(57)【要約】【課題】カメラ数の増加を抑えつつ超広視野撮像および３次元情報の取得が可能な撮像装置を提供する。【解決手段】撮像装置は、複数の撮像光学系を通した撮像により互いに連続する撮像領域の画像を取得する。複数の撮像光学系は、周方向における複数の第１の位置に径方向外側を向くように配置された複数の第１の光学系Ｃｏｎと、周方向における複数の第２の位置に径方向内側を向くように配置された複数の第２の光学系Ｃｉｎとを含む。【選択図】図１
2018180076.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の撮像光学系を通した撮像により互いに連続する撮像領域の画像を取得する撮像装置であって、
前記複数の撮像光学系は、
周方向における複数の第１の位置に径方向外側を向くように配置された複数の第１の光学系と、
前記周方向における複数の第２の位置に径方向内側を向くように配置された複数の第２の光学系とを含むことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記複数の第１の位置と前記複数の第２の位置とが前記周方向において互いに同じであることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記複数の第１の位置と前記複数の第２の位置とが前記周方向において互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記周方向における前記複数の第１の光学系のそれぞれの画角の和が３６０°以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記周方向における前記複数の第２の光学系のそれぞれの画角の和が３６０°以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記周方向における前記複数の第２の光学系のそれぞれの画角が１８０°以上であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記複数の第１の光学系の数と前記複数の第２の光学系の数とが互いに同じであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記複数の第１の光学系の数と前記複数の第２の光学系の数が４の倍数であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記複数の第１の光学系よりも前記径方向内側に前記複数の第２の光学系が配置されていることを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記複数の第１の光学系と前記複数の第２の光学系とが前記周方向に対して垂直な方向にシフトした位置に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記複数の第１の光学系のそれぞれに対して、前記複数の第２の光学系が前記周方向に隣接して配置されていることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
【請求項１２】
前記第１の光学系と前記第２の光学系とが前記周方向に交互に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全方位撮像やパノラマ撮像等の超広視野撮像に好適な撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のような超広視野撮像は、監視、ＴＶ会議、医療用内視鏡および科学的測量等の様々な分野で行われている。超広視野撮像を行うための方法として、複数のカメラで得られる複数の撮像画像を連続した１つの画像となるように繋ぎ合わせる技術が知られている。特許文献１には、隣接するカメラの画角間に隙間がないように円周方向に外向き放射状に複数のカメラを配置したカメラシステムが開示されている。このカメラシステムによれば、３６０°の画角を分割して同時に撮像し、得られた複数の画像を繋ぎ合わせることで２次元の全方位画像を取得することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−０６１８０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
