JPH06295333A - 全方位視覚系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 全方位の画像の同時撮影が可能な全方位視覚
系を提供することにある。 【構成】 ２葉双曲面のうちの一方の双曲面状の形状を
有する反射ミラーと、２葉双曲面のうちの他方の双曲面
状の形状を有し中心が他方の双曲面の焦点に配置された
レンズとを備えた画像入力装置を含むことを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は全方位視覚系に係り、詳
細には広い範囲の視覚情報を同時に入力し得る、特に、
監視装置や自律移動ロボット等に用いて好適な双曲面ミ
ラーを用いた全方位視覚系であって、該視覚系を用いて
移動中に撮像した画像から移動ステレオ視の原理により
環境構造物までの距離を計測し得る全方位視覚系に係
る。

【０００２】

【従来の技術】広い範囲の視覚情報を同時に入力し得る
入力装置の研究が盛んに行われている。特に、監視装置
や移動ロボットに応用する研究が盛んである。ここでロ
ボットに応用する画像入力装置を例に従来の技術を説明
する。

【０００３】実際の環境内において、ロボットを誘導す
るためには、ロボットが移動環境下で現在どのような環
境下であるかを理解し、適切な判断を行う必要がある。
そのためには、ロボットにセンサを搭載しこのセンサ情
報を利用して自律移動する必要がある。センサとしては
超音波、レーザー、カメラなどがあるが、中でも視覚セ
ンサはロボットの周辺の状況を知る上で有効なセンサで
ある（人は８０％以上の情報を視覚（眼）から獲得する
といわれている）。

【０００４】従来の移動ロボットに関する研究では、一
般のカメラで直接とった中心射影の画像を利用してい
た。しかし、この方法では視野領域が前方中心となり、
側方及び後方の情報を知ることができなかった。

【０００５】このようなロボットなどが人工環境の中を
移動する場合、必ずしも移動物体は前方より接近してく
るとは限らない。側方、後方からの移動物体の接近によ
る危険が生じ得る。事実、人が自動車を運転する場合
も、発進や右左折の場合にルームミラーないしドアミラ
ーで後方の確認行っている。よって、移動ロボットにお
いても移動しながら全方位の情報を獲得することが望ま
しい。

【０００６】このような目的で全方位の視覚情報を同時
に獲得する方法として従来以下に示す方法が提案されて
いる。

【０００７】（１）カメラを回す方法：カメラを鉛直軸
廻りに回転させる方法で全方位の中心射影の鮮明な画像
が得られる。

【０００８】（２）魚眼レンズを用いる方法：魚眼レン
ズをつけたカメラを上に向けて使う方法で一度に全方位
の画像をとることができる。

【０００９】（３）球面ミラーを用いる方法：半球面の
ミラーとカメラとから構成されミラーに写った環境をカ
メラでとる方法である。

【００１０】（４）円錐ミラーを用いる方法：円錐面の
ミラーとカメラとから構成され、側方中心の情報が得ら
れ衝突回避等には有効なセンサである。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の各従来
技術には次の問題点がある。

【００１２】（１）カメラを回す方法：カメラを回すた
めに全方位の画像をとるのに時間がかかり、衝突回避な
ど実時間で判断する必要のある問題に対しては適切では
ない。

【００１３】（２）魚眼レンズを用いる方法：出力画像
はロボットの移動に必ずしも必要でない天井などの画像
を多く含み、ロボットに必要な側方の情報が十分観測で
きない。

【００１４】（３）球面ミラーを用いる方法：この方法
は上記魚眼レンズを上下反転した場合の視野領域と類似
し、天井などの代わりにカメラ自身の像や床面を画像に
多く含み側方の解像度が低いという欠点がある。

【００１５】（４）円錐ミラーを用いる方法：足元の情
報を得るために工夫が必要とされる。

【００１６】さらに、ここであげたカメラを回す方法以
外の全方位視覚系は、光学系の特性から画像を一般のカ
メラで直接とった画像に変換できないため、独自の視覚
情報の処理方法が必要とされる。

【００１７】例えば、従来の画像処理システムを用いた
場合、垂直方向の直線は画面では放射状になるため比較
的見つけやすいが、水平方向の直線は同心円状となるた
め容易には発見できないという問題がある。また、これ
らの直線を正しく認識し、通常の画面に変換することが
容易でないことも明かである。

