JP3888847B2 - Wide-field imaging device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、広視野撮像装置に係わり、特に、周回パノラマ映像撮像装置の映像品質向上及び簡易化に適用して有効な技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の技術として、以下のものがある。
(1)魚眼レンズのような超広角レンズを用いて撮像し、信号処理によってレンズの歪みを補正するものがある。例えば、Interactive Pictures Corporation社(米国テネシー州)の製品、又はインターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレイションの特許(特開平8−55215号公報)。
【0003】
(2)曲面を持つ2枚の反射鏡を組み合わせて水平全周部を1つのカメラで一度に撮像し、リング状に撮像された映像を信号処理によってパノラマ映像へ展開するものがある。例えば、「360度視覚システム(ODV)」(三菱電機 先端技術総合研究所1997年)。
【0004】
(3)前記(2)の反射鏡と同様の機能を1つの広視野角レンズで実現したものがある。例えば、「360度カメラシステム(PAL360システム)」(立山科学グループ1998年2月26日、朝日新聞13面、1998年3月12日、読売新聞夕刊など)。
【0005】
(4)1台のカメラを全天周に対して回転させ、複数の映像を撮像し、信号処理によって合成するものがある。例えば、カメラ雲台及びパノラマ画像・全天周画像作成装置(NHK技研 山内結子)(特願平10-326506号)。
【0006】
(5)多数のカメラを球面上に配置し各カメラから得られた画像を信号処理によって合成するものがある。例えば、「全方向ステレオシステムの開発」(ソフトピアジャパン、棚橋秀掛、第6回画像センシングシンポジウム講演論文集D−19)。
【0007】
(6)ラインセンサとレンズを垂直方向の軸に沿って回転させ周回映像を得るものがある。例えば、ピカー インターナショナル インコーポレイテッドの特許(特開平6-222481号公報)。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来技術(1)では、得られた映像は、レンズによって大幅に歪んでおり、歪み補正処理が必要であるとともに、撮像面積に対する無駄な領域が多く、補正によって特に画像周辺部の解像度が著しく低下する。また、超広角の魚眼レンズなど高価な光学系が必要である。また、映像信号の補正処理が複雑であり高度の信号処理装置が必要である。
【0009】
前記従来技術(2)(3)では、全天周の映像が得られない(特に天頂部分)。また、得られた映像は反射鏡によって大幅に歪んでおり、歪み補正処理が必要であるとともに、撮像面積に対する無駄な領域が多く、補正によって特に画像周辺部の解像度が著しく低下する。また、反射鏡など特殊な光学系が必要である。また、映像信号の補正処理が複雑であり、高度の信号処理装置が必要である。
【0010】
前記従来技術(4)(5)(6)では、全天周の映像を得るためには同時又は時系列的な複数の映像を用い、得られた映像の精密なつなぎ目処理が必要である。
【0011】
本発明の目的は、天頂部分まで歪みのない全天周回パノラマ映像を高解像度で簡易に撮像することが可能な技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明の概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
(1)回転球面上に沿って配置され、撮像素子上にレンチキュラーレンズを有する1次元撮像素子と、前記1次元撮像素子の走査方向を回転軸として前記1次元撮像素子を回転させる手段と、を備え、周回パノラマ映像を2次元映像に展開する広視野映像撮像装置である。
(2)回転球面上に沿って配置され、撮像素子の1画素ごとに平行光を集光する微小レンズを有する1次元撮像素子と、前記1次元撮像素子の走査方向を回転軸として前記1次元撮像素子を回転させる手段と、を備え、周回パノラマ映像を2次元映像に展開する広視野映像撮像装置である。
(3)前記手段(1)または(2)の広視野映像撮像装置において、映像入力装置又はモニタ装置等のフレーム周波数に同期して前記撮像素子を回転させる手段を備え、連続的に周回パノラマ映像を撮像するものである。
【0014】
本発明のポイントは、1次元撮像素子の走査方向を回転軸として前記1次元撮像素子(ラインセンサ)を回転させ、全方位映像を動画で撮像し、また、前記1次元撮像素子(ラインセンサ)を回転球面上に沿うように配置し、周回パノラマ映像を2次元映像に展開する広視野映像撮像装置である。
【0015】
以下に、本発明について、本発明による実施形態(実施例)とともに図面を参照して詳細に説明する。
本実施例を説明する全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【0016】
【発明の実施の形態】
(実施例1)
図1は、本発明の実施例1の広視野映像撮像装置の概略構成を示す模式図である。図1において、1は支持部、2はラインセンサ、3はラインセンサの受光部、4はレンチキュラーレンズ、5は回転部、6は信号処理部、7はテレビジョンモニタ、Aは球面中心部の点、Bは球面である。
【0017】
本実施例1の広視野映像撮像装置は、図1に示すように、支持部1の球面中心部のA点を中心とした球面Bと同じ曲率の面上に対して垂直方向に、一直線上にラインセンサ2を配置する。ラインセンサ2は支持部1により回転部5と連結し、回転部5により球面Bに沿って回転する。ラインセンサ2からの読み出し信号は、信号処理部(A/D変換及びフレームメモリ、D/A変換など)6を経てテレビジョンモニタ7に表示される。
【0018】
