JP5490040B2 - ディジタル3d/360度カメラシステム - Google Patents
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Description
本発明は、画像記録装置の分野に関し、詳しくはディジタル3D/360度カメラシステムに関する。ディジタル3D/360度カメラシステムは、3D画像、3D映画、又は3Dアニメーションを生成するのに用いられる全360度のシーンを対象範囲とする画像データを捕捉するために、複数対のステレオカメラを利用する。
解像度と画質とを向上させたディジタルカメラの出現と、向上を続けるコンピュータの速度及び処理力とにより、3次元の画像、映画、アニメーション及びテレプレゼンスを生成するための画像データの捕捉が可能な3次元・360度ディジタルカメラシステムの基盤が築かれた。
3次元写真は新しいものではない。3次元写真は、ステレオカメラにより百年以上も前から利用可能であった。ステレオカメラシステムでは、シーンを捉えるのに、各々がわずかに異なる視点に位置する2つのカメラが用いられる。カメラの構成は一般に人間の目に類似しており、横に並んで配置された2つのカメラを用いて、異なるが大部分が重複した2つのビューを捉える。これら2つの画像を一緒に立体ビュアーを通して見ると、画像が重複する部分において3次元の視知覚が得られる。
パノラマ写真術、すなわち全360度パノラマの広さの視野を対象とする1枚又は複数枚の写真の撮影術は、写真術において長い歴史を持っている。パノラマ写真術の恐らく最も原始的な方法は、通常のカメラで何枚かの隣接写真を撮影し、これらの写真のプリントを完全なパノラマが得られるように位置合わせして一体に貼り合わせる手法である。現代の技術では、この方法を応用して、画像の捕捉にディジタルカメラを用い、単一のパノラマ画像のプリント用の画像の位置合わせを行うのにコンピュータ画像処理手法を用いている。
1999年12月21日発行のM.Nakamura等による米国特許第6005987号には、別個の画像を結合することにより、同じようにパノラマ画像を形成する画像形成装置が示されている。Yanoによる文献と同様に、この特許文献の装置は、画像を位置合わせして結合するのに画像の重複領域を用いている。この特許文献の装置は、これに加えて重複領域における画像のずれとひずみを補正する。
パノラマ画像を捕捉するための別の方法は、全パノラマを単一の露出で捕捉する方法である。このような手法の1つは、回転レンズを有するカメラ又は回転カメラを用いることであった。フィルムカメラでは、回転レンズを全360度の視野にわたって走査することでフィルムストリップを露出させることが可能である。
2001年9月13日公開の米国特許出願公開第2001/0020976号には、ステレオパノラマカメラ装置が開示されている。この装置は、2つのパノラマカメラを双眼対に結合する。これらカメラの各々において、記録のためにパノラマ画像を転送するのに特殊なミラー、又はフレネルレンズが用いられる。提示されている一実施形態では、画像を記録するために平面状光学要素ではなく円筒状光学要素を必要とする。したがって、パノラマカメラに立体能力を提供してはいるが、すぐに利用可能且つ単純なディジタルカメラの使用を可能にするような解決法ではない。
1991年6月11日発行のD.McCutchenによる米国特許第5023725号には、複数のカメラが12面体をなすように配置された12面画像システムが開示されている。カメラシステムと共に、McCutchenはカメラに適合する12面形状を有する投影ドームを開示している。このシステムは、ドーム又は球形シアターの内部表面上への投影のために、概して球形の視野のビデオを捕捉するが、このビデオは3次元ではない。これらのカメラは立体的な視野の生成には適応していない。12面ドームの内面上に重複なしに投影することを目的に、種々の視野を位置合わせするために、各カメラの視野は事実上、一部刈り込まれる。
本発明はディジタル3D/360度カメラシステムである。本システムは、筐体を有する。この筐体上に複数のディジタルカメラが設置される。これらのディジタルカメラの各々が少なくとも一つの他のディジタルカメラの視野と重複する視野を有することにより、立体的視野が形成される。このシステムは、処理装置、メモリ、記憶装置、クロック、通信インタフェース、及びカメラインタフェースを有する制御装置を備える。このカメラインタフェースは、ディジタルカメラの各々と通信状態にある。