【００１８】本発明の目的は、全方位の画像の同時撮影
が可能な全方位視覚系を提供することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は、２葉双曲面の
うちの一方の双曲面状の形状を有する反射ミラーと、２
葉双曲面のうちの他方の双曲面状の形状を有し中心が他
方の双曲面の焦点に配置されたレンズとを備えた画像入
力装置を含むことを特徴とする。

【００２０】

【作用】画像入力装置が２葉双曲面のうちの一方の双曲
面状の形状を有する反射ミラーと、２葉双曲面のうちの
他方の双曲面状の形状を有し中心が他方の双曲面の焦点
に配置されたレンズとを備えているため、換言すれば双
曲面ミラーを用い、その焦点から像を撮影できるので光
学系で複雑な変換を受けていない歪の少ない画像を一度
に得ることができる。この結果、撮影した画像を一般の
カメラで直接とった画像に簡単に変換し得るとともに一
般のカメラ出力画像と同じく従来の画像処理技術を利用
し得る。

【００２１】

【実施例】２葉双曲面投影による全方位視覚系と、セン
サが移動中に撮像した画像から移動ステレオ視の原理に
より環境構造物までの距離を計測する方法、さらにはこ
の方法を用いたシミュレーション結果について説明す
る。

【００２２】本視覚系の特徴は双曲面ミラーを用いるこ
とである。２葉双曲面投影の基本的な性質を以下に述べ
る。

【００２３】図１は本発明の全方位視覚系の実施例を説
明する図、図２は２葉双曲面を説明する図である。最初
に２葉双曲面について説明する。

【００２４】図２において、１、２は双曲面、Ｏは座標
原点、Ｏ_M1は双曲面１の焦点、Ｏ_C1は双曲面２の焦点、
Ｃ₁ は座標原点からの各焦点までの距離、Ｘ、Ｙ、Ｚは
各座標軸を示す。

【００２５】２葉双曲面の式は次の通りである。

【００２６】 （Ｘ² ＋Ｙ² ）／ａ² −Ｚ² ／ｂ² ＝−１ (2.1) ただしａは虚軸（共役軸）の半分、ｂは実軸（主軸）の
半分である。

【００２７】２葉双曲面はＸ² ／ａ² −Ｚ² ／ｂ² ＝−
１で表される双曲面の回りに回転して得られる（この双
曲線Ｘ軸の回りに回転すると１葉双曲面になる）。従っ
て、その形状には以下に示す特徴がある。

【００２８】即ち、Ｚ軸に平行な平面による２通りの双
曲面の切り口は双曲線となり、ＸＹ平面に平行な平面に
よる切り口は円であり、ＸＹ平面で対称な２つの曲面を
有している。

【００２９】本実施例では２葉のうちＺ＞０の領域にあ
る双曲面をミラーとして利用している。

【００３０】このような反射ミラーを用いた視覚系の構
成について述べる。

【００３１】図１において、鉛直下向きに設置した２葉
双曲面のうちの一方の双曲面ミラー３とその下に鉛直上
向きに設置したカメラから構成されている。カメラの光
軸をＺ軸（鉛直方向）とするカメラとミラーに固定した
Ｏ−ＸＹＺ３次元座標系を考える。３は双曲面状の形状
を有するミラー、Ｏ_M はミラー３の焦点、Ｏ_c は双曲面
状の形状を有するカメラレンズの中心、ｘｙは画像平面
を表す。座標原点Ｏはミラーの焦点Ｏ_M とカメラレンズ
の中心Ｏ_C との中心、ｃは原点Ｏから中心Ｏ_cまたは焦
点Ｏ_M までの距離である。画像平面ｘｙはＸＹ平面に平
行でレンズ中心Ｏ_c からｆだけ離れたＺ軸上の点を通る
面とする。

【００３２】図３は視覚系の鉛直断面を説明する図であ
る。図３において、４はミラー３の双曲面の漸近線、５
は画像平面である。

【００３３】図３に示すようにミラー３の双曲面とその
焦点Ｏ_M 、カメラのレンズ中心Ｏ_cは次式で示される。

【００３４】 ミラー （Ｘ² ＋Ｙ² ）／ａ² −Ｚ² ／ｂ² ＝−１ ミラーの焦点Ｏ_M （０，０，＋ｃ） (2.2) カメラのレンズの中心Ｏ_c （０，０，−ｃ） ただしａは虚軸（共役軸）の半分、ｂは実軸（主軸）の
半分、ｃは次式で表される。

