JP2013044827A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 被写体をステレオ撮影時にズーム調整が可能であり、撮影したステレオ画像から被写体の３次元位置情報を高精度で取得できる撮像装置を実現する。
【解決手段】 被写体を第１の方向から撮像する第１の撮像手段と、被写体を第１の方向とは異なる第２の方向から撮像する第２の撮像手段とを備え、第１の撮像手段により撮像された第１の画像と、第２の撮像手段により撮像された第２の画像を用いて、被写体の３次元位置情報を取得する撮像装置であって、撮像装置は、第１の画像および第２の画像をズーム調整して結像させるズーム光学系を有し、ズーム光学系は、焦点距離を検出する焦点距離検出手段を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、被写体をズーム調整してステレオ撮影することができ、撮影したステレオ画像から高精度の被写体の３次元位置情報を取得する撮像装置に関するものである。

従来の立体撮像装置として、ズームレンズを用いて遠隔地の被写体のステレオ画像を生成する立体カメラ装置（特許文献１）や、焦点距離が固定された２種類の撮像レンズを切り替えて被写体の３次元位置情報を取得するステレオカメラ装置（特許文献２）が提案されている。

図４は、特許文献１の立体カメラ装置の構成図である。特許文献１の立体カメラ装置は、観察対象を見込む１組の光路の少なくとも一方に偏光を掛けて取り込む光学系３３１、３３３と、この光学系３３１、３３３によって少なくとも一方が偏光を掛けられた１組の光信号に係る光路を同一光軸に合成する光路合成手段３３２と、この光路合成手段３３２からの出力光の焦点調整やズーム調整を行なうレンズ系３０９と、このレンズ系３０９からの光信号に係る光路を前記２つの偏光の種別に応じて２つの光路に分離する光路分離手段３３４と、これらの分離されたそれぞれの光信号に従う像を撮影する１組の撮影手段３１１、３１３と、この撮影手段３１１、３１３の出力側に設けた像信号処理手段３３５とを備えている。

特許文献１の立体カメラ装置によれば、左右２つの像は１つの光軸に合成されて１つのレンズ系３０９によりズーム操作が行なわれるので、２つの像にズレは全く発生せず、立体感が得られる。また、従来のように２組のＴＶカメラを設けた場合に比べて簡易で低コストな立体カメラ装置を実現することができる。

図５は、特許文献２のステレオカメラ装置の構成図である。特許文献２のステレオカメラ装置２０１は、近距離から遠距離までのワイドレンジで被写体までの距離を三角測量の原理で算出し、被写体の３次元位置情報を取得する。図５に示すように、所定距離だけ隔てて配置された第１の撮像部２０２と第２の撮像部２０３には、遠距離用の撮像レンズ２２１、２３１と、近距離用の撮像レンズ２２２、２３４が配置されている。

特許文献２のステレオカメラ装置２０１によれば、焦点距離が固定された上記４個の撮像レンズ２２１、２２２、２３１、２３２から画像を取り込むことにより、ワイドレンジで被写体の３次元位置情報の取得を可能にしている。

特開平３−１６３９９３号公報（平成３年７月１５日公開） 特開２０１０−２６１８７７号公報（平成２０年１１月１８日公開）

三角測量の原理を用いて被写体までの距離を測定する場合、下記の問題があった。

図６は、三角測量の原理を説明する概略図である。三角測量の原理は、被写体までの距離Ｄを、撮像装置の焦点距離値ｆと、ステレオ撮影する２つの撮像部の基線長Ａと、ステレオ撮影した画像における視差量ｎ＝（ｎｌ＋ｎｒ）とを測定し、Ｄ＝ｆ×Ａ／ｎの式から求めるものである。例えば、撮像部の基線長Ａは撮像装置において固定することができ、撮像装置の焦点距離値ｆとステレオ画像の視差量ｎとを正確に測定することにより、被写体までの距離Ｄを高精度で取得することができる。

図７は、ステレオ撮影された左右の画像ＩＭＧ１、ＩＭＧ２を示す模式図であり、図７（ａ）は広角側で撮影したもの、図７（ｂ）は望遠側で撮影したものを示す。例えば、遠方にある花と人物の２つの被写体を撮影した場合、広角側では、図７（ａ）のように、それぞれの被写体の視差量ｎ１、ｎ２が小さいため測距精度は良くないが、望遠側では、図７（ｂ）のように被写体が大きく拡大され、視差量ｎ１、ｎ２も大きくなるため、測距精度が高まるとともに、視差量ｎ１とｎ２の差から前後関係の情報も取得することができる。

