JP5467683B2 - 立体映像表示装置の立体ノギス像形成装置およびプログラム - Google Patents
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Description
特に、立体内視鏡装置では、左右のカメラの間隔が狭いので交差法がよく用いられている。
なお、このような事情は、立体内視鏡装置に限らず、一般に用いられる立体カメラを使用した立体映像表示装置においても同様で、映像中の事物の寸法や相互の距離を正確に求めることが難しい。
なお、特許文献1記載の目盛表示は、輻輳角とコンバージェンス点までの距離を取り込んだ演算を行うことにより、交差法を用いた立体カメラにも適用することができるが、平行法の立体カメラと同様に、被検体の寸法や2点間距離を知ることはできない。
本発明の立体ノギス像形成装置は、さらに、立体ノギス像表示装置を備えて、2つのポインターの位置を測定長の端点とする立体ノギス像を形成してディスプレーに立体表示させるようにしてもよい。
さらに、本発明のプログラムは、立体ノギス像形成装置におけるコンピュータを、第1と第2のポインターの位置にアンビルとスピンドルの先端を合わせた立体ノギス像を形成してディスプレーに立体表示させる立体ノギス像表示手段として機能させるようにしてもよい。
なお、立体ノギス像が立体表示されるため、立体ノギス像の各部が立体映像中の奥行き距離に対応する大きさを有するので、立体ノギス像を観察することにより立体ノギスが当てられた対象物の位置を直感的に把握することができる。
基準映像画面は、たとえば、第1の撮像装置と第2の撮像装置の光軸が交差するコンバージェンス点にY軸に垂直に設けられたコンバージェンス面に設定される。左目に見せる画像と右目に見せる画像におけるコンバージェンス点の映像は、ディスプレーにおいて同じ点に重なることになる。
ポインターの位置を立体映像撮影に使う立体撮像装置に固定される3次元座標で求めると、2つのポインター間の距離は演算で簡単に求めることができる。
また、立体撮像装置の光学系が異なれば座標系も異なるので、立体撮像装置ごとに固有の座標系を作成するときに、実寸に関連付けられた基準立体スケールを、コンバージェンス点など、基準の位置に配置して立体撮像装置で撮影して得られた映像に基づいて、目盛を実際の寸法と対比して校正するようにしてもよい。
また、立体ノギス像の形状は、立体撮像装置からの距離あるいはY座標値にしたがった大きさで表示すると、対象の遠近感が的確に把握できて正確な観察が可能になる。
また、操作盤にトラッキングボールなどの操作端を設けて、立体ノギス像が映像を観察するために障害となる場合には、立体ノギス像の姿勢を簡単に変化させることができるようにすると、より便利である。
本発明に係る立体ノギス像形成装置は、上記構成を有する既存の立体映像表示装置に対しても、立体ノギス像形成装置を追加することにより、適用することができる。なお、立体ノギス像形成装置がコンピュータを機能させるためのプログラムで構成される場合は、既存の立体映像表示装置の制御装置にこのプログラム及び操作盤を追加することにより、本発明を適用することができる。
また、本発明の立体ノギス像形成装置は、立体映像(動画)に対して適用できるが、立体静止画像についても利用できることは言うまでもない。
特に、立体内視鏡装置を用いて患部の観察や手術を行うときには、本発明に係る立体ノギス像形成装置を用いることにより、術者が画像中に表示された患部などの寸法や対象物間の距離を簡単に知ることができるので補助装置として有用である。
立体撮像装置1は、立体内視鏡のプローブ先端に設けられた1対のカメラであっても良い。
画像信号生成装置2から出力される左目用と右目用の1対の画像信号は、立体映像信号生成装置3により合成されて、ディスプレー4に立体映像として表示するための立体映像信号となり、ディスプレー4に送信される。