【００３５】

【数１】

【００３６】図４は点の射影水平方向を説明する図であ
る。

【００３７】このような視覚系は次のように動作する。
すなわち図４に示すように距離計測を行う任意の点Ｐ
（Ｘ_P ，Ｙ_P ，Ｚ_P ）に対する画像平面上の写像点をｐ
（ｘ_p，ｙ_p ）とすると、次式が成立する。

【００３８】 ｔａｎθ＝Ｙ_P ／Ｘ_P ＝ｙ_p ／ｘ_p (2.3) すなわち、Ｙ_P ／Ｘ_P で定まる対象物体の方位角θやｙ
_p ／ｘ_p で定まる画像平面内の像ｐの方位角θを算出す
ることで得られる。このように３６０度パノラマ状の領
域を双曲面ミラーを介して、撮像面上に投影する本方式
では対象物体の方位角θが、その物体の画像平面上の投
影の方位として直接現れる。

【００３９】図５は点の射影鉛直方向を説明する図であ
る。

【００４０】図５に示すように点Ｐと双曲面ミラー軸Ｚ
を含む鉛直面を想定すると、点Ｐと写像点ｐとの間に次
式が成り立つ。

【００４１】

【数２】

【００４２】ただしａ、ｂ、ｃは双曲面に固有の定数
（式2.2 参照）でありｆはカメラの焦点距離である。

【００４３】即ち、物体の位置（Ｘ_P Ｙ_P ）がわかれ
ば、その物体の高さＺ_P は天頂角βから求められる。次
に数２の式の算出の詳細を説明する。

【００４４】図６は視覚系の鉛直方向を説明する図であ
る。

【００４５】図６のようにｐ，ｑを設定するとｐ，ｑお
よび線分Ｏ_M Ｏ_c バーからなる三角形から正弦定理によ
り p/sin（π／２＋α）＝ q/sin（π／２−β）＝2c/sin（−α＋β） (2.4) の関係が成立する。

【００４６】式2.4 を簡単にすると次式が得られる。

【００４７】 p/cos α＝q/cos β＝2c/sin（−α＋β） (2.5) また双曲線の性質より ｐ−ｑ＝２ｂ (2.6) が得られるため式2.5 、2.6 からｐ、ｑを消去すると ［｛2c cosβ/sin（−α＋β）｝＋2b］/cosα＝2c/sin（−α＋β） (2.7) が得られ、式2.7 をまとめると、 bsin（−α＋β）＝ｃ（ cosα− cosβ） (2.8) となる。加法定理により式2.8 は、 ｂ（ cosα sinβ− sinα cosβ）＝ｃ（ cosα− cosβ） (2.9) となりα、βをｙ＝ tanα、ｘ＝ tanβとすると式2.9
が次式に置き換えることができる。

【００４８】

【数３】

【００４９】これを簡単にすると

【００５０】

【数４】

【００５１】となりこれをｙについて解くと次式の関係
が得られる。

【００５２】

【数５】

【００５３】上式の両辺を自乗してｙについて整理する
と、

【００５４】

【数６】

【００５５】となり、この二次方程式を解くと、

【００５６】

【数７】

【００５７】となる。ｙ＝−ｘは明らかに求めているも
のとは異なる。よって、もう一方の解を使用しｙ＝ tan
α、ｘ＝ tanβを代入すると、 tanα＝{(ｂ² ＋ｃ² ) sinβ−2bc}／{(ｂ² −ｃ² ) cosβ} (3.0) 同様にｘについて解き、ｙ＝ tanα、ｘ＝tan βを代入
すると、 tanβ＝{(ｂ² ＋ｃ² ) sinα−2bc}／{(ｂ² −ｃ² ) cosα} (3.1) となる。

【００５８】図７は直線の射影を説明する図である。同
図において距離計測を行う任意の直線Ｇを次の２平面の
交線として表す。

【００５９】

【数８】

【００６０】数８の式はミラーの焦点Ｏ_M （０，０，
ｃ）と直線Ｇを通る平面式Ｓ₁ と直線Ｇを含み前記平面
Ｓ₁ と交差する任意の平面式Ｓ₂ である。この直線Ｇの
画像面上への射影曲線は、極座標系（ｒ，θ）で表すと
次式になる。

【００６１】

【数９】

【００６２】すなわち、任意の直線Ｇの画像面上への射
影像は、ミラーの焦点Ｏ_M を通る平面Ｓ₁ の関係のみに
より同一式で表現される。数９の式の算出の詳細につい
て下記に記載する。