しかしながら、特許文献１の立体カメラ装置は、ズーム調整に伴ってレンズ系３０９の焦点距離値ｆが変動してしまうため、予めズーム倍率に対する焦点距離値ｆの情報を取得しておかなければ三角測量をすることができず、焦点距離値ｆの情報を詳細に取得することは困難であるため三角測量の精度が低下する問題があった。

また、特許文献２は、第１の撮像部２０２と第２の撮像部２０３の倍率が、広角側と望遠側の２種類で固定されており、被写体の大きさや距離等の撮影条件により、被写体を適度に拡大して撮影することができない。このため、広角側では撮像画像が小さすぎて分解能が低下したり、望遠側では大きすぎて撮像領域から外れたりして、視差量を正確に測定することができず、３次元位置情報を高精度で取得できないという問題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、被写体をズーム調整してステレオ撮影し、ズーム撮影時の焦点距離値ｆと視差量を検出して、被写体の３次元位置情報を高精度で取得できる撮像装置を実現することにある。

被写体を第１の方向から撮像する第１の撮像手段と、被写体を第１の方向とは異なる第２の方向から撮像する第２の撮像手段とを備え、第１の撮像手段により撮像された第１の画像と、第２の撮像手段により撮像された第２の画像を用いて、被写体の３次元位置情報を取得する撮像装置であって、撮像装置は、第１の画像および第２の画像をズーム調整して結像させるズーム光学系を有し、ズーム光学系は、焦点距離を検出する焦点距離検出手段を有することを特徴とする。

本発明によれば、被写体をズーム撮影して計測に十分な視差量を確保し、ズーム撮影時の焦点距離値を検出して被写体の３次元位置情報を高精度で取得することができる。

実施例１に係る撮像装置の構成図である。 焦点距離の検出部の構成を説明するグラフと模式図である。 実施例２に係る撮像装置の構成図である。 従来技術である特許文献１のステレオカメラ装置の構成図である。 従来技術である特許文献２の立体カメラ装置の構成図である。 三角測量の原理を説明する模式図である。 広角側と望遠側でステレオ撮影した画像データを示す模式図である。

以下、図面に基づいて本発明を実施するための最良の形態を説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分又は相当部分を表すものとする。

図１は、本発明の撮像装置５０の構成図である。撮像装置５０は、被写体を第１の方向から撮像する第１の撮像手段と、被写体を第１の方向とは異なる第２の方向から撮像する第２の撮像手段とを備え、第１の撮像手段により撮像された第１の画像と、第２の撮像手段により撮像された第２の画像を用いて、被写体の３次元位置情報を取得する。

第１の撮像手段は、被写体Ｏの画像Ａ１を取り込む光入射部１ａと、画像Ａ１をズーム調整するズーム光学系２ａと、ズーム調整された画像Ａ１を撮像する撮像センサ６ａとを備える。また、第２の撮像手段も、第１の撮像手段の構成と同様に、被写体Ｏの画像Ａ２を取り込む光入射部１ｂと、ズーム光学系２ｂと、撮像センサ６ｂとを備えている。

また、撮像センサ６ａ、６ｂで撮像した画像Ａ１と画像Ａ２からなるステレオ画像を用いて被写体の３次元位置情報を演算する画像処理部７と、撮像装置５０を操作するための入力手段８と、ステレオ画像や被写体の３次元位置情報を表示する表示手段９と、撮像装置５０の各部を制御する制御部１０とを備えている。

本発明の撮像装置５０は、上記の構成において、ズーム光学系２ａ、２ｂのズーム調整時の焦点距離を検出する焦点距離検出手段５ａ、５ｂを設けたことを特徴としている。本発明の撮像装置５０は、ズーム光学系２ａ、２ｂにより、被写体Ｏの異なる方向からの画像Ａ１とＡ２の倍率を調整して、３次元位置情報を計測する上で十分な視差量を確保するとともに、ズーム光学系２ａ、２ｂのズーム調整時の焦点距離値を検出することにより、三角測量の原理を用いて被写体までの距離を高精度で計測できるようにしている。