ラインセンサ2上にはラインセンサ2と同じ曲率でレンチキュラーレンズ4を配置する。図2にラインセンサ2及びレンズの断面図(図1のC−C’における切断面)を示す。被写体からの入射光はレンチキュラーレンズ4によってラインセンサ2の受光部3に集光される。図3に図1の点線で囲んだDの部分の横手方向の断面拡大図を示す。
【0019】
ラインセンサ2の時間軸における駆動を行うために、回転軸中心の上方から下方に走査させるとともに、回転部5により一定速度で回転させると、読み出された信号は空間的に異なる位置の受光映像を次々と出力することになる。このラインセンサ2から読み出された信号を入力信号と同期させて、テレビジョンモニタ等の2次元画面上に表示した場合、信号処理を施すことなくパノラマ展開した映像が得られる。このときのパノラマ画像の空間的な配置の様子を図4に示す。上部が天頂部分、中部が地平線部分、下部が地下部分となる。このとき垂直方向の解像度は、ラインセンサ2の画素数により定まり、水平方向の解像度は、回転部5が1回転する間のラインセンサ2の走査回数により定まる。例えば、ラインセンサ2の画素数が1080画素であり、1回転する間に1920回走査した場合、1周回の画像の垂直解像度は1080画素、水平解像度は1920画素となる。
【0020】
図5に信号処理部におけるフレームメモリの書き込み順と読み出し順の例を示す。ラインセンサ2からの読み出し信号をAD変換しフレームメモリ上にW1〜Wmの順に書き込み、R1〜Rnの順に読み出すことにより、テレビジョンモニタ7の走査方向と同様の信号に変換することができる。例えば、回転部を毎秒60回転させ、ラインセンサ2の画素数を1080画素とし、1回転する間のラインセンサ2の走査回数を1920回とすると、フレームメモリより出力される信号は、水平1920画素、垂直1080ライン、60フレーム/秒のテレビジョン信号となり、動画像としてテレビジョンモニタに表示できる。
【0021】
(実施例2)
図6は、本発明の実施例2の広視野映像撮像装置の概略構成を示す模式図である。
本実施例2の広視野映像撮像装置は、図6に示すように、前記実施例1のラインセンサ2において、レンチキュラーレンズ4の代わりに微小光学レンズ(オンチップレンズ)8をラインセンサ2の各受光部(受光素子)3上に配置する。図6のE−E’における断面図を図7に示し、図8に図6のE−E'部分の横手方向の断面拡大図を示す。このように構成することにより、前記図2及び図3に示したものと同様に被写体からの入射光をラインセンサ2の各受光部(受光素子)3上に集光することができる。オンチップレンズ8を使用することで、センサ受光部の開口率をレンチキュラーレンズよりも高くすることが可能となる。
【0022】
(実施例3)
図9は、本発明の実施例3の広視野映像撮像装置の概略構成を示す模式図である。
本実施例3の広視野映像撮像装置は、図9に示すように、前記図1の球面B上に配置するラインセンサ2は1つだけに限る必要はなく、複数のラインセンサ2を図1と同様に球面に沿って垂直方向に配置したものである。
【0023】
前記図9では4つのラインセンサを配置した場合を天頂部分から観察した様子を示している。ラインセンサLS1〜LS4は、それぞれ同じ方向に回転する。この場合、4つのラインセンサLS1〜LS4によって撮像空間は、4分割されるため、全天周映像を得るためには回転部は1/4回転するだけでよい。
【0024】
各ラインセンサLS1〜LS4による撮像映像を2次元画面上に表示したときの様子を図10に示す。本実施例3の場合の撮像映像蓄積時間と前記実施例1の場合の撮像映像蓄積時間との違いは、前記実施例1の場合:1/60*1/1920であるのに対して、本実施例3の場合:1/60*1/480である。
【0025】
以上説明したように、本実施例3によれば、4つのラインセンサLS1〜LS4によって撮像された空間を合成することにより、1/4回転するだけで1枚の全天周パノラマ映像を得ることができる。
【0026】
このとき、回転速度が1/4に遅くなるため、ラインセンサが1つのときと同じ解像度を得るためには、各ラインセンサLS1〜LS4の走査速度も1/4に遅くすることができる。従って各ラインセンサLS1〜LS4の受光部(受光素子)3の電荷蓄積時間(露光時間)は4倍となり、撮像感度の向上が可能となる。
【0027】
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【0028】
【発明の効果】
本願において開示される発明によって得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
(1)高精細センサーを要せず簡易に高精細・広視野映像が得られる。
(2)撮像された映像は既にパノラマ展開されたものなので、パノラマ映像に展開するための画像変換処理が不要である。
(3)パノラマ展開の画像処理による画像周辺部の補間処理などによる画質劣化がない。
(4)使用するレンズは小型で安価で済む。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1の広視野映像撮像装置の概略構成を示す模式図である。
【図2】図1のC−C’線におけるラインセンサ及びレンズの断面図である。
【図3】図1の点線で囲んだDの部分の横手方向の断面拡大図である。
【図4】本実施例1のラインセンサからの読み出し信号を2次元画面上に表示したときのパノラマ空間的な配置の様子を示す図である。
【図5】本実施例1の信号処理部におけるフレームメモリの書き込み順と読み出し順の例を示す図である。
【図6】本発明の実施例2の広視野映像撮像装置の概略構成を示す模式図である。
【図7】図6のE−E'線における断面図である。
【図8】図6のE−E'部分の横手方向の断面拡大図である。
【図9】本発明の実施例3の広視野映像撮像装置の概略構成を示す模式図である。
【図10】本実施例3の各ラインセンサによる撮像映像を2次元画面上に表示したときの様子を示す図である。
【符号の説明】
1…支持部 2…ラインセンサ
3…ラインセンサの受光部 4…レンチキュラーレンズ
5…回転部 6…信号処理部