【００６３】直線を画像面上に射影した式は次のように
算出される。

【００６４】（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を（ｈ，θ，α）で表すと
（ｈはＯ_M から（Ｘ，Ｙ，Ｚ）までの距離）、

【００６５】

【数１０】

【００６６】これを数８の式の前者に代入すると ｌ₁ cosα cosθ＋ｍ₁ cos α sinθ＋ｎ₁ sin α＝０ (3.2) この式を変形すると、 tanα＝（−ｌ₁ cos θ−ｍ₁ sin θ）／ｎ₁ (3.3) 数２の式を代入すると （−ｌ₁ cosθ−ｍ₁ sin θ）／ｎ₁ ＝｛（ｂ² ＋ｃ² ）sin β−2bc ｝／ （ｂ² −ｃ² ） cosβ (3.4) となり、

【００６７】

【数１１】

【００６８】を代入すると数９の式が得られる。

【００６９】次に上述のセンサを搭載したロボットが移
動中に撮像した時系列画像から移動ステレオの原理によ
り環境内構造物までの位置情報を求める方法について述
べる。

【００７０】まず静止環境での位置情報の獲得について
述べる。図８は点の距離計測を説明する図である。同図
に基づいて点の獲得情報を説明する。

【００７１】図８に示すように移動しているときの任意
の時刻ｔ₁ 、ｔ₂ における数２の式のパラメータを夫々
添字１，２で区別する。この時、時刻ｔ₁ から見た時刻
ｔ₂でのミラーの焦点Ｏ_M の位置を（Ｖ_X ，Ｖ_Y ，
Ｖ_Z ）とすると，時刻ｔ₁ からみた対象点Ｐ（Ｘ_P ，Ｙ
_P ，Ｚ_P ）の位置は、（θ₁ 、α₁ ）、（θ₂ 、α₂ ）
を観測することで次の方程式を解くことにより求まる。

【００７２】 Ｘ_P ／（ cosα₁ cos θ₁ ）＝Ｙ_P ／（ cosα₁ sin θ₁ ）＝Ｚ_P ／ sinα₁ （Ｘ_P −Ｖ_X ）／（ cosα₂ cosθ₂ ）＝（Ｙ_P −Ｖ_Y ）／ （ cosα₂ cosθ₂ ）＝（Ｚ_P −Ｖ_Z ）／ sinα₂ (3.2) それぞれの式は各時刻でのミラーの焦点Ｏ_M と対象点Ｐ
とを結ぶ直線を示す。式3.2 は次式がなりたたなければ
解を持たない。

【００７３】 (cosα₁ sinθ₁ sinα₂ − cosα₂ sinθ₂ sinα₁ )Ｖ_X ＋ (sinα₁ cosα₂ cosθ₂ − sinα₂ cosα₁ cosθ₁ )Ｖ_Y ＋ (cosα₁ cosθ₁ cosα₂ sinθ₂ − cosα₂ cosθ₂ cosα₁ sinθ₁ ) Ｖ_Z ＝０ (3.3) 図９は直線の距離計測を説明する図である。

【００７４】図９に示すように移動しているときの任意
の時刻ｔ₁ 、ｔ₂ における数の式のパラメータを夫々添
字１，２で区別する。また、時刻ｔ₁ からみた時刻ｔ₂
でのミラー焦点Ｏ_M の位置を（Ｖ_X ，Ｖ_Y ，Ｖ_Z ）とす
る。時刻ｔ₁ におけるミラーの焦点Ｏ_M と対象直線上の
任意の一点を結ぶ直線は、時刻ｔ₁ でのセンサに写った
対象直線の像から求めることができる。この直線の次式
で表す。

【００７５】 Ｘ／(cosα₁₁ cosθ₁₁ )＝Ｙ／(cosα₁₁ sinθ₁₁ )＝Ｚ／ sinα₁₁ (3.4) また、Ｏと対象直線上の別の任意の１点を結ぶ直線を次
式で表す。

【００７６】 Ｘ／(cosα₁₂ cosθ₁₂ )＝Ｙ／(cosα₁₂ sinθ₁₂ )＝Ｚ／ sinα₁₂ (3.5) 式3.4 と3.5 の二つの直線を含む平面上に対象直線は存
在する。従って式3.4と3.5 の二つの直線を含む平面
は、次式で表される。

