JPH03138634A

JPH03138634A - 立体カメラ及び立体映像システム

Info

Publication number: JPH03138634A
Application number: JP1278023A
Authority: JP
Inventors: Taro Iwamoto; 太郎岩本; Yoshio Nakajima; 吉男中島; Hiroshi Yamamoto; 広志山本; Yuko Okada; 祐子岡田; Yukio Sumiya; 住谷　幸男
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-10-25
Filing date: 1989-10-25
Publication date: 1991-06-13
Anticipated expiration: 2012-02-12
Also published as: JP2581601B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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白書せあるいは外寄
せ運動、すなわち両眼輻轢がある。２台のテレビカメラ
を用い、これらの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０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１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１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Ｎ
ｏ、４４４　（１９８８，４，４）の第２０５頁から第
２２３頁まで、及び精密工学会誌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第のカメラヘッド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１、
ｒの大きさと方向を引出線により示している２撮影された２つの像１．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２ｏ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■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（ｘｔ　ｙ
）の撮像面上の位置に、ｍは次の式により表わされる。

（Ｋ−Ｍ）　　　　Ｂ２　　　　（Ｍ＋に＋Ｂ）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、
Ｉｌ！奈者の眼からモニタ画面までの距離をへ両眼の間
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ｆｉＫ、　Ｍは。

ｓ　　　　　　　ｓｙしたかって、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Ｏに近づくことがｂがる。

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
ｔ　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１
８図を用いて次のように表わされる１点Ｐ　（Ｘ、Ｙ）
の撮像面上の位１ｆｋ、ｍは吹の式により表される。

ａ　（ａ”　＋ｂ”　／４）−（ａ−ｙ）　（ａ”　＋
ｂ”　／４）−（ｂ／　２）　（ａｘ−（ａ−ｙ）　（
ｂ／　２）　）ｘ（ａ”＋ｂ”／４）＋（ｂ／２）　（
ａ２−ａｙ−（ｂ／２）ｘ）ａφ−「肩これが映し出されるモニタ画面１９と両眼２ｏ、関係は
前と同じく第１５図で示される。従って。

２１のｂ”／４＋ａｙ＋（ｂ／２）ｘｋＫ＝− ８ｍＭ＝− 同様に第１８図より、２　　（Ｓ（ｍ＋ｋ）＋ＳＢ）すｔ２＋ｂ２／４・・・・・・・・・・・・（９）この発明の目的は上記□課題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。

Ｂ・・・・・・・・・（１０）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る左右方向のずれ
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。

〔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
画面に再生し、該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
る映像のみを観察することによって、視差による立体映
像を見ることのできる立体映像システムにおける立体カ
メラにおいて、前記２台のカメラの撮像面及びレンズの
中心を通る法線が平行に配置され、且つ該２台のレンズ
の光学中心間の距離が該２台の撮像面の中心間の距離よ
り短いことを特徴とするものである。

そして、前記２台の撮像面間隔からレンズ間隔を差引い
た距離と前記観察者の両眼間隔の距離との比、及び該撮
像面からレンズの光学中心までの距離と該ｗｔ察者から
画面までの距離との比が、該撮像面上の像の大きさと該
画面上の像の大きさとの比にほぼ等しい寸法で構成され
たものである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
）の像の位置を示すに、ｍの値は次のように得られる。

ｂ次に、この映像を第６図に示すように合成すると、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
上での映像の位置に、Ｍは次のように表される。

ｋＫ＝Ｍ＝− ここで、ｄｅとなるように各部の寸法をとる。ただし、（ａ＋ｄ）である。この結果、Ｘ、Ｙは次のようになる。

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、５ｅｆ（ａ＋ｄ）ｙ＋ｂｄｓｆ（ａ−ｙ）ｅ（ａ＋ｄ）
ｙ＋ｂｄ（ａ−ｙ）２　　（Ｅ＋　　（Ｋ−Ｍ））＝−Ｘ・・・・・・（１９）ｅｓｆ（ａ＋ｄ）ｙ＋ｂｄｓｆ（ａ−ｙ）Ｅ＋　　（Ｋ
−Ｍ）ｅ（ａ＋ｄ）ｙ＋ｂｄ（ａ　　　ｙ）ゆえに、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
の大きと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りは次式により得ら
れる値に設定しなければならない。

