(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
無光沢黒色の遮光箱内に直線偏光の照明光源と、レンズ前または撮像素子前に直線偏光素子を装着した撮影装置と、被写体を載置した無光沢黒色の被写体置き台とを固定配置した、被写体映像から被写体表面での照明光源の映り込みおよび／または被写体周囲の映り込みを除去する撮像装置であって、
前記照明光源により直線偏光を被写体に照射し、前記撮像装置に装着した直線偏光素子の偏光面を変化させつつ被写体の撮像を行なうとともに、その撮影映像被写体の各位置での最小輝度値を記録し、それらの記録された最小輝度値を収集して最終撮像映像とするように構成したことを特徴とする映り込み防止形撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、直線偏光の光源を用い、レンズ前または撮像素子前に装着した直線偏光素子の偏光面を変化させつつ撮影を行う、被写体表面での鏡面反射光および／または被写体の周囲の映り込みを防止した撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータグラフィックス（以下ＣＧと称す）による映像制作では仮想空間に形状情報と表面模様情報から成るＣＧモデルを配置し、仮定した任意の視点から見込まれる映像を生成する。実在する物体からのＣＧモデルデータを作成する場合、形状情報は３次元ＣＡＤを用いて手入力するかレンジファインダ等を用いて行う。一方、表面模様情報はカメラ映像などから作成する。しかし計測時固有の照明に起因するハイライト部の妨害や周囲の映り込みにより容易に表面情報は取得できない。
【０００３】
このうちハイライト部は光沢のある被写体で顕著に現れるもので、照明が被写体表面に写り込んで起こる現象である。この問題は現状では照明の配置を工夫したり、被写体表面に艶消しの効果のある透明塗料を塗布したりすることで抑制する場合もあるが不完全である。この問題に対する研究分野では受動的な手法を中心にいくつか研究がなされている。例えば、文献、岩瀬ら：“映り込み分離カメラシステム”，映像情報メディア学会技術報告，Vol.２１，No. ６，pp６９−７６（１９９７）がある。これは以下に述べる原理に基づいている。
【０００４】
照明下での被写体表面各部での反射光は拡散反射光、鏡面反射光によるもので、ハイライト部分では光源の映り込みつまり鏡面反射光成分が支配的となる。この鏡面反射光は図３に示すように光の入射角によって反射の様子が異なる。すなわち図３は照明光の被写体表面での反射の偏光面毎の振る舞いを説明する図で、図３（ａ）は照明入射角θ1 が偏光角（入射波の進行方向と入射点に立てた法線を含む面、すなわち入射面に平行方向に振動する直線偏光、すなわちｐ偏光の反射率が０になる入射角）θ0 より小さい場合、同図（ｂ）は入射角θ1 が偏光角θ0 に等しい場合、同図（ｃ）は入射角θ1 が偏光角θ0 より大きい場合の被写体表面での振る舞いをそれぞれ示している。
【０００５】
図３の各記号はそれぞれ以下の如きものである。
Ｋi ：入射光ベクトル  Ｋr ：反射光ベクトル
θ1 ：入射角  θ0 ：偏光角
Ｅoi：入射光電界ベクトル
（Ｅoi）p ：入射光電界ベクトルのｐ波成分
（Ｅoi）s ：入射光電界ベクトルのｓ波成分
Ｅor：反射光電界ベクトル
（Ｅor）p ：反射光電界ベクトルのｐ波成分
（Ｅor）s ：反射光電界ベクトルのｓ波成分
ｐ波成分：入射面に平行方向に振動する直線偏光波成分
ｓ波成分：入射面に垂直方向に振動する直線偏光波成分
【０００６】
また、図４はガラス面での光の反射係数の光の入射角依存性を示す図で、ｎ１，ｎ２はそれぞれ空気およびガラスの屈折率、破線および実線にて示した特性曲線はそれぞれｐ波、ｓ波の反射係数である。図３、図４より明らかなごとく照明入射角θ１を偏光角θ０の近傍に選ぶことで、その境面反射光のｐ波成分が減衰あるいは消失することを特徴とする請求項がわかる。
【０００７】
この原理を利用してカメラレンズ前に直線偏光フィルタを設けハイライト部の鏡面反射光が最小となるように直線偏光フィルタを回転し撮影を行う。特にショーウインドウのガラスに映り込んだ景色や、水面に映り込んだ青空の様に対象物が平面なものには有効である。この従来技術例では、直線偏光フィルタを回転させつつ撮影した画像から、画像の各位置での最小輝度値を求める。この最小輝度値を画像全体で集めハイライトを抑制している。
【０００８】
しかし、この手法では完全に鏡面反射光を除去できない。なぜならば、一般的な被写体は表面形状が一様ではない。そのため、画像全般にわたって照明光の入射角が偏光角θ0 とはできない。その結果、照明光の入射角が偏光角と一致しない部位では反射光の偏光面が分散する。よって反射光を直線偏光フィルタを用いて撮影しても完全に鏡面反射光を取り除くことは出来ない。また、被写体の素材毎に偏光角θ0 は異なるため試行錯誤の必要な煩雑な作業が必要となる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来手法はカメラ、照明が常に照明入射角θ1 を被写体の素材に依存する偏光角θ0 となるように配置する必要があるため、計測を開始する前に行う照明あるいはカメラの位置決めが非常に煩雑となる。さらに、対象となる凹凸のある被写体に対しては一様な抑制は望めない。また、被写体の素材毎に照明あるいはカメラ位置を調整しなければならないので照明光源、撮影装置、被写体を載置した被写体置台を遮光箱内に固定して取り付けることが出来ない。
