(57)【要約】３Ｄ画像を生成するためのシステム及び方法は、平行な平面の上に角錐形状の構成において配列された完全に調整可能な光学素子を複数備える。これにより、カメラは、異なる収束点及び焦点を持つ。【選択図】  図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平行な平面の上に、複数の光学素子の光学面と共に配列される前記複数の光学素子を備える、物体の３Ｄ画像を生成する装置。
【請求項２】
前記物体に関して第１点に焦点を合わせ、第１画像を捕捉することが可能である、第１平面の上の少なくとも１つの第１光学素子と、
前記第１点とは異なる第２点に焦点を合わせ、第２画像を捕捉することが可能である、前記第１平面に平行な第２平面の上の少なくとも１つの第２光学素子と、
前記第１点及び前記第２点とも異なる第３点に焦点を合わせ、第３画像を捕捉することが可能である、前記第２平面に平行な第３平面の上の少なくとも１つの第３光学素子と、を備え、
前記第１画像、前記第２画像、及び前記第３画像は、３Ｄ画像を形成するように結合されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１平面の上の１個の第１光学素子と、
前記第２平面の上の６個の第２光学素子と、
前記第３平面の上の１２個の第３光学素子と、を備え、
同じ光学素子が、角錐形状の構成において配列されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記第２平面が前記物体に関し前記第１平面より背後に位置し、前記第３平面が前記物体に関し前記第２平面より背後に位置することを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記第２平面が前記物体に関し前記第１平面の前に位置し、前記第３平面が前記物体に関し前記第２平面の前に位置することを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項６】
前記光学素子の各々は、空間の３つの方向において、独立に動くことができることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項７】
前記光学素子の各々は、その光学軸の周りに回動可能であることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項８】
前記光学素子の各々は、その光学軸に垂直な水平軸の周りで、縦揺れ可能であることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項９】
前記光学素子の各々は、その光学軸に垂直な垂直軸の周りで、ヨーイング可能であることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項１０】
物体の３Ｄ画像を生成するための装置において、
前記物体に関して第１点に焦点を合わせ、少なくとも１つの第１画像を捕捉することが可能であり、第１平面の上に配置される第１光学素子と、
前記第１点とは異なる第２点に焦点を合わせ、前記第１画像と同時に、少なくとも１つの第２画像を捕捉することが可能であり、前記第１平面に平行な第２平面の上に対称的に配列される少なくとも２つの第２光学素子と、
前記第２点とは異なる第３点に焦点を合わせ、前記第１画像と同時に、少なくとも１つの第３画像を捕捉することが可能であり、前記第２平面に平行な第３平面の上に対称的に配列される少なくとも３つの第３光学素子と、を備え、
前記光学素子は、角錐形状の構成で積み重ねられることを特徴とする装置。
【請求項１１】
６個の光学素子が、六角形状の構成において前記第２平面の上に配列されることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
１２個の光学素子が、六角形状の構成において前記第３平面の上に配列されることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
六角形状の構成において、前記第３平面に平行である前記第４平面の上に対称的に配列された１８個の光学素子と、及び、
前記第１点とは異なる第４点に焦点を合わせ、前記第１画像と同時に少なくとも１つの第４画像を捕捉することができる前記光学素子と、を更に含むことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１４】
六角形状の構成において、前記第４平面に平行である前記第５平面の上に対称的に配列される２４個の光学素子と、及び、