Ｄ電ｆｄ＝　−ｄ・・・・・・（２１）さらに、カメラヘッドの間隔すは次式により得られる値
に設定しなければならない。

ｓｄ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０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２８．２
９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ａ’＝−ｄ’　　　　　　　　　　　　　　・・・・・
・（２４）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、ｄ’＝−ｄｆ′ ・・・・・・（２８）・・・・・・（２９）したがって、（１５）　、　（１６）式において、ａｗ
ｄｔ　ｙをａ’　＊　ｄ’　ｅ　’ｊ’　とおくと。

ｆ＝−Ｘ・・・・・・（３１）＝扛（ｙ＋ｄ（鳥±））ａ　　　　　　　　　ｆ’ ＝患（ｙ　−（ｄ’　−ｄ）　）したがって。

・・・・・・（３２）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の値は変らず、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３７．３
８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４３，４４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
りつけである。

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５１．５２として単玉レンズ
を描いであるが、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
るゆまた、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１
１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１
９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。１ｏ・・・倍速スキャンモニタ、１４・・・対象物、１
５．１６・・・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。

Claims

【特許請求の範囲】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画面に再生し、該画面上の映像の
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することによっ
て、視差による立体映像を見ることのできる立体映像シ
ステムにおける立体カメラにおいて、前記２台のカメラの撮像面及びレンズの中心を通る法線
が平行に配置され、且つ該２台のレンズの光学中心間の
距離が該２台の撮像面の中心間の距離より短いことを特
徴とする立体カメラ。２、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画面に再生し、該画面上の映像の
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することによっ
て、視差による立体映像を見ることのできる立体映像シ
ステムにおける立体カメラにおいて、前記２台のカメラの撮像面及びレンズの中心を通る法線
が平行に配置され、且つ該２台のレンズの光学中心間の
距離が該２台の撮像面の中心間の距離より短いものであ
ると共に、該２台の撮像面間隔からレンズ間隔を差引い
た距離と前記観察者の両眼間隔の距離との比、及び該撮
像面からレンズの光学中心までの距離と該観察者から画
面までの距離との比が、該撮像面上の像の大きさと該画
面上の像の大きさとの比にほぼ等しい寸法で構成された
ものであることを特徴とする立体カメラ。３、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画面に再生し、該画面上の映像の
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することによっ
て、視差による立体映像を見ることのできる立体映像シ
ステムにおける立体カメラにおいて、前記２台のカメラの撮像面及びレンズの中心を通る法線
が平行に配置され、且つ該２台のレンズがカメラ本体に
対して光軸に垂直に互に逆方向に同距離をスライドする
連動手段を有し、該連動手段によって該２台のレンズの
光学中心間の距離が該２台の撮像面の中心間の距離より
短くなるものであることを特徴とする立体カメラ。４、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画面に再生し、該画面上の映像の
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することによっ
て、視差による立体映像を見ることのできる立体映像シ
ステムにおける立体カメラにおいて、前記２台のカメラの撮像面及びレンズの中心を通る法線
が平行に配置され、且つ、該２台のレンズのそれぞれに
取付けられたラック、及び該カメラ本体に取り付けられ
該ラックと噛み合うピニオンにより、該２台のレンズが
該カメラ本体に対して光軸に垂直に互いに逆方向に同距
離をスライドすることによって、該２台のレンズの光学
中心間の距離が該２台の撮像面の中心間の距離より短く
なるものであることを特徴とする立体カメラ。５、請求項１ないし４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。６、請求項１ないし４に記載の立体カメラによって撮影
した映像を再生する画像モニタ。