7…テレビジョンモニタ 8…微小光学レンズ(オンチップレンズ)
LS1〜LS4…ラインセンサ A…球面中心部の点
B…球面[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a wide-field imaging device, and more particularly to a technique that is effective when applied to improving and simplifying the video quality of a circular panoramic video imaging device.
[0002]
[Prior art]
Conventional techniques include the following.
(1) Some images are picked up using a super-wide-angle lens such as a fisheye lens, and distortion of the lens is corrected by signal processing. For example, a product of Interactive Pictures Corporation (Tennessee, USA) or a patent of International Business Machines Corporation (JP-A-8-55215).
[0003]
(2) There are some which combine two reflecting mirrors having a curved surface and take a picture of the entire circumference of the circumference at once with one camera, and develop the image taken in a ring shape into a panoramic image by signal processing. For example, “360-degree visual system (ODV)” (Mitsubishi Electric Advanced Technology Research Institute 1997).
[0004]
(3) There is one in which the same function as that of the reflecting mirror of (2) is realized by one wide viewing angle lens. For example, “360 degree camera system (PAL360 system)” (Tateyama Science Group February 26, 1998, Asahi Shimbun, March 12, 1998, Yomiuri Shimbun evening edition, etc.).
[0005]
(4) Some cameras rotate a single camera with respect to the whole sky, take a plurality of images, and synthesize them by signal processing. For example, camera pan head and panoramic image / all-sky image creation device (NHK Giken Yamauchi Yuko) (Japanese Patent Application No. 10-326506).
[0006]
(5) Some cameras arrange a large number of cameras on a spherical surface and synthesize images obtained from the cameras by signal processing. For example, “Development of an omnidirectional stereo system” (Softpia Japan, Hidekake Tanahashi, Proceedings of the 6th Image Sensing Symposium D-19).
[0007]
(6) Some line sensors and lenses rotate around a vertical axis to obtain a circular image. For example, a patent of Picker International Inc. (Japanese Patent Laid-Open No. 6-222481).
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the prior art (1), the obtained image is greatly distorted by the lens, and distortion correction processing is necessary, and there are many useless areas with respect to the imaging area. Is significantly reduced. In addition, an expensive optical system such as a super-wide angle fisheye lens is required. In addition, the correction processing of the video signal is complicated, and an advanced signal processing device is required.