オペレータが操作盤24を用いて指定するポインターの位置情報は、ポインター表示装置21で生成され、ポインター表示装置21から立体映像信号生成装置3に送信される。立体映像信号生成装置3は、立体撮像装置1で生成された撮像信号から画像信号生成装置2で左右の目用にそれぞれ生成された画像信号と、受信したポインターの位置情報を合成して、立体撮像装置1で取得した対象物の立体画像とポインターの立体画像が重なった立体映像信号としてディスプレー4に表示させる。
ディスプレー4の表示面41には、第1の撮像装置11から供給される左目用の画像と第2の撮像装置12から供給される右目用の画像が両方表示されている。このような表示から立体像46を得るには、左目用の画像と右目用の画像を分離して、左目と右目で別々に見ることが必要になる。
また、ポインター42,43は、ポインターのある位置が近いほど大きく、遠いほど小さく表示して、距離感の直感的な把握を容易にするようにしてもよい。
なお、距離表示枠45は立体表示する必要がないので、平面的に表示するようにしてもよい。
図4に示すように、操作盤24には、シーソーキー31と、十字キー32と、いくつかの押しボタンスイッチ33,34,35と、ラチェットストップ付きバーニア36とが配置されている。操作の自由度を上げるため、トラッキングボール37や図示しないジョイスティックなどをさらに設けてもよい。
シーソーキー31は押し込み深さや押し込み継続時間によってポインターの運動方向と速度を指定するものであっても良い。
ラチェットストップ付きバーニア36は、操作盤24の側面に設けられ、立体ノギス像のアンビル38とスピンドル39を結ぶ方向を変えずに、距離を増減するために使用する。マイクロメータにおけるバーニアと同じ機能を担わせたものである。
また、トラッキングボール37は、立体表示したノギス像47のフレーム48の影が映像の観察に邪魔になるときに、立体表示したノギス像47の回転軸(Yn軸)を中心としてフレーム48を回転させるために使用するようにすることができる。
たとえば、図5は、ポインターが画面中の距離を変えずにY軸方向に移動したときに、立体ノギス像が変化する様子を説明する図である。また、図6は、立体撮影装置の第1の撮像装置と第2の撮像装置に対する基準図形の位置と表示大きさとの関係を説明する斜視図である。
図6に示すように、コンバージェンス点13の位置に、2つの撮像装置の光軸を含む面に垂直なコンバージェンス面18を想定する。ここで、第1の撮像装置11と第2の撮像装置12のたとえば主点14,15同士を結ぶ線を基準線19とし、基準線19からコンバージェンス面18までの距離をDcとする。
立体図形像22は、基準立体図形がコンバージェンス面18より撮像装置に近い位置にあるものとして表示されたときの像である。ここで、基準線19から立体図形像22に対応する基準立体図形までの距離をDsとすると、立体図形像22の大きさは、コンバージェンス面18にあるものとして表示される立体図形像21のDc/Ds倍に拡大して表示される。
したがって、距離あるいは間隔を測定する立体ノギスの像に対して上記説明の通り距離に従って大きさを変化させるようにして、測定対象に当てた立体ノギスの像を観察することにより、直感的に測定対象の奥行き位置を推察できるようにすることができる。
また、ポインターA,Bにラベルを付して、そのラベルの大きさを遠近に従って変更することも、対象の遠近を直感的に観察するために有効である。
たとえば、所定の形状をした基準の立体スケールを光軸上の適宜の位置に配置して実写することにより、撮影した位置すなわちY座標位置における画像中の立体スケール像の大きさが確定する。したがって、適当な範囲において、複数の異なる位置で撮影した結果を使って、使用範囲内の実物と映像の大きさの換算係数を求めることができる。なお、中間位置については補間計算により妥当な係数を得ることができる。
こうして得られた換算係数は、光学系の非線形性などの影響や不測の外乱も含めた結果であるので、実態と整合させるために複雑な補正演算を行う必要がない。
左目用撮像装置11の主点14と右目用撮像装置12の主点15を適宜の距離2dだけ離して左目用撮像装置11と右目用撮像装置12の位置が固定される。左右一対の立体画像は、両者の光軸がコンバージェンス点53で交差するようにした交差法により撮像される。
