JP2009088844A - 色分解式ステレオカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】 通常のデジタルカメラ１台を用いてしかも簡易な構造によりぶれのないステレオ画像を容易に得る。
【解決手段】色分解式ステレオカメラ１を、対物レンズ１０、１２付きステレオアダプタ２と、デジタルカメラ３と画像処理装置４で構成する。ステレオアダプタ２はそれぞれ間隔を隔てて配置された対物レンズ１０、１２で取り込んだ同一被写体像から、２枚のカラーフィルタ１４、１６で色違いの画像を取り出しデジタルカメラ３に導く。デジタルカメラ３はその合成画像として撮像する。この合成画像は画像処理装置４のコンピュータで、プログラムによりそれぞれ単色の２枚の画像に分解する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ステレオ撮影が可能な色分解式ステレオカメラ、とくに、同一被写体の２つの色違画像を合成画像から、色分解処理により２つの単色画像を得ることができる色分解式ステレオカメラに関する。

被写体までの距離の測定のための１つの方法として被写体のステレオ画像の被写体のズレから、三角測量の原理を用いて被写体までの距離を測定することが行われている。
このステレオ画像を撮影する一般的な方式としては以下のものがある。
（１）カメラを２台使用するもの。
（２）左右で対となる反射手段を使用して、カメラの撮影素子を半分に分けて撮影するもの。
カメラを２台使用する方式では、全く同じ特性のカメラ２台が必要であり、とくに、２台のカメラの取付（光軸合わせ）を精度よく行う必要がある。また、２台のカメラに外部信号に同期させて映像を取り込む機構も必要である。
例えば、特許文献１に記載されたものでは、左右カメラに夫々治具上に配置された位置決め装置を備え、この治具と平行に配置された白板に設けた参照点と参照水平線を用いて、カメラの光軸と水平角度を調節するようにしている。

左右で対となる反射手段を使用して、カメラの撮影素子を半分に分けて左右別々の撮像素子を使用して撮影する方式としては、例えば、２つの被写体光入射窓を持つステレオアダプタをパラノマ撮影可能なカメラに取り付け、パラノマフォーマットの画面を２分割して右目用、左目用の写真を並べて露光するもの（特許文献２参照）、或いは、カメラの撮影素子を左右（水平方向）半分に分けて撮像を行った場合、左右の視野が狭くなるため、左右二つの撮影レンズの光路を回転ミラーと湾曲（凸面）ミラーを用いて左右方向に圧縮して撮像した後、画像処理で伸張して撮像素子全体を用いて撮像したときと同じアスペクト比にしたステレオアダプタ及びステレオ画像撮像装置（特許文献３参照）が知られている。
ただ、このように撮像素子を左右に分割して使用すると、左右で同じ撮影対象（被写体）を取り込む画素が異なる（物理的に離れた位置にある）ため、レンズの歪みをうち消すように撮像した左右画像を補正する必要があるだけではなく、撮像画像の左右方向の視野が狭くなるため、これを回避しようとすれば、例えば、特許文献３に記載されているような複雑な補正手段が必要になる。また左右の画像は撮像素子の半分で撮像するため、全体画素を用いて撮像する場合に比して、画像が粗くなるという問題もある。

特開平７−２２９７３６号公報 特開平７−７７７４７号公報 特開２００３−１４０２８０号公報

本発明は、ステレオ画像を撮影するための従来の方式の問題を解消するためなされたものであって、その目的は、一旦ステレオアダプタで左右に分けた画像を、デジタルカメラの撮像画素全体で撮像して１枚の画像を形成することで従来の撮像画素を左右に分けた場合の問題を解決し、また、そこから左右画像を容易に分割できるようにすることで、従来のように光学系の補正や撮像画像の補正を必要とすることなく、ぶれや歪みのないステレオ画像を容易に得られるようにすることである。