また、本発明の一部として、ディジタル3D/360度カメラシステムを用いた3次元画像モデルの生成方法が含まれる。この方法は、少なくとも2つのディジタルカメラのディジタル画像データに捕捉される関心点を有するディジタル画像データを捕捉するためにディジタル3D/360度カメラシステムを用いるステップから成る。各関心点について、この関心点に対応する少なくとも2つのディジタルカメラの各々からの画素ベクトルを特定する。各関心点について、少なくとも2つのディジタルカメラの各々からの画素ベクトルを用いて、システム基準点に対する座標系におけるこの関心点の位置を決定する。
本発明のディジタル3D/360度カメラシステムは、3次元シーンの正確なディジタルモデルを生成するのに必要な画像データを捕捉するために複数のディジタルカメラを用いる。このモデルは、3D画像、3D映画、3Dアニメーション、又はその他の3次元の製品を生成するのに用いられる。捕捉された画像データは、2次元のパノラマ画像の生成にも用いられ、また特定の構成により、人が見ることのできる立体画像の生成に用いられる。これらのカメラの各々の視野が少なくとも一つの他のディジタルカメラの視野と重複するようにカメラの方向を決めることで、立体的視野が形成される。この立体的視野からの画像データは、立体的手法を用いて処理され、完全3次元モデルが生成される。画像データの精度を得るため、カメラは筐体上に集合して固定的に搭載され、カメラの正確な形状は較正プロセスによって決定する。これらのカメラは、同時に又は1ms以下の同期下で画像捕捉を行うように指令される。
本発明の最も単純な実施形態においては、カメラは正方形の筐体上に、正方形上の4面の各面上に1対のカメラが位置するように搭載される。カメラは双眼対として構成されて「北」、「南」、「東」、「西」を向き、各双眼対が立体的視野内の360度視野の異なる4分の1区分を捕捉する。この立体的視野は、1つの双眼対を構成するカメラの視野が重複する箇所で両方のカメラに見える領域である。用いられるカメラの視野によって、1つの双眼対のカメラの重複の量と、カメラ間又は隣接する4分区分間の盲点の大きさが必然的に決定する。別の実施形態においては、双眼対が追加されたさらに複雑な幾何学的配置を使用し、更に別の実施例においてはカメラを球面上に均一に分散させる。
カメラはコンピュータによって制御され、このコンピュータは、カメラの物理的形状及び相互の関係を記述するデータを管理し、カメラに画像データを捕捉するように同時に指令し、画像データを読み取り、保存し、記憶し、処理用にエクスポートする。
さらに大きなシーン又は領域については、さらに多くの総合的3次元画像データを収集するために、多数のディジタル3D/360度カメラシステムを別個の場所で協働させて用いる。
従来の立体写真術では、双眼対をなす2つのカメラが、約2インチ(5cm)間隔を置いて配置され、各カメラが人の目を模した視角を有する。これにより人が見やすい3次元視野を再現する。しかし、ディジタル3D/360度カメラシステム10は、コンピュータによって3次元モデルへと処理されるデータを捕捉するように機能する。したがって、ディジタルカメラ30の形状及び視野は、従来の立体写真術に課される制約に拘束されない。カメラ30の形状に関係なく、これらのカメラ30は固定されて搭載され、その正確な形状は既知である。ディジタルカメラ30はどのような間隔を置いて配置してもよい。例えば、室内で用いられるか、又は小さなシーンを捕捉するために用いられるディジタル3D/360度カメラシステム10においては、間隔を数インチのみとしてよく、一方空港又は市街ブロックを対象として用いられるディジタル3D/360度カメラシステム10は、カメラ間の間隔を数フィートに構築してもよい。双眼対で配置され、各対が360度視野のうちの4分区分の一つを捕捉するディジタルカメラ30において、レンズは約100度の視野を有する必要がある。
カメラの視野の選択は、対象範囲の最大化及び解像度という相反する要素を伴うことが認識されよう。視野の増大は、当然ながら捕捉可能な画像の量を改善することになり、特に、立体的視野の大きさが増大するにつれて有用な立体データの量が増大する。しかし、視角が増大するにつれて解像度が低下する。これは、4,000×4,000画素の解像度と100度の視野とを有する仮想のディジタルカメラを考えてみると説明できる。100度を4,000画素で分割すると画素当たり1/40度の対象範囲となる。よって、23mに対して約1cmの解像度が得られる。ディジタルカメラの技術が改良されると解像度も向上する。ディジタルカメラの解像度は半導体に関するムーアの法則に従って来ており、約1年又は2年ごとに倍増しており、この傾向は少なくともさらに15年間は続くと期待される。解像度を増大する別の解決法は、単に用いるカメラの数を増やして個々のカメラの対象範囲視野を小さくすることである。