こうしてディスプレー4に表示された指示ポイントを両眼で立体視すると、第1のポインター42と第2のポインター43が立体映像中のそれぞれの実***置に存在するように見ることができる。
図7,図8に表された第1のポインター42が、図9に示す位置P(X,Y,Z)にあるとして、第1撮像装置11から第1のポインター42を見た視線をコンバージェンス点53におけるXZ面(コンバージェンス面:Y=L)に投影した点Clの座標が(Xl,L,Zc)となり、第2撮像装置12から第1のポインター42を見た視線をコンバージェンス面に投影した点Crの座標が(Xr,L,Zc)となるとする。ここで、第1撮像装置11と第2撮像装置12の主点間距離は2dであり、主点間接続線とコンバージェンス点53との距離はLである。
Y/L=2d/(2d+Xl−Xr)
相似比Y:Lの多数の相似三角形から、
Z/Zc=Y/L
X/(Xl+Xr)=Y/L
なる関係が成立することから、Cl(Xl,L,Zc)とCr(Xr,L,Zc)の座標が分かれば、簡単にP(X,Y,Z)の座標が求められることが分かる。
X=d(Xl+Xr)/(2d+Xl−Xr)
Y=2dL/(2d+Xl−Xr)
Z=2dZc/(2d+Xl−Xr)
すなわち、ポインターを立体視化するための左目用画像と右目用画像には、ポインターを見通すカメラの視線がコンバージェンス面(Y=L)に投影されたときの座標がCl(Xl,L,Zc)およびCr(Xr,L,Zc)として与えられるので、実体に対応するポインターの位置P(X,Y,Z)の座標が論理的に求められる。
ちなみに、Zc,Xl,Xrは下の式で求められる。
Zc=ZL/Y
Xl=(XL―d(L−Y))/Y
Xr=(XL―d(L+Y))/Y
したがって、ポインターの位置Pが与えられたときに、そのポインターを立体視させるための左目用画像と右目用画像を理想的に生成することができる。
なお、より現実的には、たとえば本願出願人が開示した特願2009−160664に記載された手法を用いて、基準パターンを実写した結果得られる座標空間で左右の画像を生成することもできる。
シーソーキー31は、たとえば、Y値を増減する指令をポインター像表示装置21に送信して、ポインターの位置をY軸方向に動かさせる機能を有する。また、十字キー32は、ポインター像表示装置21におけるX値とZ値をそれぞれ増減させて、ポインターの位置をX軸とZ軸の方向に移動させる機能を有する。
なお、上記手順では、第1ポインター42の位置を合わせるために、静置したカメラの画面中でポインターを動かしたが、カメラの画像中にポインター位置を固定して、カメラの撮影方向や対象までの距離を変化させて、第1ポインター42の位置合わせを行うこともできる。
第1ポインター42には、図3に示したようなマイクロメータ型の立体ノギス像47のアンビル38が当接して、第1ポインター42の移動に追従して立体ノギス像を移動あるいは変形させている。
第2ポインター43には、マイクロメータ型立体ノギス像47のスピンドル39が当接して、第2ポインター42が移動すると、これに追従して立体ノギス像を移動あるいは変形させている。
また、ポインター42,43の座標値は常時把握されているので、移動中においても距離演算装置23によって2つのポインターの間の距離を算定することができる。したがって、演算結果が立体映像信号生成装置3に送信され、ディスプレー4の表示面41における距離数値表示45に移動中における両者間の距離値が表示されるようにすることができる。
図10(a)に示した立体ノギスの左目用画像61は、第1撮像装置11で撮影した左目用映像と一体となって、ディスプレー4に表示されたときに人の左目で観察される部分となる。また、図10(b)の立体ノギスの右目用画像62は、第2撮像装置12で撮影した右目用映像と一体となって、ディスプレー4に表示されたときに人の右目で観察される部分となる。