図１を用いて、本発明の撮像装置５０の各構成について説明する。光入射部１ａ、１ｂはレンズ等の光学部材であり、撮像装置１００の前面に所定の間隔で配置され、被写体Ｏを異なる方向から画像Ａ１と画像Ａ２としてそれぞれ取り込む。光入射部１ａと１ｂの間隔は、例えば、２０ｍｍ程度に設定され、三角測量の計測で基線長：Ａとして使用する。

ズーム光学系２ａ、２ｂは、ズームレンズ３ａ、３ｂやフォーカスレンズ４ａ、４ｂからなるレンズ群で構成され、光入射部１ａ、１ｂに取り込まれた画像Ａ１、Ａ２が同じ倍率でズーム調整されるように、２系統のズーム光学系２ａ、２ｂが連動して駆動されるようになっている。

ズーム光学系２ａ、２ｂには、ズーム調整により変動する焦点距離値ｆを検出するために、焦点距離検出手段５ａ、５ｂが設けられている。焦点距離検出手段５ａ、５ｂの構成や動作等については後述する。

撮像センサ６ａ、６ｂは、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等の撮像素子であり、ズーム光学系２ａ、２ｂでズーム調整された画像Ａ１とＡ２をＡ／Ｄ変換して、それぞれを画像データとして画像処理部７に出力する。

画像処理部７は、ＣＰＵやメモリ等で構成されており、画像データＡ１、Ａ２の補正や、ステレオ画像の生成、ステレオ画像から被写体の３次元位置情報の計測等を行ない、これらの処理結果を表示手段９に出力する。なお、画像データや被写体の３次元位置情報等は、メモリーカードやハードディスクなどの記憶部に保存することも可能である。

入力手段８は、撮像装置５０を操作するためのボタンやダイヤル等で構成されており、撮像装置５０の各種設定やズーム調整などの撮影操作を行う。

表示手段９は、液晶パネル等の表示装置からなり、被写体のステレオ画像を表示したり、被写体の３次元位置情報を表示する。この表示手段９は、タッチパネルを組合わせて入力手段８として兼用することも可能である。

制御部１０は、入力手段８に入力された操作指示に従って、ズーム光学系２ａ、２ｂや、画像処理部７、表示手段９の制御を行なう。例えば、ユーザが入力手段８のズームボタンを操作することにより、制御部１０はズームレンズ３ａ、３ｂやフォーカスレンズ４ａ、４ｂ等を連動させて、ズーム光学系２ａと２ｂが同じ倍率でズーム調整されるように駆動する。

次に、本発明の撮像装置５０において特徴部となる焦点距離検出手段５ａ、５ｂについて説明する。

図２（ａ）は、焦点距離検出手段５ａ、５ｂの構成を示す模式図であり、図２（ｂ）は、焦点距離検出手段５ａ、５ｂによる焦点距離値の算出方法を示すグラフである。

図２（ａ）に示すように、ズームレンズ３ａ、３ｂは、ステッピングモータ２２により、ズーム光学系２ａ、２ｂのＷＩＤＥ端とＴＥＬＥ端の間に設けられた駆動軸２１に沿ってステップ駆動される。

焦点距離検出手段５ａ、５ｂは、ＷＩＤＥ端に基準位置として設けられた位置センサ２３と、ズームレンズ３ａ、３ｂに設けられた遮光部２４と、ステッピングモータ２２のステップ数を計数するＣＰＵ２５とを有する。

位置センサ２３は、例えば、対向する発光部と受光部を持ち、発光部からの光を物体が遮るのを受光部で検出することによって、物体の有無や位置を判定するフォトインタラプタ等の受光センサである。そして、ズームレンズ３ａ、３ｂの遮光部２４によって受光部が遮られることにより、ズームレンズ３ａ、３ｂが基準位置にあることを検出する。

焦点距離検出手段５ａ、５ｂは、ズームレンズ３ａ、３ｂが基準位置にあるとき、ＣＰＵ２５がステッピングモータ２１のステップ数ｐを０にリセットし、ズームレンズ３ａ、３ｂが基準位置からズーム位置に移動するのに要したステップ数ｐを計数することで、ズーム位置を基準位置からの相対位置として算出する。