請求項１の発明は、色分解式ステレオカメラであって、同一被写体像からそれぞれ異なる色画像を取り出して合成画像を形成するステレオアダプタと、前記ステレオアダプタで形成される合成画像を撮像して画像データを形成するデジタルカメラと、前記画像データから前記異なる色画像毎に画像データを分離する画像処理装置と、を有することを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載された色分解式ステレオカメラにおいて、前記ステレオアダプタが同一被写体像をそれぞれ異なる色画像として取り出す手段は二つのカラーフィルタであり、前記ステレオアダプタは、それぞれ前記カラーフィルタで得た異なる色の被写体像を前記デジタルカメラに導く光学手段を備えていることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１に記載された色分解式ステレオカメラにおいて、前記ステレオアダプタが同一被写体像をそれぞれ異なる色画像として取り出す手段は分光器であり、前記ステレオアダプタは、それぞれ前記分光器で得た異なる色の被写体像を前記デジタルカメラに導く光学手段を備えていることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項２又は３に記載された色分解式ステレオカメラにおいて、前記光学手段はプリズム、又はミラー及びハーフミラーを組み合わせて構成された光学手段であることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１ないし４に記載されたいずれかの色分解式ステレオカメラにおいて、分離した二枚の単色画像に基づき被写体までの距離を算出する距離測定手段を有することを特徴とする。

（作用）
本発明によれば、１台の市販のデジタルカメラに対物レンズ付きステレオアダプタを装着するだけで、アダプタの二つの入射面の距離の差に応じた視差を備えた同一被写体の色違い画像の合成画像を得ることができる。この合成画像を画像処理装置（パーソナルコンピュータ）で、互いに異なる色の画像に分離することで、１台のデジタルカメラで被写体の距離測定ができる。

本発明によれば、１台のデジタルカメラでぶれのない視差を持った画像を得ることができるため、従来のように２台のカメラを用いた場合のように、全く同じ特性のカメラを２台を用意する必要がなく、当然のことながら、２台のカメラの取付（光軸合わせ）等の調整作業や２台のカメラの同期機構等を必要としない。
また、左右の撮像画像に歪みが発生することがないから、歪み補正のための装置や画像処理も必要としない。
したがって、本発明によれば、コストだけではなくステレオ画像を得るための設備や処理負担も大幅に軽減できる。

本発明の１実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る色分解式ステレオカメラは、左右に分けた被写体画像をデジタルカメラの撮像面全体で撮像し、つまり一枚の合成画像として出力し、その合成画像から画像処理して左右２枚の画像を形成するものである。
以下、その構成について具体的に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る色分解式ステレオカメラを概略的に示すブロック図である。
即ち、色分解式ステレオカメラ１は、概略的には２枚の対物レンズ１０、１２と、各レンズ１０、１２から入射した入射光を、カラーフィルターを通してデジタルカメラ３に導くステレオアダプタ２と、入射光を撮像センサ（素子）で撮像（光電変換）した後Ａ／Ｄ変換してデジタル画像データを得るデジタルカメラ３と、デジタルカメラ３から入力したデジタル画像データを色分解して、それぞれ単色の画像を形成する画像処理装置４とから成っている。

図２は、色分解式ステレオカメラの撮像部分を模式的に示した図である。
撮像部分は、光の入射側からみて、２枚の対物レンズ１０、１２と、対物レンズ１０、１２の裏面に配置されたカラーフィルタ１４、１６及びカラーフィルタ１４、１６の裏面に配置されたプリズム２０からなるステレオアダプタ２と、プリズム２０の裏面に配置されたデジタルカメラ３とから成っている。
ステレオアダプタ２は適宜の取り付け手段でデジタルカメラに着脱自在に取り付可能であり、そのカラーフィルタ１４、１６は、例えば一方は青色フィルタ、かつ他方は赤色フィルタであり、それぞれ被写体を色分解して単色画像（青画像及び赤画像）を生成する。
プリズム２０は、各カラーフィルタ１４、１６で例えば青及び赤の単色画像に色分解された被写体像をデジタルカメラの撮像光学系に導き、デジタルカメラは上記２色の画像から１枚の合成画像を形成する。

図３は、本実施形態に係るプリズム２０内における入射光の光路を説明するための断面図である。
このプリズム２０は、図示のように、縦断面が撮像素子側の端部（基部）が共通の菱形を二つ組み合わせた形状をなし、基部と反対側の光入射側は２つの入射面２１、２２からなっている。対物レンズ１０及び１２及びカラーフィルタ１４、１６を通して入射した光λ１、λ２は、プリズム２０の第１及び第２の入射面２１、２２から直角に入射し、この入射面２１、２２に対して４５°の角度に配置されたプリズムの両側面のミラー２３で反射し、さらに、その光路と４５°の角度で配置されたハーフミラー２４を透過して、デジタルカメラ３の撮像系Ｄを介して撮像素子（センサ）面上に達し、それぞれのカラーフィルタによる、赤及び青画像の画像光を結像する。