【００１０】
そこで本発明の目的は、上記問題点の解決が可能で、前記照明光源、撮影装置および被写体置き台などすべてを前記遮光箱内に固定可能で、配置の容易な映り込み防止形撮像装置を提供せんとするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため本発明映り込み防止形撮像装置は、無光沢黒色の遮光箱内に直線偏光の照明光源と、レンズ前または撮像素子前に直線偏光素子を装着した撮影装置と、被写体を載置した無光沢黒色の被写体置き台とを固定配置した、被写体映像から被写体表面での照明光源の映り込みおよび／または被写体周囲の映り込みを除去する撮像装置であって、前記照明光源により直線偏光を被写体に照射し、前記撮像装置に装着した直線偏光素子の偏光面を変化させつつ被写体の撮像を行なうとともに、その撮影映像被写体の各位置での最小輝度値を記録し、それらの記録された最小輝度値を収集して最終撮像映像とするように構成したことを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明装置は、照明光源に直線偏光を用いて画像を計測している点に特徴がある。
鏡面反射により入射光のｓ波、ｐ波の位相は変らないか１８０度しか変化しないことから光源に直線偏光を用いた場合、図５の鏡面反射光２２は入射角θ1 が何れの場合でも被写体表面の各部位毎に特定の偏光面の直線偏光となる。一方、被写体模様である拡散反射光２３は、図５のように被写体２４内部に入射（屈折）２１し色素成分２５で反射を繰り返し再び被写体外部へ放出されるため偏光面が分散する。したがって、偏光フィルタにより反射光に含まれる特定の偏光面の直線偏光成分を除去すればハイライト部分から拡散反射光成分を抽出できる。
【００１３】
以上の条件は被写体撮影画像中で一様に成立するが、凹凸の被写体の場合、被写体の部位毎に照明の入射角は異なる。よって、被写体表面での鏡面反射光の偏光面は被写体表面の部位毎に異なる。そこで、本発明では、カメラ手前の偏光フィルタを回転させつつ撮影を行い、被写体画像の各位置での最小値を記録することで画像中で一様に鏡面反射光を除去することができる。
【００１４】
以下添付図面を参照し実施例により本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明実施例の構成略線図である。この構成図が示すように本実施例は遮光箱９、被写体置き台５、照明用光源３、照明用偏光フィルタ１、撮像部１０、画像処理部６で構成されている。
【００１５】
遮光箱９は内壁が無光沢黒色に塗装してある。この内壁が光沢がある場合内壁面で照明光が反射し被写体に照射されてしまう。この内壁で鏡面反射された光は照明から直接照射される直線偏光と偏光面が一致するとは限らないし、被写体表面に対する入射角も一致するとは限らない。そのため確実な映り込み除去ができない。また、内壁が黒色でない場合も照明光が内壁面で拡散反射され被写体に照射されてしまう。この内壁で拡散反射した光も照明から直接照射される直線偏光と偏光面が一致するとは限らないし、被写体表面に対する入射角も一致するとは限らない。そのため確実な映り込み除去ができない。これらの理由から遮光箱の内壁は照明光を反射しない無光沢黒色に塗装してある。内部下部には固定式あるいは回転式被写体置き台５が設置してある。この被写体置き台も同様に反射しないよう無光沢黒色に塗装してある。この実施例では凹凸のある物体を被写体４とし、被写体置き台５に置き計測する。
【００１６】
照明用光源３はテレビ撮影用照明とし、前面に直線偏光フィルタである照明用偏光フィルタ１を取り付けてある。この取り付けの際、照明用光源３が照明用偏光フィルタ１を通過せず被写体に照射されないように遮光箱との間で隙間を作らないようにする。撮像部１０はＮＴＳＣビデオカメラとカメラ光軸上に取り付けた直線偏光フィルタ２とこの直線偏光フィルタをカメラ光軸を中心に回転させる偏光面変更用ステッピングモータ８から構成されている。画像処理部６は撮像部１０から得られるカメラ光軸上の直線偏光フィルタ２を変化させて撮影した複数画像から、画像の各位置毎の輝度最小値を集める処理を行う。
【００１７】
図２に画像処理部６のブロック線図を示す。画像処理部には４つの画像蓄積部を設けてある。そのうち２系統は横６４０画素×縦４８０画素分の容量で、１画素あたり赤８ビット、緑８ビット、青８ビットのディジタルデータが記録読み出しが可能なもので、それぞれ最終画像蓄積部１６と第１画像蓄積部１３と呼ぶ。残りの２系統は横６４０画素×縦４８０画素分の容量で、１画素あたり８ビットのディジタルデータが記録読み出し可能なものであり、それぞれ第２画像蓄積部１４と第３画像蓄積部１５と呼ぶ。ここで、蓄積部のデータは各８ビットで明るいほど大きな値を持つ。０が最も暗く、２５５が最も明るい。