ズーム光学系２ａ、２ｂの焦点距離値ｆは、図２（ｂ）に示すように、ズームレンズ３ａ、３ｂの位置と比例関係にあることが設計時点で予め判っており、ズームレンズ３ａ、３ｂのズーム位置をステッピングモータ２１のステップ数ｐから算出できるため、焦点距離値ｆをステップ数ｐの関数ｇ（ｐ）として求めることができる。なお、関数ｇ（ｐ）はレンズ群の構成等によっても異なる。

本発明の撮像装置５０によれば、被写体のズーム調整を可能にするズーム光学系２ａ、２ｂを備えており、図７（ｂ）に示したように、被写体の画像Ａ１とＡ２を望遠側にズーム調整し、撮像センサ６ａ、６ｂの撮像領域内に収まる範囲で大きく撮像することにより、３次元位置情報の計測に十分な視差量ｎを検出することができる。

また、ズーム光学系２ａ、２ｂの焦点距離値ｆを算出する焦点距離検出手段５ａ、５ｂを備えており、ズーム調整時の正確な焦点距離値ｆを検出し、検出した視差量ｎと焦点距離値ｆを用いて、被写体までの距離Ｄを三角測量の原理でＤ＝ｆ×Ａ／ｎの式から高精度で計測することができる。

なお、実施例１の撮像装置５０では、焦点距離検出手段５ａ、５ｂについて、ズーム光学系２ａ、２ｂの基準位置をＷＩＤＥ端にして説明したが、基準位置をＴＥＬＥ端に設定してもよい。また、ズームレンズ３ａ、３ｂが移動した位置から焦点距離値ｆを求めたが、フォーカスレンズ４ａ、４ｂの位置を検出して焦点距離値ｆを求めてもよい。また、ズーム光学系２ａと２ｂは連動して同じ倍率となるように駆動されるので、焦点距離検出手段５ａ、５ｂの一方から焦点距離値ｆを求めても良い。

図３は、本発明の実施例２の撮像装置６０の構成図である。実施例２の撮像装置６０は、実施例１で示した撮像装置５０に対して、第１の画像Ａ１と第２の画像Ａ２を共通の一つのズーム光学系２ｃを用いてズーム調整する構成が異なる。その他の構成は、実施例１の撮像装置５０と同じであるため、詳細な説明は省略する。

実施例２の撮像装置６０は、被写体Ｏを異なる方向から画像Ａ１と画像Ａ２としてそれぞれ取り込む２つの光入射部１ａ、１ｂと、取り込まれた画像Ａ１と画像Ａ２を偏光を異ならせて同一光軸に合成する偏光合成部１１と、偏光合成部１１で合成した画像Ａ１と画像Ａ２をズーム調整するズーム光学系２ｃと、ズーム調整された通った画像Ａ１と画像Ａ２を偏光の違いを利用して再び２つの光に分離する偏光分離部１２と、分離された画像Ａ１と画像Ａ２をそれぞれ結像する２つの撮像センサ６ａ、６ｂと、撮像センサ６ａ、６ｂのステレオ画像から被写体の３次元位置情報を演算する画像処理部７とを備えており、ズーム光学系２ｃにはズーム調整時の焦点距離を検出する焦点距離検出手段５ｃを設けている。

また、撮像装置６０を操作するための入力手段８と、ステレオ画像や被写体の３次元位置情報を表示する表示手段９と、撮像装置６０の各部を制御する制御部１０とを備えている。

実施例２の撮像装置６０は、上記の構成により、１つのズーム光学系２ｃで被写体Ｏの画像Ａ１、Ａ２をズーム調整することにより、画像Ａ１と画像Ａ２の倍率のズレを防止しながら３次元位置情報の計測に十分な視差量を確保することができ、ズーム光学系２ｃのズーム調整時の正確な焦点距離値を検出して、被写体までの距離を三角測量の原理を用いて高精度で計測できるようにしている。

図３を用いて、実施例２の撮像装置６０の各構成について説明する。

光入射部１ａ、１ｂはレンズ等の光学部材であり、撮像装置１００の前面に所定の間隔で配置され、被写体Ｏを異なる方向から画像Ａ１と画像Ａ２としてそれぞれ取り込む。光入射部１ａと１ｂの間隔は、例えば、２０ｍｍ程度に設定され、三角測量の計測で基線長：Ａとして使用する。