なお、ここでは、2つの撮像装置の主点の中点に原点を置いた直交座標系を使って説明をしているが、座標変換可能な他の座標系を使う場合でも、本質的に等価であることはいうまでもない。
立体ノギスを使用するのに先立って、ノギスを当てる対象となる被測物の立体撮影を行う(S01)。立体撮影は、第1撮像装置11と第2撮像装置12により、左眼用の画像と右眼用の画像を取得する作業である。撮像装置はビデオカメラであってもよい。取得した左眼用画像と右眼用画像は、立体表示のための処理を行ってディスプレー4上に表示する(S02)。ディスプレー4に表示された被測物は、立体視用眼鏡を使うなど立体視化手法に従って、画像中に立体として観察できる。
第1ポインター42の位置確定は、図12に示す手順に従って行われる。まず、ポインター像表示装置21が、第1ポインター42と第2ポインター43の位置をディスプレー4の画面41中に表示させる(S11)。立体ノギス像として、第1ポインター42と第2ポインター43の位置にアンビルとスピンドルとを適宜対応させた立体ノギスの形状模写像を表示してもよい。なお、立体ノギス像は、コンピュータグラフィックスの技法を使って大きさや姿勢を実態に合わせて立体的に表示することが好ましい。
スイッチ類から出力される指令信号はポインター像表示装置21に伝送されて、指令通りにポインターの位置を変化させる。ポインターの位置情報は立体映像信号生成装置3に伝送され、立体視用画像に組み込まれて、ディスプレー4に表示される。
立体ノギス像が表示されているときは、第1ポインター42の移動につれて対応するアンビルの部分も移動する。なお、ディスプレー4に表示されるアンビルの部分は、第1ポインター42のY座標値に応じて大きさが変化する。
これにより、図11に示す、第1ポインター42の位置確定ができる(S03)。位置確定した第1ポインター42の位置に、ピンの像を立てて目印にしても良い。また、立体ノギス像が表示されているときは、第1ポインター42の位置が確定したときに、立体ノギス像のアンビルの位置が確定する。
立体ノギス像が表示されているときは、第2ポインター42の移動につれてスピンドルの部分も移動する。なお、ディスプレー4に表示されるスピンドル部分の大きさは、第2ポインター43のY座標値に応じて変化する。
ここで表示される距離は、座標値から実寸に換算された実体距離とすることができる。
また、立体ノギス像形成装置の適用先として、交差法配置された立体撮像装置を挙げているが、平行法配置の立体撮像装置においても、立体ノギス像の三次元位置を適宜に調整することにより、本発明の立体ノギス像形成装置を適用することができる。
2 画像信号生成装置
3 映像信号生成装置
4 ディスプレー
5 立体ノギス像生成装置
11 第1の撮像装置
12 第2の撮像装置
13 コンバージェンス点
14,15 主点
16 内視鏡先端筒
18 コンバージェンス面
19 基準線
21 ポインター像表示装置
22 座標演算装置
23 距離演算装置
24 操作盤
25 記憶装置
31 Y軸用シーソースイッチ
32 十字キー
33 押しボタンスイッチ
34 押しボタンスイッチ
35 押しボタンスイッチ
36 ラチェット付きバーニア
37 トラッキングボール
38 アンビル
39 スピンドル
41 表示画面
42 ポインター像
43 ポインター像
44 結合線
45 距離数値表示
46 対象物像
47 立体ノギス像
48 フレーム
49 ラチェット付きバーニア
51,52 光軸
53 コンバージェンス点
54 コンバージェンス面
55 立体表示領域水平境界
56 立体表示領域垂直境界
57 観測点
61 左目用の画像
62 右目用の画像
63,64,65,66 表示された点
Claims (8)
- 第1の撮像装置と第2の撮像装置とを備えた立体撮像装置と、画像信号生成装置と、立体映像信号生成装置と、ディスプレーと、を備えた立体映像表示装置において、
前記ディスプレーに表される立体画像中に表示されるポインターの位置を指定する操作端を備える操作盤と、
前記ポインターの位置情報を生成して供給するポインター像表示装置と、