[0009]
In the prior arts (2) and (3), an image of the entire sky cannot be obtained (particularly the zenith portion). In addition, the obtained image is greatly distorted by the reflecting mirror, and distortion correction processing is necessary. In addition, there are many useless areas with respect to the imaging area, and the resolution particularly in the periphery of the image is significantly reduced by the correction. In addition, a special optical system such as a reflecting mirror is required. Further, the correction processing of the video signal is complicated, and an advanced signal processing device is required.
[0010]
In the prior arts (4), (5), and (6), in order to obtain an image of the entire sky, a plurality of images that are simultaneous or time-series are used, and precise joint processing of the obtained images is required.
[0011]
An object of the present invention is to provide a technique capable of easily capturing a high-resolution panoramic image of a whole sky without distortion up to the zenith portion.
The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The outline of the invention disclosed in the present application will be briefly described as follows.
(1) are arranged along a rotating sphere, the 1-dimensional imaging device having a lenticular lens on the imaging device, means for rotating said 1-dimensional image sensor scanning direction of the one-dimensional image sensor as the rotation axis, the And a wide-field video imaging device that develops a round panoramic video into a two-dimensional video.
(2) A one-dimensional image sensor that is arranged along a rotating spherical surface and has a minute lens that collects parallel light for each pixel of the image sensor, and the one-dimensional image with the scanning direction of the one-dimensional image sensor as a rotation axis. And a means for rotating the imaging device, and a wide-field video imaging device that develops a round panoramic video into a two-dimensional video.
( 3 ) The wide-field video imaging device of the means (1) or (2) includes means for rotating the imaging device in synchronism with a frame frequency of a video input device or a monitor device, and continuously panoramic video Is taken.
[0014]
The point of the present invention is that the one-dimensional image pickup device (line sensor) is rotated about the scanning direction of the one-dimensional image pickup device, and an omnidirectional video is picked up as a moving image, and the one-dimensional image pickup device (line sensor). Is arranged along the rotating spherical surface, and a wide-field video imaging device that develops a round panoramic video into a two-dimensional video.
[0015]
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings together with embodiments (examples) according to the present invention.
In all the drawings for explaining the present embodiment, parts having the same function are given the same reference numerals, and repeated explanation thereof is omitted.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Example 1
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of a wide-field video imaging apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, 1 is a support part, 2 is a line sensor, 3 is a light receiving part of the line sensor, 4 is a lenticular lens, 5 is a rotation part, 6 is a signal processing part, 7 is a television monitor, and A is a spherical center part. Point B is a spherical surface.
[0017]
As shown in FIG. 1, the wide-field video imaging apparatus of the first embodiment is in a straight line perpendicular to the surface having the same curvature as the spherical surface B centered on the point A of the spherical central portion of the support portion 1. The line sensor 2 is disposed in The line sensor 2 is connected to the rotating
[0018]
A lenticular lens 4 is disposed on the line sensor 2 with the same curvature as the line sensor 2. FIG. 2 is a cross-sectional view of the line sensor 2 and the lens (a cut surface at CC ′ in FIG. 1). Incident light from the subject is condensed on the light receiving unit 3 of the line sensor 2 by the lenticular lens 4. FIG. 3 shows an enlarged cross-sectional view of the portion D surrounded by a dotted line in FIG. 1 in the transverse direction.
[0019]
In order to drive the line sensor 2 on the time axis, when the scanning is performed from the upper side to the lower side of the center of the rotation axis and the
[0020]
FIG. 5 shows an example of the writing order and reading order of the frame memory in the signal processing unit. The readout signal from the line sensor 2 is AD-converted, written in the order of W1 to Wm on the frame memory, and read out in the order of R1 to Rn, so that it can be converted into a signal similar to the scanning direction of the
[0021]
(Example 2)
FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of the wide-field video imaging apparatus according to the second embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 6, the wide-field imaging device of the second embodiment is configured such that, in the line sensor 2 of the first embodiment, a micro optical lens (on-chip lens) 8 is used instead of the lenticular lens 4. It is arranged on the light receiving part (light receiving element) 3. FIG. 7 shows a cross-sectional view taken along the line EE ′ of FIG. 6, and FIG. 8 shows an enlarged cross-sectional view of the EE ′ part of FIG. With this configuration, the incident light from the subject can be condensed on each light receiving portion (light receiving element) 3 of the line sensor 2 in the same manner as shown in FIGS. By using the on-chip lens 8, the aperture ratio of the sensor light receiving unit can be made higher than that of the lenticular lens.