前記第１点とは異なる第５点に焦点を合わせ、前記第１画像と同時に少なくとも１つの第５画像を捕捉することができる前記光学素子と、を更に備えることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１５】
８個の光学素子が、正方形状の構成において前記第２平面の上に配列されることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１６】
１６個の光学素子が、正方形状の構成において前記第３平面の上に配列されることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１７】
正方形状の構成において、前記第３平面に平行である前記第４平面の上に対称的に配列される２４個の光学素子と、及び、
前記第１点とは異なる第４点に焦点を合わせ、前記第１画像と同時に少なくとも１つの第４画像を捕捉することができる前記光学素子と、を更に備えることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１８】
正方形状の構成において、前記第４平面に平行である前記第５平面の上に対称的に配列される３２個の光学素子と、及び、
前記第１点とは異なる第５点に焦点を合わせ、前記第１画像と同時に少なくとも１つの第５画像を捕捉することができる前記光学素子と、を更に備えることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１９】
物体の３Ｄ画像を生産する方法であって、
前記物体に関し、第１位置に焦点が合わせられ、第１平面の上に位置される第１光学素子を使用して第１画像を撮るステップと、
前記第１点とは異なる焦点深度の第２点に焦点を合わせ、前記第１平面に平行な第２平面の上に位置される第２光学素子を用いて第２画像を撮るステップと、
前記第１点及び前記第２点とは異なる焦点深度の第３点に焦点を合わせ、前記第２平面に平行な第３平面の上に位置する少なくとも１つの第３光学素子を使用して第３画像を撮るステップと、
デジタル媒体上に、前記光学素子の各々によって撮られた前記画像を捕捉するステップと、
前記光学素子の各々から捕捉された前記画像を結合して１つの立体画像にするステップと、を含む方法。
【請求項２０】
前記画像が実質的に同時に撮られたことを特徴とする請求項１９に記載の物体の３Ｄ画像を生成する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の背景
１．本発明の分野
本発明は、カメラシステム及び３Ｄ画像を生成するための方法に関する。
【０００２】
２．関連技術
人々は、ディテール、オクルージョン、パースペクティブ、及びサイズのような手掛かりに基づいて、様々な物体間の空間的関係を関連づけることで奥行きを認識する。ディテールは、接近した物体がより詳細に見え、離れた物体は詳細性がより劣って見えることを意味する。オクルージョンは、他のものを遮る物体は前景にある、と見なすことを意味する。パースペクティブは、複数の物体が互いに対してそれぞれ異なる大きさを有することを意味する。またサイズは、物体がより遠くにあるとより小さく見えることを意味する。
【０００３】
２Ｄ画像では、その高さ及び幅のみが記録されるので、被写体が平面に見えるが、３Ｄ画像は奥行き寸法を追加する。人間の視覚が両眼であるので、奥行きを認識する１つの方法は、左及び右の眼で記録された別々の画像を神経学的に組み合わせることである。この立体感に似せるために、先行技術は、異なる視点からの別々の画像を組み合わせることにより３Ｄ画像を作り出し、奥行きの錯覚を生み出す。例えば、グレンへの米国特許第３，５１８，９２９号は、ずらりと並んだ画像を撮るために、配列された複数のカメラユニットを備える３Ｄカメラシステムを開示する。
【０００４】
被写体が異なる視点から撮影されるので、異なる視点で撮られた画像は、わずかに異なって見える。異なる視点から撮られた画像のために起きる、物体の見かけの位置ずれは視差と呼ばれる。視差の影響は、一般的に眼間距離（瞳孔間隔（interocular distance））に比例する。眼間距離は、２つの異なる視点から画像を撮る２台のカメラ間の距離である。もし眼間距離が大きすぎると、視差量が大きすぎて視野が正しく融合されず、結果として３Ｄ画像の品質が劣る。眼間距離が小さすぎると、視差量が小さすぎて奥行き感覚がより少なくなり、結果としてまた３Ｄ画像の品質が劣る。したがって、３Ｄ効果を起こすために十分であるが、パースペクティブが適切に融合され得ないほどではない視差があるように、大きすぎず小さすぎない最適な眼間距離を選択することが、一般的に望ましい。
【０００５】