【００１８】
ここで画像処理の流れを説明する。まず、画像処理部内シーケンサ部１１の指示で計測の最初に第３画像蓄積部１５は画素の輝度値として２５５の値が全座標に入れられる。次にシーケンサ部１１の指示により撮像部１０カメラ前の偏光フィルタ２の偏光面変更用ステッピングモータ８の初期化を行い、現在のカメラ前の偏光フィルタの偏光面をフィルタ角度０度とする。この角度はカメラ側から見て左回りで正方向とする。画像１枚を入力する毎にシーケンサ部１１の指示によりカメラ前偏光フィルタ２の偏光面変更用ステッピングモータ８で任意の刻み角度ずつフィルタ角度を増やしていく。この刻み角度は小さいほど計測誤差が少なくなるが、この実施例では１度とした。
【００１９】
本実施例では一枚の画像を撮影する毎にシーケンサ部１１の指示により同じ処理を繰り返す。以下はその繰り返し処理の内容である。
（ａ）入力された被写体のＮＴＳＣビデオ画像を赤、緑、青の各色ごとにアナログディジタル画像信号変換部１２でアナログ信号からディジタル信号に変換し第１画像蓄積部１３に記録する。
（ｂ）第１画像蓄積部１３の赤、緑、青からなる各画素の値からカラー画像モノクロ画像変換部１７により輝度値を算出し、第２画像蓄積部１４の対応する座標にこの算出値を記録する。
（ｃ）第２画像蓄積部１４の全て座標に画素の値が記録されたら、その値と第３画像蓄積部１５の同じ座標の値を輝度値比較部１９により各座標毎に全画素を比較し、第２画像蓄積部１４の値の方が同じか小さければ最小輝度値記録部１８に指示し、その値を第３画像蓄積部１５に記録すると同時に該当する座標の第１画像蓄積部１３の赤、青、緑のディジタルデータを最終画像蓄積部１６の対応する座標に記録する。
（ｄ）フィルタ角度が１８０度未満ならフィルタ角度を１度増やし、（ａ）の処理へもどる。フィルタ角度１８０度以上ならば繰り返し処理を終える。
繰り返し処理後の最終画像蓄積部１６のデータを鏡面反射光を取り除いた画像とする。
【００２０】
以上が本実施例であるが、フィルタ角度を変化させ最小値を求める手法は本実施例の方法だけではなく、文献、熊木ら：“実物体と映り込みの分離方法”，Vol.９５，No. １０８，ＣＶ−９７，pp３１−３７（１９９５）、の様にフィルタ角度を横軸に該当画素の輝度値を縦軸に取った場合にそのグラフが正弦波状になることを利用し高速に計測する手法も有効であり、本発明ではこの最小値を求める手法を限定するものではない。また、被写体画像撮影部にＮＴＳＣビデオカメラを用いているが、本発明は画像の入力形式を限定するものではなく、ＨＤＴＶビデオカメラ等の高解像度のものやそれ以下の低解像度のものでも本発明は有効である。ただし、その場合画像記録部の画素数を入力画像の解像度に対応させておく必要がある。また、本実施例ではカラー画像からモノクロ画像に変換した上で輝度値を比較しているが、赤、緑、青各成分ごと、あるいは波長毎に比較し、最小輝度値を求める手法も有効である。
【００２１】
本実施例で計測した結果、従来手法と比較して明らかに簡易な作業で照明、被写体、カメラを設置でき、被写体全般で一様に鏡面反射光を取り除きつつ計測可能であることが確認できた。
【００２２】
【発明の効果】
以上の手順で、明らかなように、本発明装置によれば、これまでの手法の欠点を解決する次のような効果を奏することができた。すなわち、本発明により、照明、測定器、被写体の配置、被写体の材質に拘束条件がなく凹凸のある被写体も一様に鏡面反射光を除去し計測できる。したがって、照明、被写体、撮影装置を遮光箱内に固定設置でき簡易に計測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明一実施例の構成略線図。
【図２】本発明実施例の画像処理部のブロック線図。
【図３】照明光の被写体表面での反射の偏光面毎の振る舞いを説明する図。
【図４】照明光の入射角に依存した被写体表面でのｓ波、ｐ波の反射係数を説明する図。
【図５】被写体が拡散反射光を生ずる原理を説明する図。
【符号の説明】
１  照明用偏光フィルタ
２  撮影用偏光フィルタ
３  照明用光源
４，24  被写体
５  被写体置き台
６  画像処理部
７  ビデオカメラ
８  ステッピングモータ
９  遮光箱
10  撮像部
11  シーケンサ部
12  Ａ／Ｄ変換部
13  第１画像蓄積部
14  第２画像蓄積部
15  第３画像蓄積部
16  最終画像蓄積部
17  カラー画像モノクロ画像変換部
18  最小輝度記録部
19  輝度値比較部
21  入射光
22  鏡面反射光
23  拡散反射光
25  色素成分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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