[0022]
(Example 3)
FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of a wide-field video imaging apparatus according to Embodiment 3 of the present invention.
As shown in FIG. 9, the wide-field video imaging apparatus of the third embodiment need not be limited to only one line sensor 2 arranged on the spherical surface B of FIG. Similarly to the above, it is arranged vertically along the spherical surface.
[0023]
FIG. 9 shows a state where four line sensors are arranged as observed from the zenith portion. The line sensors LS1 to LS4 rotate in the same direction. In this case, since the imaging space is divided into four by the four line sensors LS1 to LS4, in order to obtain the whole sky image, the rotation unit only needs to make a quarter rotation.
[0024]
FIG. 10 shows a state where captured images from the line sensors LS1 to LS4 are displayed on the two-dimensional screen. The difference between the captured video storage time in the third embodiment and the captured video storage time in the first embodiment is 1/60 * 1/1920 in the first embodiment, whereas In the case of Example 3: 1/60 * 1/480.
[0025]
As described above, according to the third embodiment, by synthesizing the spaces imaged by the four line sensors LS1 to LS4, a single panoramic image can be obtained only by a quarter rotation. Can do.
[0026]
At this time, since the rotational speed is reduced to ¼, the scanning speed of each of the line sensors LS1 to LS4 can be reduced to ¼ in order to obtain the same resolution as when the number of line sensors is one. Accordingly, the charge accumulation time (exposure time) of the light receiving portions (light receiving elements) 3 of the line sensors LS1 to LS4 is quadrupled, and the imaging sensitivity can be improved.
[0027]
As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Of course.
[0028]
【The invention's effect】
The effects obtained by the invention disclosed in the present application will be briefly described as follows.
(1) A high-definition and wide-field image can be easily obtained without requiring a high-definition sensor.
(2) Since the captured video has already been panoramicly developed, image conversion processing for developing the panoramic video is not necessary.
(3) There is no image quality deterioration due to interpolation processing at the periphery of the image by panoramic development image processing.
(4) The lens used is small and inexpensive.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of a wide-field video imaging apparatus according to a first embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view of a line sensor and a lens taken along line CC ′ in FIG. 1. FIG.
3 is an enlarged cross-sectional view in a transverse direction of a portion D surrounded by a dotted line in FIG.
FIG. 4 is a diagram illustrating a panoramic spatial arrangement when a readout signal from the line sensor according to the first embodiment is displayed on a two-dimensional screen.
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a writing order and a reading order of the frame memory in the signal processing unit according to the first embodiment.
FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of a wide-field video imaging apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
7 is a cross-sectional view taken along the line EE ′ of FIG.
8 is an enlarged cross-sectional view of the EE ′ portion in FIG. 6 in the transverse direction.
FIG. 9 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a wide-field video imaging apparatus according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 10 is a diagram illustrating a state where an image captured by each line sensor according to the third embodiment is displayed on a two-dimensional screen.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Support part 2 ... Line sensor 3 ... Light-receiving part of a line sensor 4 ...
LS1 to LS4 ... Line sensor A ... Spherical center point B ... Spherical surface
Claims (3)
前記1次元撮像素子の走査方向を回転軸として前記1次元撮像素子を回転させる手段と、
を備え、周回パノラマ映像を2次元映像に展開することを特徴とする広視野映像撮像装置。 Are arranged along a rotating sphere, the 1-dimensional imaging device having a lenticular lens on the imaging device,
Means for rotating said 1-dimensional image sensor scanning direction of the one-dimensional image sensor as a rotation axis,
A wide-field video imaging device characterized in that a round panoramic video is developed into a two-dimensional video.
前記1次元撮像素子の走査方向を回転軸として前記1次元撮像素子を回転させる手段と、
を備え、周回パノラマ映像を2次元映像に展開することを特徴とする広視野映像撮像装置。 Are arranged along a rotating sphere, the 1-dimensional imaging device having a micro lens that condenses the parallel light for each pixel of the image sensor,
Means for rotating said 1-dimensional image sensor scanning direction of the one-dimensional image sensor as a rotation axis,
A wide-field video imaging device characterized in that a round panoramic video is developed into a two-dimensional video.
連続的に周回パノラマ映像を撮像することを特徴とする広視野映像撮像装置。The wide-field video imaging device according to claim 1 or 2, further comprising means for rotating the imaging device in synchronization with a frame frequency of a video input device or a monitor device,
A wide-field video imaging device characterized by continuously imaging a round panoramic video.
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