【００７７】

【数１２】

【００７８】但し、×はベクトルの外積を示す。

【００７９】同様に時刻ｔ₂ についても同じことを行
う。まず対象直線上の任意の２点と（Ｖ_X ，Ｖ_Y ，
Ｖ_Z ）を結ぶ直線は次式で示される。

【００８０】 (X-V_X )/(cosα₂₁ cosθ₂₁)=(X-V_Y )/(cosα₂₁ sinθ₂₁)=(Z-V_Z )sinα₂₁ (3.6) (X-V_X )/(cosα₂₂ cosθ₂₂)=(X-V_Y )/(cosα₂₂ sinθ₂₂)=(Z-V_Z )sinα₂₂ (3.7) 式3.6 と3.7 の２つの直線を含む平面は、次式で示され
る。

【００８１】

【数１３】

【００８２】よって、対象直線は２平面として数１２、
数１３の式から算出できる。但し、数１２、数１３の式
において両平面の法線ベクトルの外積がＯバーとなる
［Ｎ₁バー×Ｎ₂ バー＝０］の場合は、２平面は平行面
となり交線は存在しない。対象直線が求まる条件は、対
象直線とセンサの移動方向が捻れの位置にある場合であ
る。

【００８３】ここでベクトルの外積について説明する。

【００８４】ベクトルＡバー、Ｂバーが直交座標系にお
いて、

【００８５】

【数１４】

【００８６】で与えられているときベクトルの外積は次
式で計算することができる。

【００８７】

【数１５】

【００８８】ベクトルＡバー、Ｂバーの外積としてはつ
ぎのようなベクトルＣバーをいう。即ち、その大きさは
Ａバー、Ｂバーを２辺とする平行四辺形の面積に等し
く、その方向はＡバー、Ｂバーに垂直でＡバー、Ｂバ
ー、Ｃバーが右手系となるような向きを有している。

【００８９】また、直線と平面の交点を求めることによ
り、各時刻で選んだ対象直線上の点は求めることができ
る。直線と平面を次のように定義すると、

【００９０】

【数１６】

【００９１】となり交点は次式で表される。

【００９２】

【数１７】

【００９３】以上の構成を有用性を検証するためシミュ
レーションを行った。図１０はシミュレーションに使用
した仮想環境を説明する図である。

【００９４】図１０において、１０はセンサ、１１は四
角錐、１２は直方体を示す。環境としては室内を想定し
環境内にはワイヤーフレーム状のセンサ１０、四角錐１
１、直方体１２が存在する。

【００９５】四角錐１１の大きさは底面が４５×４５ｃ
ｍ、高さが６０ｃｍ、直方体１２の大きさは底面が５６
×２５ｃｍ、高さが３８ｃｍである。またセンサ１０の
設定は次の通りである。

【００９６】２葉双曲面ミラーの固有の係数：（ａ，
ｂ，ｃ）＝（８，６，１０） カメラレンズの画角：６５度 画像面のサイズ：５００×５００（ｐｉｘｅｌ） これらの設定により画像上の半径２５０ｐｉｘｅｌの円
内にミラーの焦点Ｏ_Mを含む水平面より仰角１５度から
下方の全方位画像が得られる。

【００９７】以上の設定のもとでセンサは空間内を高さ
４０ｃｍで水平に１６３．２５ｃｍ直進する。ただし、
センサの位置情報は正確に得られるものとする。

【００９８】図１１は図１０のセンサ１０の位置にセン
サが位置する場合の画像上への射影像の結果を示す図で
ある。図１１の上方が進行方向であり図１１の円はミラ
ーの焦点から見て水平な線である。

【００９９】次に移動ステレオによる計測結果について
説明する。

【０１００】図１２から図１４は環境とセンサの移動し
た経路と結果を示す図である。図１２から図１４におい
て正しい環境を点線、計測した環境を実線、センサの奇
跡を鎖線で示す。図１２は移動距離が１６．３２ｃｍ、
図１３は移動距離が８１．６２ｃｍ、図１４は移動距離
が１６３．２４ｃｍである。

【０１０１】位置計測方法は直線の情報獲得で述べた直
線を計算する方法を使用した。直線上の任意の２点には
エッジの端点を使い、端点の座標を計算した。また、画
像面への射影した座標を整数化することで量子化誤差と
して与えた。