デジタルカメラ３は市販のものであって、例えばＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等の撮像素子（センサ）、サンプルホールド回路、Ａ／Ｄ変換器等を備えており、ステレオアダプタ２による上記赤及び青色の合成画像に基づく撮像素子の出力に基づいて画像データを生成する。また、デジタルカメラ３は、自身が撮影した画像に関する情報を記録する内蔵メモリを有し、双方向パラレルインターフェースやＳＣＳＩインターフェース等の、高速で画像転送可能な汎用インターフェースやＵＳＢ（Universal Series Bus）によって画像処理装置４のコンピュータに接続される。

図４は画像処理装置４の構造を説明するブロック図である。
画像処理装置４は、演算処理を実行し命令を出力する等の機能を備えたＣＰＵ４１と、画像処理のための手順をＣＰＵ４１に実行させるためのプログラム等を格納したＲＯＭ４２と、ＣＰＵの処理動作のために、ＲＯＭ４２から読み出した上記プログラムや、ＣＰＵの処理のために必要なデータ等を一時的に格納しておくＲＡＭ４３からなるコンピュータ４０と、データやコマンド等を入力するための入力部４４と、ＣＰＵの出力を表示するための表示部４５、更に必要に応じて画像データを収納するための記憶手段（図示せず）を備えている。

以上の構成において、各対物レンズ１０及び１２を通った入射光λ１及びλ２は、それぞれカラーフィルタ１４、１６（赤又は青のカラーフィルター）を通してプリズム２０内に入射して後出射し、出射光はデジタルカメラ３の撮像系を通して、その撮像素子上にそれぞれ赤及び青色の単色画像の合成画像を結像する。この赤及び青の単色画像は上記対物レンズ１０及び１２の視差に応じてそれぞれ互いに僅かにずれている。

赤及び青色の合成画像は撮像素子で電気信号に変換されて、Ａ／Ｄ変換した後、内蔵の画像信号処理回路に入りシェーディング補正やγ補正等の処理を行った後、その内蔵メモリに記録される。この内蔵メモリに記録された画像データは、画像処理装置３からの画像データ要求に応じて画像処理装置３に入力される。画像処理装置４に入力された画像データは、そのコンピュータ４０で画像の色分解用のプログラムを実施することによってそれぞれ単色の色画像に分解され、２枚のステレオ画像に形成される。
画像処理装置３のコンピュータ４０はこのようにして得られた赤及び青画像から、例えば被写体までの距離を演算し、図示しない出力装置に出力する。

図５は、撮像画像データの処理画像を具体的に示す図である。
図５Ａは、対物レンズ１０、１２入射した被写体画像を示す。それぞれの画像は左右の対物レンズ１０、１２の光軸の間隔に応じた視差、即ち位置ズレがある。
図５Ｂは、入射画像を赤及び青フィルタ１４及び１６を通した後のそれぞれの単色画像（赤色画像と青色画像）であって、ステレオアダプタ２のプリズム２０の入射面２１、２２に入射した時点における画像を示す。
図５Ｃは、上記プリズム２０からデジタルカメラの撮像系に導かれ、デジタルカメラの撮像素子上に結像された画像を示す。つまり、デジタルカメラ３の撮像画像である。
図５Ｄは、画像処理装置４のコンピュータ４０により、色分解されて形成されたそれぞれ異なる２枚の単色画像を示す。

色分解式ステレオカメラによる距離計測は、既に知られた三角測量の原理に基づいて行う。画像上に区切った小領域毎に三角測量の原理に基く演算処理を施すことで、その小領域に含まれる物体までの距離を求めることができる。

図６は別の実施形態のプリズム２０を断面で示した図である。
ここでは、２つのプリズム２０（１）の間に、内部に直交するハーフミラー２４を備えたダイクロイックプリズム２０（２）を介在させ、側部に配置されたプリズム２０（１）から入射した入射光λ１、λ２を周知のダイクロイックプリズム２０（２）で赤色と青色画像として出射する。