偏光合成部１１は、光入射部１ａ、１ｂに取り込まれた画像Ａ１と画像Ａ２からＳ偏光またはＰ偏光の光線を透過させる偏光膜と、画像Ａ１と画像Ａ２の光路を変換するプリズムからなる。偏光合成部１１は、画像Ａ１とＡ２を互いに偏光が異なるようにＳ偏光とＰ偏光に変換し、Ｓ偏光とＰ偏光に変換された画像Ａ１とＡ２を同一の光軸に合成して後段のズーム光学系部２ｃに出射する。

ズーム光学系２ｃは、合成された画像Ａ１、Ａ２と同じ光軸となるように、ズームレンズ３ｃやフォーカスレンズ４ｃを含む複数のレンズ群で構成されている。ズーム光学系２ｃは、偏光合成部１１で合成された画像Ａ１、Ａ２を、ズームレンズ３ｃにより所望の倍率に調節し、フォーカスレンズ４ｃにより焦点を調節することができる。

実施例２のズーム光学系２ｃは、１系統に共通化されることにより、ズームレンズ３ｃやフォーカスレンズ４ｃの制御を容易にし、画像Ａ１と画像Ａ２の倍率のズレを防止することができる。また、ズーム光学系２ｃの小型化や部品コストの削減が図ることができる。

焦点距離検出手段５ｃは、ズーム光学系２ｃのズーム調整後の焦点距離値ｆを検出するものである。焦点距離検出手段５ｃの構成や動作等は実施例１で示したものと同じである。

偏光分離部１２は、偏光膜とプリズムで構成されており、ズーム光学系２ｃで所望の倍率に調節された画像Ａ１と画像Ａ２の合成光を、偏光の違いを利用してズーム調整された２つの画像Ａ１と画像Ａ２に分離する。

撮像手段６ａ、６ｂは、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等の撮像素子であり、ズーム調整された画像Ａ１と画像Ａ２をＡ／Ｄ変換して、それぞれの画像Ａ１と画像Ａ２を画像データとして画像処理部７に出力する。他の入力手段８や、表示手段９、制御部１０の構成や動作等は実施例１で示したものと同じである。

実施例２の撮像装置６０は、上記の構成により、１つのズーム光学系２ｃで被写体Ｏの画像Ａ１、Ａ２をズーム調整することにより、ズーム調整時の画像Ａ１と画像Ａ２の倍率のズレを防止しながら３次元位置情報の計測に十分な視差量を確保することができ、ズーム光学系２ｃのズーム調整時の正確な焦点距離値を検出して、被写体までの距離を三角測量の原理を用いて高精度で計測することができる。

以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Ｏ 被写体
Ａ１、Ａ２ 画像
１ａ、１ｂ 光入射部
２ａ、２ｂ、２ｃ ズーム光学系
３ａ、３ｂ、３ｃ ズームレンズ
４ａ、４ｂ、４ｃ フォーカスレンズ
５ａ、５ｂ、５ｃ 焦点距離検出手段
６ａ、６ｂ 撮像センサ
７ 画像処理装置
８ 入力手段
９ 表示手段
１０ 制御部
１１ 偏光合成部
１２ 偏光分離部
２１ ステッピングモータ
２２ 位置センサ
２３ 遮光部
５０、６０ 撮像装置

Claims (5)

1. 被写体を第１の方向から撮像する第１の撮像手段と、
   前記被写体を前記第１の方向とは異なる第２の方向から撮像する第２の撮像手段とを備え、
   前記第１の撮像手段により撮像された第１の画像と、
   前記第２の撮像手段により撮像された第２の画像を用いて、前記被写体の３次元位置情報を取得する撮像装置であって、
   前記撮像装置は、前記第１の画像および前記第２の画像をズーム調整して結像させるズーム光学系を有し、
   前記ズーム光学系は、焦点距離を検出する焦点距離検出手段を有することを特徴とする撮像装置。
2. 前記焦点距離は、前記ズーム光学系のレンズのズーム位置と関連付けられていることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 前記レンズのズーム位置は、前記ズーム光学系のステッピングモータのステップ数で算出されることを特徴とする請求項２記載の撮像装置。
4. 前記ステップ数は、前記レンズを基準位置から前記ズーム位置に移動させるのに要したステップ数であることを特徴とする請求項３記載の撮像装置。
5. 前記基準位置にフォトインタラプタが設けられ、前記レンズに遮光部が設けられていることを特徴とする請求項４記載の撮像装置。