最近では３次元情報の取得まで可能なカメラが要求されている。例えば、被写体に向けた２つのカメラを間隔をあけて配置しつつ画角を重ねて撮像を行うことで得られた２つの画像間の視差情報を用いることで被写体の距離を算出することができる。しかしながら、特許文献１にて開示されたカメラシステムでは、複数のカメラを外向き放射状に配置しているため、隣り合うカメラ間で画角を重ねるためにはカメラ数を増やす必要がある。特に、至近距離で画角を重ねるためにはかなり多くのカメラ数が必要となる。
【０００５】
本発明は、カメラ数の増加を抑えながら、至近距離から無限遠距離までの広い距離領域で超広視野撮像および３次元情報の取得が可能な撮像装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面としての撮像装置は、複数の撮像光学系を通した撮像により互いに連続する撮像領域の画像を取得する。複数の撮像光学系は、周方向における複数の第１の位置に径方向外側を向くように配置された複数の第１の光学系と、周方向における複数の第２の位置に径方向内側を向くように配置された複数の第２の光学系とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、撮像光学系の数の増加を抑えながらも、至近距離から無限遠距離までの広い距離領域での超広視野撮像および３次元情報の取得が可能な撮像装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施例１であるカメラシステムを示す図。
【図２】一般的な３次元測定を行うための構成を示す図。
【図３】実施例１のカメラシステムの外カメラの撮像領域を示す図。
【図４】実施例１のカメラシステムの内カメラの撮像領域を示す図。
【図５】実施例１のカメラシステムの内カメラの撮像領域を示す別の図。
【図６】実施例１における内カメラの画角の変更を示す図。
【図７】本発明の実施例２であるカメラシステムを示す図。
【図８】本発明の実施例３であるカメラシステムを示す図。
【図９】本発明の実施例４であるカメラシステムを示す図。
【図１０】本発明の実施例５であるカメラシステムを示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１０】
本発明の実施例１の撮像装置としてのカメラシステムは、水平周方向に複数配置されたカメラを用いて３６０°連続した撮像領域の撮像である全方位撮像を行う。以下の説明において水平周方向に対する径方向外側（無限遠方向）を単に外側といい、径方向内側を単に内側という。
【００１１】
また、本実施例および後述する実施例におけるそれぞれのカメラは、光学像を形成する撮像光学系と該光学像を光電変換する撮像素子とを少なくとも有する。しかし、カメラに代えて撮像光学系を複数配置し、これら撮像光学系により形成された光学像を光電変換する図外の撮像素子（複数でも１つでもよい）を用いてカメラシステムを構成してもよい。
【００１２】
図１は、本実施例のカメラシステムを鉛直線方向の上側から見た図である。カメラシステムは、外側を向いたカメラ（以下、外カメラという）Ｃｏｎと内側を向いたカメラ（以下、内カメラという）Ｃｉｎであってそれらの光軸が同一直線上に位置する一組のカメラが水平周方向において９０°等間隔で４組配置されて構成されている。ｎは１〜４を意味する。つまり、本実施例のカメラシステムは、外カメラＣｏ１、Ｃｏ２、Ｃｏ３およびＣｏ４と、内カメラＣｉ１、Ｃｉ２、Ｃｉ３およびＣｉ４を有する。各カメラとそのカメラに対して９０°異なる位置に配置されたカメラとを互いに隣り合うカメラという。
【００１３】
外カメラＣｏｎが有する撮像光学系が第１の光学系に相当し、内カメラＣｉｎが有する撮像光学系が第２の光学系に相当する。
【００１４】
図では、点Ｏを中心として水平周方向に延びる円Ｓにそれぞれの組の外カメラＣｏｎが内接するように配置されている。以下の説明において、これら４組（合計８つ）の外内カメラＣｏｎ，Ｃｉｎをまとめて外内カメラ群ともいう。また、外カメラＣｏｎは画角Ｗｏｎ（Ｗｏ１、Ｗｏ２、Ｗｏ３およびＷｏ４）を有し、内カメラＣｉｎは画角Ｗｉｎ（Ｗｉ１、Ｗｉ２、Ｗｉ３およびＷｉ４）を有する。外カメラＣｏｎの位置が第１の位置に相当し、内カメラＣｉｎの位置が第２の位置に相当する。
【００１５】
なお、図１のカメラシステムでは、４組の外内カメラＣｏｎ，Ｃｉｎを水平周方向にて等間隔かつ外カメラＣｏｎが同一円に内接するように配置されている。しかし、外内カメラＣｏｎ，Ｃｉｎの組数や配置は図１に示したものと異なっていてもよい。さらに、４組の外内カメラＣｏｎ，Ｃｉｎは、鉛直線方向視において水平周方向に配置されていれば必ずしも同一水平面内に位置していなくてもよく、鉛直線方向（高さ方向）での位置が異なっていてもよい。