図4に示す別の実施形態は、文字通り双眼対の形にグループ化されたディジタルカメラ30を有する配置とは異なっている。代わりに、ディジタルカメラ30は、円形の筐体を囲むように均一に設置される。この構成では、各ディジタルカメラ30がそれに隣接するディジタルカメラ30の各々と立体的視野を共有する。図示のように、視野β3が視野β2と重複して立体的視野β2&3を形成し、また視野β4とも重複して立体的視野β3&4を形成する。
別の実施形態では、ディジタルカメラ30の円形配置を拡張し、例えば図5に示すように、球形筐体のまわりにディジタルカメラ30を配置した完全球形構成としている。ディジタルカメラ30を分配したこの球形構成では、対象範囲の最大化が可能になり、360度のパノラマのデータを収集するのみでなく1つのシーンの全画像データを収集する。
ディジタルカメラ30は、カメラインタフェース50に接続された指令及びデータインタフェースを有する。市販のディジタルカメラには一般に、ユニバーサルシリアルバス(USB)、ファイアワイア、又は指令及びデータの転送用の別のインタフェースが付属する。したがって、カメラインタフェース50は、USB、ファイアワイア、又は指令及びデータの転送用の別のインタフェースを含む。加えて、ディジタルカメラ30は、必ずしも必要ではないが好ましくは、ディジタルカメラ30に画像を捕捉させるディジタル信号が可能になるような単一のディジタル制御ラインを備える。単一のディジタル制御ラインを用いることにより、全てのディジタルカメラ30に対して単一のディジタル制御信号により画像捕捉を同時に指令することが可能になる。
外部通信インタフェース46は、どのようなデータ通信インタフェースでもよく、有線、光ファイバ、無線による方法、又は外部装置との接続用の他の方法を用いることができる。具体例として、イーサネット又は無線イーサネットが挙げられる。
大容量記憶装置44に記憶され、メモリ42においてCPU40によって実行されるコンピュータソフトウェアプログラムが、制御装置に対し、種々の機能を行うように指示する。これらの機能は、外部通信インタフェース上の外部装置からの指令の受信、ディジタルカメラ30の正確な形状を定義するデータファイルの管理、ディジタルカメラ30に対する画像データ捕捉の指令、画像データファイルのタグ付け及び保管、及び画像データファイルの外部装置への伝達である。ディジタルカメラ30の正確な形状を定義するデータファイルの管理の機能には、データファイルを生成するために較正ステップを行うこと、又は外部のソースからデータファイルをダウンロードすることを含む。
ディジタル3D/360度カメラシステム10により捕捉された画像データは、3次元画像及びモデルの生成に用いることができる。3次元画像及びモデルの生成には、各画素を含め、システム内での各カメラ30の正確な形状を知る必要がある。
各画素ベクトルVpに対する基準点Rc及び方向ベクトルは、レンズが固定焦点の場合には静的である。レンズが可変焦点の場合、基準点Rc及び方向ベクトルは、焦点の変化と共に変化する。可変焦点のレンズに対しては、精度を最大に保つために、異なる焦点設定について複数の画素マップが必要である。
カメラの画素ベクトルマップは、カメラの設計仕様の解析によって、又は機械的較正プロセスを通して生成することが可能である。較正は、カメラ内の各画素を3D空間内の別個の既知の2点と照合することによって実施できる。各画素ベクトルVpが直線であることと、2点が直線を描くこととから、この手順をカメラの画素ベクトルマップを決定するために用いることができる。
カメラが可変焦点レンズを用いる場合、複数の画素ベクトルマップが定義されるか、又は、異なる焦点設定に対する補正又は内挿手段と共に単一の画素ベクトルマップが定義される。
ディジタル3D/360度カメラシステム10において、ディジタル3D/360度カメラシステム10全体の画素ベクトルマップには、個々のディジタルカメラ30各々の、他のカメラの各々に対する位置を定義する情報と共に、個々のディジタルカメラ30各々の画素ベクトルマップが含まれる。これを達成するための簡単な方法は、ディジタル3D/360度カメラシステム10のXYZ座標系及び原点を定義し、各カメラの画素ベクトルマップを描くときにこの座標系を用いることである。ディジタル3D/360度カメラシステム10の基準点はシステム基準点と称され、カメラアセンブリの物理的中心、システムの前部、単一のディジタルカメラの基準点、又は3D空間内の他の任意の点とすることができる。
