され、
前記位置検出用光学系は、
前記結像手段群を構成する結像手段のうち最も外側に配置された結像手段の前記被写体側に予め接続され、前記接続された結像手段を透過する光が光軸に対して直交する方向に向かって輝度分布が変化するように構成されていることを特徴とする請求項6に記載の立体画像撮影システム。
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