【００１６】
本実施例のカメラシステムは、該カメラシステムより外側の領域、すなわち円Ｓより外側の領域の被写体を撮像して得られる複数の画像を利用して全方位における空間情報を得る。
【００１７】
ここで、本実施例のカメラシステムにより得られる空間情報について説明する。本実施例にいう空間情報は、２次元以上の情報である。カメラシステムは、最終的に得たい情報が２次元情報であればそれを全方位画像として出力することができ、３次元情報であればそれを距離マップとして出力することができる。それ以上の次元の空間情報として、例えば光線情報として該光線の波長の情報や偏光状態の情報を加えてもよい。光線情報は、物体での反射光線や発光体から直接発せられる光線の情報であってもよい。そして、本実施例では、これら光線が発生する座標（距離）情報とその光線の波長情報、具体的には３次元距離情報とＲＧＢ色情報とを合わせた３次元空間情報を取得する。
【００１８】
空間情報から３次元空間情報を得る原理について図２を用いて説明する。図２は一般的な３次元測定を行うステレオカメラの構成を示す。互いに離れた位置に並んで配置されたカメラＣ１，Ｃ２の撮像により互いに視差を有する一組の視差画像が得られ、その視差の大きさを奥行き情報に変換することで３次元距離情報が得られる。図２の例では、カメラＣ１の画角Ｗ１とカメラＣ２の画角Ｗ２とが重なり合う最もカメラＣ１，Ｃ２に近い点Ｐ１を至近点とし、そこから無限遠方向に向かって画角Ｗ１，画角Ｗ２が重なり合う領域Ｚ１にて３次元距離情報を得ることができる。
【００１９】
次に、図１に示したカメラシステムの撮像領域について、図３〜図５を用いて説明する。図３は、互いに隣り合う外カメラＣｏ１，Ｃｏ２の撮像領域を示している。図４（ａ）は、内カメラＣｉ３の撮像領域を示している。各内カメラＣｉｎは実際には円Ｓの内側も撮像可能ではあるが、ここでは円Ｓの外側における撮像領域について説明する。本実施例では、４つの外カメラＣｏｎは光学仕様が互いに同じカメラである。また、４つの内カメラＣｉｎも光学仕様が互いに同じカメラである。ただし、外カメラＣｏｎと内カメラＣｉｎの光学仕様は互いに異なる。
【００２０】
また本実施例では、４組の外内カメラＣｏｎ，Ｃｉｎが点Ｏを中心とした９０°ごとの回転対称の関係にあり、外カメラＣｏｎ同士と内カメラＣｉｎ同士とがそれぞれ同じ光学仕様を有するため、ここでは３６０°の撮像領域のうち９０°の部分のみを説明する。他の２７０°の部分についてもこの９０°の部分と同様である。
【００２１】
図３において、外カメラＣｏ１，Ｃｏ２の画角Ｗｏ１，Ｗｏ２はいずれも１８０°以下である。外カメラＣｏ１，Ｃｏ２の撮像領域はそれぞれ、これら外カメラＣｏ１，Ｃｏ２の画角Ｗｏ１，Ｗｏ２のうち正面の領域であるＺＡ１，ＺＡ２と、両外カメラＣｏ１，Ｃｏ２の画角が重なり合う領域であるＺＢとに分けられる。外カメラＣｏ１，Ｃｏ２の撮像領域の間の領域ＺＣは、外カメラＣｏ１，Ｃｏ２によっては撮像が不可能な領域である。
【００２２】
撮像領域ＺＡ１は外カメラＣｏ１の画角には含まれるが、他の３つの外カメラＣｏ２〜Ｃｏ４の画角には含まれない領域である。すなわち、領域ＺＡ１は、４つの外カメラＣｏ１〜Ｃｏ２のうち外カメラＣｏ１でのみ撮像が可能な領域である。このため、視差画像を得るためには、この領域ＺＡ１は少なくとも１つの内カメラＣｉｎの画角に含まれる必要がある。外カメラＣｏ２の撮像領域ＺＡ２についても同様である。
【００２３】
一方、撮像領域ＺＢは、外カメラＣｏ１，Ｃｏ２のいずれの画角にも含まれる領域であり、他の２つの外カメラＣｏ３，Ｃｏ４の画角には含まれない領域である。このため、外カメラＣｏ１，Ｃｏ２のみで視差画像が得られる領域である。また、領域ＺＣはいずれの外カメラＣｏｎの画角にも含まれない領域である。このため、領域ＺＣにおいて視差画像を得るためには、この領域ＺＣが少なくとも２つの内カメラＣｉｎの画角に含まれる必要がある領域である。
【００２４】
図４（ａ）は、上述したように内カメラＣｉ３の撮影領域を示している。図４（ｂ）は、４つの内カメラＣｉ１〜Ｃｉ４の遠方までの撮影領域のうち上記９０°の部分を示している。内カメラＣｉｎの画角Ｗｉｎは１８０°以上である。
【００２５】
図４（ａ）に示すように、内カメラＣｉ３は、他の外内カメラＣｏｎ，Ｃｉｎ（ｎ＝１，２，４）の存在による死角領域を除く撮像領域ＺＤで撮像することができる。本実施例のように、一組の内カメラＣｉｎと外カメラＣｏｎの光軸が同一直線上に位置することで、内カメラＣｉ３に対向する外内カメラＣｉ１，Ｃｏ１による死角領域を少なくすることができる。