ずらりと並んだ異なる視点から多くの視像を同時に取り込むことができるように、複数の光学素子を有するカメラシステムを採用することにより、このことが典型的になされる。上述のように、グレンへの米国特許第３，５１８，９２９号が、直線的な線形配列に配置された７台のカメラのシステムを開示している。同様に、スミスらへの米国特許第４，４７５，７９８号が、湾曲的な線形配列に配置されたされた７つのレンズを有する単体のカメラを開示している。そのようなカメラシステムでは、光学素子が、常に直線形状又は湾曲形状に配列される。しかしながら、これら伝統的な配列は、光学素子の数を最大限にするには最適ではなく、またこれら伝統的な配列は、視差量を最適化することには寄与しない。更に、これら伝統的な配列では、カメラは１点上に収束するように方向付けられるだけであり、カメラはまた３つの独立した制御の軸の１つ又は２つの周りを回動するだけである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
発明の要約
本発明の１つの目的は、視差を最適化し、解像度を向上させて、それによってより高品質の３Ｄ効果を作り出すことが可能なマルチカメラシステムを作り出すことである。
【０００７】
本発明の第２の目的は、眼間距離の増大を伴わずに光学素子の数を最大限にするマルチカメラシステムを作り出すことである。
【０００８】
本発明の第３の目的は、複数の収束点を可能にし、それにより焦点深度を深くすることができる、マルチカメラシステムを作り出すことである。深い焦点深度は、同じショット内で、前景及び背景の両方に同時に焦点が合うことを意味する映画用語である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の目的に従った３Ｄカメラシステム及び方法は、平行な平面において構成された複数の光学素子を含む。光学素子は、相互接続されたカメラのシステムにおける、個別カメラユニット、又は、代替として、１つの単体カメラの複数のレンズを意味することが理解されべきである。
【００１０】
本発明の目的に従って、視差を最適化し、解像度を向上させるために、カメラをできるだけ近づけて一緒に構成することが望ましい。それゆえに、カメラは、平行な平面の上に角錐形状に配列される。角錐形状配列は、１つ又は複数のカメラが角錐の頂点に配置され、更にカメラの階層がそれぞれ平行な平面内又は、実質的に平行な平面内に配列され、幾何学的な角錐又は実質的に角錐に類似した幾何学形状を形成することを意味する。また平行な平面の上にカメラを配列することで、カメラは、直線状の配列に配置された場合より、よりコンパクトにグループ化され得る。この配列は、角錐状の階層の幾何学的な原理に基づく。カメラは、角錐形状の構成において、最適に積み重ねられることができるので、不必要な眼間距離の増大を伴わずに、より多くのカメラを一緒にグループ化することが可能である。このように、視差を最適化し解像度を向上する方法で、より多くのカメラからより多くの画像を得ることが可能であり、それにより３Ｄ画像の品質が高まる。
【００１１】
更に、角錐形状の構成に配列されたカメラは、人間の眼の解剖学的構造を模倣することで、３次元認識を向上させる。人間の眼は、奥行きを認識するためにボウルのように湾曲している。本発明のように、角錐形状の構成にカメラを配列することにより、カメラの組み合わせは、１つの大きな３次元の眼として働く。
【００１２】
更にカメラは、各カメラを十分に調整できるようにした組立体（assembly）に接続される。それぞれのカメラは、（１）左から右（緯度方向）、（２）前及び後ろ（経度方向）、並びに（３）上及び下（高さ方向）に移動可能である。更に、それぞれのカメラは、その３つの独立した制御の軸のそれぞれの周りに回動可能である。それぞれのカメラは、ヨー方向と呼ばれる、その垂直軸の周りに回動可能である。それぞれのカメラは、ピッチ方向と呼ばれる、その水平な緯度軸の周りに回動可能である。それぞれのカメラは、ロール方向と呼ばれる、その水平な経度軸の周りに回動可能である。大抵の伝統的な３Ｄカメラシステムは、緯度方向及びヨー方向の独立調整のみが可能である。本発明では、それぞれのカメラは、経度方向、緯度方向、高さ方向、ピッチ方向、ロール方向、及びヨー方向の独立した調整が可能である。
【００１３】
カメラが、平行な平面の上で階層状になり、十分に調整可能であるので、それらのカメラは、それらの光軸がゼロ点又は１つより多い点に収束するように、方向付けられることができる。直線状に配列されたカメラを有する従来のカメラシステムにおいて、カメラは１点に収束する。本発明において、システム全体としてゼロ収束点又は複数の収束点を有するように、カメラは方向付けられることができる。複数のカメラが、同時に異なる点に収束できるので、深い焦点深度を達成することができる。なぜならば、前景及び背景の両方に同時に焦点が合うからである。