【０１０２】図１５はセンサの移動距離と計算誤差とを
説明する図である。

【０１０３】図１５において、誤差は正しい端点と計算
により算出される端点の距離の相乗平均で求めた。誤差
は移動距離が１６．３２ｃｍでは４７．００ｃｍであっ
たが８１．６２ｃｍで１．９７ｃｍ、１６３．２４ｃｍ
で１．５２ｃｍと移動距離が長くなるにつれて減少し
た。

【０１０４】以上の結果により移動ステレオ法がこの視
覚系でも有効であり、多の従来の計測法でも同様に利用
できる。

【０１０５】この実施例では本実施例をロボットに応用
する場合について述べてきたが、この視覚系の応用範囲
はロボットに限らない。広い範囲を同時入力できる画像
入力装置として各種の監視装置などに用いて好適であ
る。また２眼を設置すればこれまで述べてきた移動ステ
レオと同様の原理で距離測定にも用いることができる。

【０１０６】以上は移動ロボット用視覚センサとして２
葉双曲面投影を用いた全方位視覚系の実施例、および該
実施例を用いて環境構造物までの距離を計測する方法に
関して説明してきた。本実施例で述べている２葉双曲面
は双曲線の回転体であるため、「双曲線上における接線
および法線は、それぞれ焦点半径（焦点と接線とを結ぶ
動径）のなす内角および外角を２等分する」という性格
をもつ。即ち、双曲線とは与えられた２つの定点Ｆ
₁ （０，ｃ）、Ｆ₂ （０，−ｃ）（焦点）までの距離の
差が一定（＝２ｂ＜２ｃ）であるような全ての点の集合
（軌跡）をいう。

【０１０７】図１６は双曲線の要素を説明する図であ
る。図１６において、ＡＢ（２ｂ）は実軸、Ａ，Ｂは頂
点、Ｏは中心、焦点Ｆ₁ およびＦ₂ は実軸上の中心から
ｃの距離

【０１０８】

【数１８】

【０１０９】にあり、虚軸ＣＤ（２ｂ）は

【０１１０】

【数１９】

【０１１１】である。双曲線の方程式の標準形としては
双曲線の実軸が一致するとき ｙ² ／ｂ² −ｘ² ／ａ² ＝１ (3.8) が成立する。双曲線上の点Ｍ（ｘ₀ ，ｙ₀ ）における接
線の方程式は ｙｙ₀ ／ｂ² −ｘｘ₀ ／ａ² ＝１ (3.9) で表され双曲線上における接線および法線は、それぞれ
焦点半径（焦点と接点とを結ぶ動径）のなす内角および
外角を二等分する。さらに双曲線の分岐が原点から遠ざ
かるに従い限りなく近ずいていく直線、即ち、漸近線の
方程式は ｙ＝±ａｘ／ｂ (3.10) にて表される。

【０１１２】従って、図５に示すようにカメラのレンズ
中心Ｏ_c を一方の双曲面の焦点位置にすることで点Ｐの
位置にかかわらず、点Ｐと双曲面ミラーでの反射位置と
を結ぶ光路の延長線は、ミラー焦点Ｏを通過する。

【０１１３】すなわち、数２の式のαとβの関係を用い
ればカメラで撮像した画像は、ミラーの焦点Ｏから見た
画像に変換できる。これは、焦点Ｏにレンズ中心をもつ
カメラを鉛直軸まわりに回転させることで得られる全方
位画像と等しく、本実施例では一般のカメラと同じく従
来よりの画像処理技術を利用できる利点を有する。

【０１１４】他の全方位視覚系の内、視覚系の類似する
球面および円錐投影を用いる場合と、２葉双曲面投影を
基いる場合との相違について述べると次の通りである。

【０１１５】図１７は球面投影法を用いた場合の視野領
域および光路、図１８は円錐投影法を用いた場合の視野
領域および光路、図１９は２葉双曲面投影法を用いた場
合の視野領域および光路を示す。

【０１１６】図１７の投影図法を用いた場合、球面ミラ
ーの上部をのぞく全視野が視野領域２１となり、足元か
ら側方まで観測できる。しかし、画像の中心部にはカメ
ラ自身の像が写り視野領域として利用できず、さらに側
方の情報は解像度が低い欠点をもつ。

【０１１７】図１８の円錐投影法を用いた場合、側方を
中心とした視野領域２２となるため側方の密な情報が得
やすい。その反面足元の情報を得るためには光学系に工
夫が必要である。