前記ポインターの位置情報を入力して前記立体撮像装置に固定される座標系であって、前記第1の撮像装置の光軸と前記第2の撮像装置の光軸が交差する角を2等分する2等分線を1つの座標軸とする直交座標系において該ポインターの3次元位置を表す座標値を算定する座標演算装置と、
前記立体画像中の2つのポインターについて算定された座標値に基づいて該2つのポインター間の実体距離値を算定して供給する距離演算装置と、
を備え、
前記立体映像信号生成装置が、前記ポインターの位置情報を入力して前記第1の撮像装置による画像と前記第2の撮像装置による画像のそれぞれにポインターの像を加えた画像信号を生成して前記ディスプレーに伝達し、前記2つのポインターの間の実体距離値を入力して数値表示する画像信号を生成して前記ディスプレーに伝達し、
前記ディスプレーが前記ポインターの像と前記2つのポインター間の実体距離値を表示する
立体映像表示装置の立体ノギス像形成装置。 - 前記第1の撮像装置による画像と前記第2の撮像装置による画像のそれぞれにおけるポインターの立体像位置は、前記第1の撮像装置と前記第2の撮像装置の光軸の交点であるコンバージェンス点における前記1つの座標軸に垂直なコンバージェンス面を、前記ポインターがあるべき位置に向けた前記第1の撮像装置の視線が通過する点の座標と前記ポインターに向けた前記第2の撮像装置の視線が通過する点の座標によりそれぞれ指定することを特徴とする請求項1記載の立体ノギス像形成装置。
- さらに、前記2つのポインターの位置を測定長の端点とする立体ノギス像を表示する画像信号を形成して供給する立体ノギス像表示装置を備えて、
前記立体映像信号生成装置が、前記立体ノギス像を表示する画像信号を入力して前記第1の撮像装置による画像と前記第2の撮像装置による画像のそれぞれに該立体ノギス像を加えて表示する画像信号を生成して前記ディスプレーに伝達し、
前記ディスプレーが該立体ノギス像を3次元表示すること
を特徴とする請求項1または2記載の立体ノギス像形成装置。 - 前記操作盤は、映像中の前記ポインターの位置を前記2つの撮像装置の光軸の交点の位置に移動させる操作端を備えることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の立体ノギス像形成装置。
- 前記第1の撮像装置と第2の撮像装置は、立体内視鏡のカメラである、請求項1から4のいずれか1項に記載の立体ノギス像形成装置。
- 請求項5記載の立体ノギス像形成装置を備えた立体内視鏡装置。
- 第1の撮像装置と第2の撮像装置とを備えた立体撮像装置と、画像信号生成装置と、立体映像信号生成装置と、ディスプレーとを備えた立体映像表示装置に適用する、ポインター像の位置を立体画像中で移動させる操作端を有する操作盤とコンピュータとを備えた立体ノギス像形成装置において、
該コンピュータを、
前記立体映像信号生成装置にポインターの位置情報を供給して、前記第1の撮像装置による画像と前記第2の撮像装置による画像のそれぞれにポインターの像を加えさせて該ポインターの位置を前記ディスプレーに3次元で表示させるポインター像表示手段と、
前記操作盤の操作端から入力される信号に基づいて、前記ポインターの位置を前記ディスプレーに表される立体画像中で移動させる手段と、
前記ポインターの3次元位置を立体撮像装置に固定される座標系であって、前記第1の撮像装置の光軸と前記第2の撮像装置の光軸が交差する角を2等分する2等分線を1つの座標軸とする直交座標系の座標で表す座標演算手段と、
前記立体画像中の2つのポインターについて指定された座標に基づいて該2つのポインターの間の実体距離を算定して前記映像信号生成装置に伝達して、前記ディスプレーに該実体距離を数値表示させる距離演算手段として機能させるためのプログラム。 - 前記ポインター像表示手段は、前記ポインターの位置を測定長の端点とする立体ノギス像を形成して前記ディスプレーに3次元で表示させることを特徴とする請求項7記載のプログラム。
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