ディジタル3D/360度カメラシステム10の内部寸法とディジタルカメラ30の正確な形状とを知ることにより、2つ以上のディジタルカメラ30の視野内のオブジェクトの寸法と距離を決定することができる。内部寸法とカメラの形状を知る際の正確さが、ディジタル3D/360度カメラシステム10に可能となる測定及びモデル作成の精度を決定する。
図12にさらに明確に示すように、画素ベクトルVは、旗竿の頂点を捕捉するカメラ30aの画素ベクトルであり、一方画素ベクトルWは、カメラ30bにおいて旗竿の頂点を捕捉する。旗竿の頂点は点Cで表される。各画素ベクトルは方向ベクトルであり、カメラの基準点から旗竿の頂点の点Cまでの方向を表すが距離は表さない。距離ベクトル「a*V」(「a」はスカラ量)は、カメラ30aの基準点である点Aから始まり点Cで終る直線を定義する。同様に、距離ベクトル「b*W」(「b」はスカラ量)は、カメラ30bの点Bから点Cまでの直線を定義する。
(1)C=A+aV=B+bW
ここで、a及びbはスカラ量である。式(1)を書き直すと次式となる。
(2)aV=U+bW
WとVとについてクロス乗積をそれぞれ取ると次式となる。
(3)a(V×W)=(U×W)及び
(4)b(W×V)=−(U×V)
これらにより係数a及びbが1つだけ決定する。これらは次式の点乗積を用いて決定することができる。
(5)a=((U×W)・(V×W))/((V×W)・(V×W))及び
(6)b=((U×V)・(V×W))/((V×W)・(V×W))
式(1)に戻り、Cを求める。
(7)C=A+((U×W)・(V×W))/((V×W)・(V×W))V
ディジタル3D/360度カメラシステム10の画素ベクトルマップは、システム内のディジタルカメラ30の各々の形状を記述するデータを収集したものである。画素ベクトルマップのデータは、ディジタル3D/360度カメラシステム10に関する追加データ及びこのシステムについて記述するデータと共に、大容量記憶装置44上で画素ベクトルマップファイル内に記憶される。実際には、ディジタル3D/360度カメラシステム10について記述する追加データは、ディジタル3D/360度カメラシステム10自体を記述するシリアル番号、名称、モデルの種類、又はその他の情報を含むことができ、またこれらと共に、ディジタル3D/360度カメラシステム10内の各ディジタルカメラ30を記述するシリアル番号、種類、レンズの種類、及びその他の情報を含むことができる。
理想的には、ディジタルカメラ30の各々にディジタル制御信号を同時に出すのにディジタル制御ラインを用いる。代わりに、指令及びデータインタフェースを用いてディジタルカメラ30の各々に個別に「開始」指令を送信してもよい。各カメラが個別に指令された場合、経験的に、これらのカメラの全てに対し露出時間の1/2以内に指令することが望ましい。例えば、露出時間として1msを用いる場合、カメラの全てが0.5ms以内に「開始」指令されるようにするとよい。
静止画像は個別に、又はまとめて記録される。画像順序は、3次元のアニメーションに、又は場合によっては3次元映画に用いることができる。加えて、さらに大きなシーン又は領域について、さらに多くの総合的3次元画像データを収集するために、多数のディジタル3D/360度カメラシステムを離れた別個の場所において互いに協働させて用いることができる。
本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内の全ての実施形態を包含するものであることを理解されたい。
Claims (19)
- 正多角形の断面を有する筐体、
前記筐体上に設置される複数のディジタルカメラであって、前記正多角形の各辺の両端に一対のディジタルカメラが双眼対を形成するように設置され、各対の各カメラは立体的視野を形成するために少なくとも他の対のディジタルカメラの視野と重複した視野を有し、該カメラの各対の立体的視野が所望の画像解像度に基づいて変更される複数のディジタルカメラ、並びに
処理装置、メモリ、記憶装置、クロック、通信インタフェース、及び前記ディジタルカメラの各々と通信状態にあるカメラインタフェースを有する制御装置を備え、
各ディジタルカメラの基準点から対象物に向く方向ベクトルに対応する複数の画素ベクトルを用いて、当該対象物の位置を決定するディジタル3D/360度カメラシステム。 - 前記制御装置が更に、ディジタル3D/360度カメラシステムの位置を決定する計測器を備える、請求項1に記載のディジタル3D/360度カメラシステム。