【００２６】
図４（ｂ）は、内カメラＣｉ１〜Ｃｉ４の遠方までの撮像領域を内カメラごとの撮像領域に異なる模様を付して示している。領域ＺＥは空白となっており、内カメラＣｉｎでは撮像が不可能な領域である。ただし、領域ＺＥは図３に示した領域ＺＢには含まれるため、外カメラＣｏ１，Ｃｏ２のみで視差画像が得られる領域である。図４（ｂ）における領域ＺＥ以外の領域については、至近側の撮像領域を除くと、少なくとも１つの内カメラＣｉｎの画角に入るため、外カメラＣｏｎと合わせて２つ以上のカメラで視差画像を得ることができる領域である。至近側の撮像領域について以下に説明する。
【００２７】
図５は、４つの内カメラＣｉ１〜Ｃｉ４の至近側の撮像領域のうち上記９０°の部分を示している。図３に示した領域ＺＣは、３つの領域ＺＣ１と２つの領域ＺＣ２に分割される。領域ＺＣ１は内カメラＣｉ１〜Ｃｉ４のうち２つの内カメラＣｉｎの画角に入る領域を示し、領域ＺＣ２は３つの内カメラＣｉｎの画角に入る領域を示す。このことから、図３に示した領域ＺＣについても２つ以上のカメラで視差画像を得ることができる領域である。
【００２８】
一方、図５中の領域ＺＦはいずれの内カメラＣｉｎの画角にも含まれない領域である。領域ＺＦは、図３に示した外カメラＣｏ１の撮像領域ＺＡ１に含まれるのみであるため、この領域ＺＦについては視差画像を得ることができない。ただし、領域ＺＦは外カメラＣｏ１に近接したきわめて狭い最至近領域であり、その領域ＺＦにおいて外カメラＣｏ１から最も離れた点であるものの外カメラＣｏ１に近い点Ｑ１より外側のすべての領域で視差画像を得ることができる。
【００２９】
このように本実施例では、外カメラＣｏｎの最至近部を除くすべての水平領域で視差画像を得ることができるが、そのために満足すべき条件について図６を用いて説明する。図６は、内カメラＣｉ２〜Ｃｉ４の画角が１８０°以上の場合と内カメラＣｉ２，Ｃｉ４の画角が１８０°未満の場合とを示している。１８０°以上の画角をＷｉｎ（ｎ＝２〜４）とし、１８０°未満の画角をＷｊｎ（ｎ＝２，４）とする。ともに１８０°未満である内カメラＣｉ２の画角Ｗｊ２の外縁と内カメラＣｉ４の画角Ｗｊ４の外縁は外側に行くほど互いに接近していき、点Ｑ２で交差する。点Ｑ２よりも外側の領域ＺＧは、内カメラＣｉｎでは撮像が不可能な領域である。領域ＺＧは、外カメラＣｏ１のみで撮像が可能な領域である。このため、領域ＺＧでは、視差画像を得ることはできない。
【００３０】
これに対して、内カメラＣｉ２，Ｃｉ４の画角Ｗｉ２，Ｗｉ４が１８０°以上である場合は、これらの外縁同士が交差しないため、領域ＺＧを内カメラＣｉ２，Ｃｉ４により撮像可能であり、視差画像を得ることができる。このように領域ＺＧのように視差画像を得ることができない領域をできるだけ少なくするために、内カメラＣｉｎの画角Ｗｉｎは１８０°以上であることが望ましい。
【００３１】
以上の説明した構成により、それぞれ４つ（計８つ）の外カメラと内カメラという少ない数のカメラを用いるだけで至近から無限遠までの広い範囲で全方位撮像を行えるとともに３次元空間情報を取得可能なカメラシステムを実現することができる。
【実施例２】
【００３２】
図７（ａ），（ｂ）は、本発明の実施例２であるカメラシステムにおけるカメラ配置を示す。図７（ａ）はカメラシステムを鉛直線方向上側から見て示しており、図７（ｂ）はカメラシステムを水平方向から見て示している。
【００３３】
本実施例では、外カメラＣｏｎと内カメラＣｉｎとを鉛直線方向に重ねて配置した組を水平周方向に９０°等間隔で４組配置している。このように外カメラＣｏｎと内カメラＣｉｎを鉛直線方向に重ねる（周方向に対して垂直な方向にシフトした位置に配置する）ことにより、カメラシステムの外径を小さくすることができる。なお、本実施例では、４つの外カメラＣｏｎおよび４つの内カメラＣｉｎをそれぞれ同じ高さに配置しているが、高さを異ならせてもよい。例えば、外カメラＣｏｎと内カメラＣｉｎの高さを交互に入れ替えてもよい。
【００３４】
本実施例においても、内カメラＣｉｎの画角は１８０°以上であることが望ましい。
【実施例３】
【００３５】
図８は、本発明の実施例３であるカメラシステムにおけるカメラ配置を示す。図８は、カメラシステムを鉛直線方向上側から見て示している。
【００３６】
本実施例では、外カメラＣｏｎと内カメラＣｉｎとを水平周方向に隣接するように配置した組を水平周方向に９０°等間隔で４組配置している。このように外カメラＣｏｎと内カメラＣｉｎを水平周方向に並べることにより、カメラシステムの外径を小さくすることができる。