図７は、ステレオアダプタスの別の実施形態を示す。
ここではプリズムを用いず、ミラー２３とハーフミラー２４を組み合わせている。即ち、図７Ａにおいて、第１のレンズ１０及びカラーフィルタ（図示せず）を透過した光はハーフミラー２４を通して色分解式ステレオカメラの撮像系Ｄに達する。第２のレンズ１２及びフィルタ（図示せず）を透過した光はミラー２３で反射した後、上記ハーフミラー２４で反射して上記撮像系Ｄを介してデジタルカメラの撮像面に達する。
但し、この方式では、デジタルカメラ３の光学系を介して撮像素子の表面に達する被写体像は各フィルタを通した赤及び青画像の光路長に差があるために、構造は簡単であるが精度はやや劣る。

そこで、この欠点を補うため、図７Ｂに示した色分解式ステレオカメラでは、いずれのレンズを通した光もそれぞれミラー及びハーフミラーを経て撮像面に達するように構成されている。
即ち、第１のレンズ１０の入射光λ１は、第１のミラー２３（１）で反射された後第２のミラー２３（２）で反射され、その後ハーフミラー２４を通ってデジタルカメラの撮像面Ｄに達する。他方、第２のレンズ１２の入射光λ２は、第３のミラー２３（３）で反射された後、上記ハーフミラー２４で反射されて同様にデジタルカメラの撮像系Ｄを介してその撮像素子面に達する。この構成では、上記撮像素子面に至る入射光λ１とλ２の光路を同じ長さにすることができるため、図７Ａの構成に対して精度が向上する。

以上の実施形態の説明では、カラーフィルタを用いて単色のステレオ画像を形成したが、これに代えて、周知の分光器を用いて周波数の高低で分けた画像によりステレオ画像を形成することもできる。
即ち、上記実施形態におけるステレオアダプタのカラーフィルタの代わりに分光器を配置して、分光器により入射光λ１及びλ２を分光して、分光した周波数の異なる成分をそれぞれプリズムを通してデジタルカメラの撮像面に導く。その他の処理は既に説明した実施形態と同様である。

本発明の実施形態に係る色分解式ステレオカメラを概略的に示すブロック図である。 色分解式ステレオカメラの撮像部分を模式的に示した図である。 本発明の実施形態に係るプリズム内における入射光の光路を説明するための断面図である。 画像処理装置の構造を説明するブロック図である。 撮像画像データの処理画像を具体的に説明するための図である。 別の実施形態のプリズムを断面で示した図である。 ステレオアダプタスの別の実施形態を示す。

符号の説明

１・・・色分解式ステレオカメラ、２・・・ステレオアダプタ、３・・・デジタルカメラ、４・・・画像処理装置、１０、１２・・・対物レンズ、１４、１６・・・カラーフィルタ（赤、青）、２０、２０（１）・・・プリズム、２０（２）・・・ダイクロイックブリズム、２１、２２・・・プリズムの入射面、２３・・・ミラー、２４・・・ハーフミラー。

Claims (5)

1. 同一被写体像からそれぞれ異なる色画像を取り出して合成画像を形成するステレオアダプタと、前記ステレオアダプタで形成される合成画像を撮像して画像データを形成するデジタルカメラと、前記画像データから前記異なる色画像毎に画像データを分離する画像処理装置と、を有することを特徴とする色分解式ステレオカメラ。
2. 請求項１に記載された色分解式ステレオカメラにおいて、
   前記ステレオアダプタが同一被写体像をそれぞれ異なる色画像として取り出す手段は二つのカラーフィルタであり、前記ステレオアダプタは、それぞれ前記カラーフィルタで得た異なる色の被写体像を前記デジタルカメラに導く光学手段を備えていることを特徴とする色分解式ステレオカメラ。
3. 請求項１に記載された色分解式ステレオカメラにおいて、
   前記ステレオアダプタが同一被写体像をそれぞれ異なる色画像として取り出す手段は分光器であり、前記ステレオアダプタは、それぞれ前記分光器で得た異なる色の被写体像を前記デジタルカメラに導く光学手段を備えていることを特徴とする色分解式ステレオカメラ。
4. 請求項２又は３に記載された色分解式ステレオカメラにおいて、
   前記光学手段はプリズム、又はミラー及びハーフミラーを組み合わせて構成された光学手段であることを特徴とする色分解式ステレオカメラ。
5. 請求項１ないし４に記載されたいずれかの色分解式ステレオカメラにおいて、
   分離した二枚の単色画像に基づき被写体までの距離を算出する距離測定手段を有することを特徴とする色分解式ステレオカメラ。

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