- ディジタル3D/360度カメラシステムの位置を決定するための前記計測器が、全地球位置把握システム(GPS)受信機を備える、請求項2に記載のディジタル3D/360度カメラシステム。
- 前記制御装置が更に、ディジタル3D/360度カメラシステムの方向を決定する計測器を備える、請求項1に記載のディジタル3D/360度カメラシステム。
- ディジタル3D/360度カメラシステムの方向を決定するための前記計測器が、ディジタル磁気コンパスを備える、請求項4に記載のディジタル3D/360度カメラシステム。
- 前記制御装置が、前記筐体内に設置される、請求項1に記載のディジタル3D/360度カメラシステム。
- 前記記憶装置内に記憶され、前記処理装置の指示の下に前記メモリ内で実行されるコンピュータプログラムコードであって、前記ディジタルカメラを制御する手段として機能させるためのコンピュータプログラムコード;
を更に備える、請求項1に記載のディジタル3D/360度カメラシステム。 - 前記ディジタルカメラを制御する手段が、
前記記憶装置内に画素ベクトルマップファイルを記憶する手段、
前記記憶装置から前記画素ベクトルマップファイルを検索して取り出す手段、及び
前記画素ベクトルマップファイルを外部装置にエクスポートするために前記通信インタフェースを用いる手段
を備える、請求項7に記載のディジタル3D/360度カメラシステム。 - 前記ディジタルカメラを制御する手段が、更に、前記画素ベクトルマップファイルを生成する手段を備える、請求項8に記載のディジタル3D/360度カメラシステム。
- 前記ディジタルカメラを制御する手段が、更に、前記画素ベクトルマップファイルを外部ソースからダウンロードする手段を備える、請求項8に記載のディジタル3D/360度カメラシステム。
- 前記ディジタルカメラを制御する手段が、
前記ディジタルカメラに対して画像の捕捉を指令する手段、及び
前記ディジタルカメラからの画像データを読み取り、前記画像データを前記記憶装置に記憶する手段
を備える、請求項7に記載のディジタル3D/360度カメラシステム。 - 前記ディジタルカメラを制御する手段が、更に、前記ディジタルカメラに対して露出パラメータの設定を指令する手段を備える、請求項11に記載のディジタル3D/360度カメラシステム。
- 前記ディジタルカメラを制御する手段が、更に、前記通信インタフェース上に前記画像データをエクスポートする手段を備える、請求項11に記載のディジタル3D/360度カメラシステム。
- 前記複数のディジタルカメラが、4つの双眼対をなすように配置された、各々が360度パノラマシーンの四分区分のうちの異なる一区分を見るような8つのディジタルカメラを備える、請求項1に記載のディジタル3D/360度カメラシステム。
- 前記複数のディジタルカメラが、更に2つの追加的双眼対をなして配置される4つの追加的ディジタルカメラを含み、追加された双眼対のうちの一方が360度パノラマシーンにより定義される平面に対して上向きの視野を有し、追加された双眼対のうちの他方が360度パノラマシーンにより定義される平面に対して下向きの視野を有する、請求項14に記載のディジタル3D/360度カメラシステム。
- 前記複数のディジタルカメラが、8つの双眼対をなすように配置された、各々が360度パノラマシーンの八分区分のうちの異なる一区分を見るような16のディジタルカメラを備える、請求項1に記載のディジタル3D/360度カメラシステム。
- 前記複数のディジタルカメラが円形に配置される、請求項1に記載のディジタル3D/360度カメラシステム。
- 前記複数のディジタルカメラが球形に配置される、請求項1に記載のディジタル3D/360度カメラシステム。
- ディジタル3D/360度カメラシステムを用いた3次元画像モデルの生成方法であって、
複数のディジタルカメラのディジタル画像データに捕捉された対象物を有するディジタル画像データを捕捉するためにディジタル3D/360度カメラシステムを用いるステップであって、該複数のディジタルカメラは、正多角形の断面を有する筐体の各辺の両端に一対のディジタルカメラが双眼対を形成するように、前記筐体に設置されており、各対の各カメラは立体的視野を形成するために少なくとも他の対のディジタルカメラの視野と重複した視野を有し、該カメラの各対の立体的視野が所望の画像解像度に基づいて変更されるステップ、
前記対のディジタルカメラの各々について、各ディジタルカメラの基準点から対象物に向く方向ベクトルに対応する複数の画素ベクトルを用いて、当該対象物の位置を決定するステップ、を含む方法。
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