【０１１８】図１９においては２０は焦点、２３は視野
領域を示す。２葉双曲面を用いた場合、カメラ自身も写
るが漸近面（円錐上）により側方の視野領域２３は制限
され、球面投影を用いたときより密な情報が得られる。

【０１１９】次に射影像の関係について比較する。球面
投影や円錐投影を用いた場合、ミラー面の曲率のためミ
ラーに焦点をもたない。そのため、線分などの場合、射
影関係が複雑となり従来の方法を利用できない場合があ
る。

【０１２０】２葉双曲面投影を用いた場合、カメラで撮
像した画像は、ミラーの焦点Ｏから見た画像に数２の式
α、βの関係式を用いれば変換でき、一般のカメラと同
じく従来よりの画像処理技術を利用できる。このことに
より観測対象が点や鉛直線だけではなく、任意の直線の
場合も射影関係が容易に得られる。例えば、ステレオ視
において、画像間の点単位の対応が得られなくても、線
単位の対応がわかれば直線の計測ができ、オクルージョ
ンが発生する場合も線分のうち可視部の距離は計測可能
である。

【０１２１】以上のことから２葉双曲面投影は、従来か
らの画像処理技術が利用でき視野領域もロボットが移動
するためには充分な情報が得られるものである。

【０１２２】このように２葉双曲面投影を用いた本実施
例においては、（１）双曲面ミラーとテレビジョンカメ
ラのシンプルな構成であり、（２）全方位が一度に観測
でき、（３）２葉双曲面投影においては、他の全方位視
覚系にない焦点をもつという特徴があるために独自の画
像認識技術を考慮しなくてもよいという特徴を有する。

【０１２３】さらに、シミュレーション実験によりセン
サが移動中に撮像した２枚の画像から移動ステレオ視の
原理により、環境構造物までの距離を計測した。その結
果、従来の距離計測技術が利用できることが確認され
た。

【０１２４】これらのことは本実施例の固有の効果であ
り、特に監視装置やロボット移動用の視覚系など、一度
に広い範囲の画像を入力する必要がある画像入力装置と
して従来の画像処理システムとともに用いて有効であ
る。

【０１２５】

【発明の効果】画像入力装置が２葉双曲面のうちの一方
の双曲面状の形状を有する反射ミラーと、２葉双曲面の
うちの他方の双曲面状の形状を有し中心が他方の双曲面
の焦点に配置されたレンズとを備えているため、換言す
れば双曲面ミラーを用い、その焦点から像を撮影できる
ので光学系で複雑な変換を受けていない歪の少ない画像
を一度に得ることができる。この結果、撮影した画像を
一般のカメラで直接とった画像に簡単に変換し得るとと
もに一般のカメラ出力画像と同じく従来の画像処理技術
を利用し得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の全方位視覚系の実施例を説明する図で
ある。

【図２】２葉双曲面を説明する図である。

【図３】視覚系の鉛直断面を説明する図である。

【図４】点の射影水平方向を説明する図である。

【図５】点の射影鉛直方向を説明する図である。

【図６】視覚系の鉛直方向を説明する図である。

【図７】直線の射影を説明する図である。

【図８】点の距離計測を説明する図である。

【図９】直線の獲得情報を説明する図である。

【図１０】シミュレーションに使用した仮想環境を説明
する図である。

【図１１】図１０のセンサの位置にセンサが位置する場
合の画像上への射影像の結果を示す図である。

【図１２】環境とセンサの移動した経路と結果の第１例
を示す図である。

【図１３】環境とセンサの移動した経路と結果の第２例
を示す図である。

【図１４】環境とセンサの移動した経路と結果の第３例
を示す図である。

【図１５】センサの移動距離と計算誤差とを説明する図
である。

【図１６】双曲線の要素を説明する図である。

【図１７】球面投影法を用いた場合の視野領域および光
路を示す図である。

【図１８】円錐投影法を用いた場合の視野領域および光
路を示す図である。

【図１９】２葉双曲面投影法を用いた場合の視野領域お
よび光路を示す。

【符号の説明】

１、２ 双曲面 ３ ミラー ５ 画像平面

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２葉双曲面のうちの一方の双曲面状の形
   状を有する反射ミラーと、２葉双曲面のうちの他方の双
   曲面状の形状を有し中心が他方の双曲面の焦点に配置さ
   れたレンズとを備えた画像入力装置を含むことを特徴と
   する全方位視覚系。