【００３７】
本実施例では、外カメラＣｏｎと内カメラＣｉｎを時計回り方向に内カメラＣｉｎが先で外カメラＣｏｎが後になる順序で配置しているが、その順序を変えてもよい。例えば、内カメラＣｉｎと外カメラＣｏｎの順序を組ごとに変える（交互に入れ替える）ようにしてもよい。
【００３８】
本実施例においても、内カメラＣｉｎの画角は１８０°以上であることが望ましい。
【実施例４】
【００３９】
図９は、本発明の実施例４であるカメラシステムにおけるカメラ配置を示す。図９は、カメラシステムを鉛直線方向上側から見て示している。
【００４０】
本実施例では、４つの外カメラＣｏｎと４つの内カメラＣｉｎとを水平周方向に４５°等間隔で交互に配置している。このように外カメラＣｏｎと内カメラＣｉｎとを交互に配置することにより、カメラシステムの外径を小さくすることができる。
【００４１】
本実施例では、外カメラＣｏｎと内カメラＣｉｎを同一円に内接するように配置しているが、必ずしもそのように配置する必要はない。例えば、内カメラＣｉｎの画角において両隣の外カメラＣｏｎによる死角を防ぐために、内カメラＣｉｎを外カメラＣｏｎに対して径方向内側にオフセットして配置してもよい。
【００４２】
本実施例においても、内カメラＣｉｎの画角は１８０°以上であることが望ましい。
【００４３】
以上説明した実施例１〜４では、外カメラＣｏｎと内カメラＣｉｎをそれぞれ４つずつ用いる場合について説明したが、それぞれを４つ以上用いてもよい。例えば、外カメラＣｏｎと内カメラＣｉｎを実施例１のように各４つ配置したものを１組とし、鉛直方向に重なるようにさらに１組設けてもよい。このように、外カメラＣｏｎと内カメラＣｉｎの数を４の倍数とすることにより、先述したように内カメラに対向するカメラによる死角領域を少なくすることができる。
【実施例５】
【００４４】
図１０は、本発明の実施例５であるカメラシステムにおけるカメラ配置を示す。図１０は、カメラシステムを鉛直線方向上側から見て示している。
【００４５】
本実施例では、外カメラＣｏｎと内カメラＣｉｎとをそれらの光軸が同一直線上に位置するように径方向にて隣接配置した組を水平周方向に７２°等間隔で５組配置している。このような配置により、内カメラＣｉｎの画角の中心部が他のカメラによって死角となることを回避しており、解像度の高い画像を得ることを可能としている。
【００４６】
本実施例では、外カメラＣｏｎと内カメラＣｉｎの組を等間隔に配置する場合について説明したが、内カメラＣｉｎの画角の中心部に他のカメラが配置されなければ、外カメラおよび内カメラの数、間隔および配置は図１０と異なっていてもよい。
【００４７】
以上５つの実施例について説明したが、外カメラＣｏｎによる撮像と内カメラＣｉｎによる撮像とのバランスをとるためには、外カメラＣｏｎと内カメラＣｉｎのそれぞれで少なくとも２次元で全方位撮像ができることが望ましい。すなわち、複数の外カメラＣｏｎの水平画角の和と複数の内カメラＣｉｎの水平画角の和がそれぞれ３６０°以上となっていることが望ましい。
【００４８】
また、各実施例のカメラシステムは、カメラの数、配置および画角の関係だけで説明することができる。このため、比例的に拡大および縮小することが可能であり、カメラ群として筐体が小さなカメラを用いれば、人が運搬することができるサイズでも実現することができる。また、カメラ群をすでに設置されている複数のカメラにより構成すれば、大きな仮想カメラシステムを構築することもできる。
【００４９】
また、各実施例ではカメラシステムの外側領域を撮像する場合について説明したが、カメラシステムの内側領域の撮像を行ってもよい。
【００５０】
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【００５１】
Ｃｉｎ  内カメラ
Ｃｏｎ  外カメラ
Ｗｉｎ  内カメラの画角
Ｗｏｎ  外カメラの画角
【図１】
2018180076.tif 000003
【図２】
2018180076.tif 000004
【図３】
2018180076.tif 000005
【図４】
2018180076.tif 000006
【図５】
2018180076.tif 000007
【図６】
2018180076.tif 000008
【図７】
2018180076.tif 000009
【図８】
2018180076.tif 000010
【図９】
2018180076.tif 000011
【図１０】
2018180076.tif 000012