【００１４】
２Ｄ画像を作り出す装置及び方法が、当業者に周知であり、３Ｄ画像を作り出すために、ソフトウェアを使用して、そのような画像を組み合わせる知識も同様に周知である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】図１Ａ及び図１Ｂは、３つの平行な平面の上に１−６−１２の六角錐形状に配列されたカメラの構成を示す、本発明の実施例の概略図である。
【図１Ｂ】図１Ａ及び図１Ｂは、３つの平行な平面の上に１−６−１２の六角錐形状に配列されたカメラの構成を示す、本発明の実施例の概略図である。
【００１６】
【図２Ａ】図２Ａ及び図２Ｂは、ゼロ収束を持つように方向付けられたカメラを示す、本発明の実施例の概略図である。
【図２Ｂ】図２Ａ及び図２Ｂは、ゼロ収束を持つように方向付けられたカメラを示す、本発明の実施例の概略図である。
【００１７】
【図３】図３は、２つの収束を持つように方向付けられたカメラを示す、本発明の実施例の概略図である。
【００１８】
【図４Ａ】図４Ａ及び４Ｂは、５つの平行な平面の上に１−６−１２−１８−２４の六角錐形状に配列されたカメラの構成を示す、本発明の実施例の概略図である。
【図４Ｂ】図４Ａ及び４Ｂは、５つの平行な平面の上に１−６−１２−１８−２４の六角錐形状に配列されたカメラの構成を示す、本発明の実施例の概略図である。
【００１９】
【図５Ａ】図５Ａ及び５Ｂは、３つの平行な平面の上に１−８−１６の四角錐形状に配列されたカメラの構成を示す、本発明の実施例の概略図である。
【図５Ｂ】図５Ａ及び５Ｂは、３つの平行な平面の上に１−８−１６の四角錐形状に配列されたカメラの構成を示す、本発明の実施例の概略図である。
【００２０】
【図６Ａ】図６Ａ及び６Ｂは、５つの平行な平面の上に１−８−１６−２４−３２の四角錐形状に配列されたカメラの構成を示す、本発明の実施例の概略図である。
【図６Ｂ】図６Ａ及び６Ｂは、５つの平行な平面の上に１−８−１６−２４−３２の四角錐形状に配列されたカメラの構成を示す、本発明の実施例の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の詳細な記述
図１Ａに概略的に示される本発明の実施例において、被写体の画像を記録するための３Ｄカメラシステム１は、３つの平行な平面Ａ、Ｂ、及びＣの内において配列された、１９台のカメラからなっている。１台の第１カメラ１０は、第１平面Ａの上の頂点に配置される。６台の第２カメラ２０は、第１平面Ａと平行な第２平面Ｂの上に配置される。第２平面Ｂは、第２平面Ｂが第１平面Ａより被写体Ｘに接近するように、被写体Ｘに関して第１平面Ａの前面側に配置される。１２台の第３カメラ３０は、第２平面Ｂと平行な第３平面Ｃの上に配置される。第３平面Ｃは、第３平面Ｃが第２平面Ｂより被写体Ｘに接近するように、被写体Ｘに関して第２平面Ｂの前面側に配置される。図１Ｂで概略的に示されるように、１９台のカメラは、６角錐形状の構成において積み重ねられ階層になる。
【００２２】
図２Ａ及び図２Ｂを参照すれば、カメラは、それらの光軸がゼロ点に収束するように方向付けられることができる。直線状に配列されたカメラを有する従来のカメラシステムにおいて、カメラは１点に収束する。図２Ａ及び図２Ｂで示されるように、本発明の実施例において、Ａ平面内の頂点カメラは、被写体Ｘに向くようにされ、Ｂ平面及びＣ平面内のカメラが、この頂点カメラに厳密に平行となるように方向付けられており、システムは全体としてゼロ収束点を有する。本発明に従った３Ｄカメラシステムにおけるカメラは、異なる点に同時に収束できるので、深い焦点深度が実現できる。なぜならば、前景及び背景の両方に同時に焦点を合わせられるからである。
【００２３】
その代わりとして、それらのカメラは、それらの光軸を１より多い数の点に収束するように、方向付けることができる。図３で示されるように、いくつかのカメラが物体Ｘに収束することが可能であり、同時にいくつかのカメラが物体Ｙに収束することが可能である。野球の試合を記録する際において、例えば、いくつかのカメラが投手に収束することが可能で、いくつかのカメラが捕手に収束することが可能である。このような手法は、投手及び捕手の両方に鮮明に焦点を合わせることで、３Ｄ品質を向上させる。伝統的な手法では可能ではなかったが、複数の収束点を可能にすることで、これが実現される。
【００２４】
関連して、異なる収束点を有することに加えて、カメラは、また異なる焦点を有することも可能である。図２Ａ及び図２Ｂを再び参照して、例えば、平面Ａ内の頂点カメラは、点Ｘで被写体に焦点を合わせることが可能である。平面Ｂ内のカメラが、点Ｘと異なる、前景又は背景のいずれかの第２の点Ｚに、焦点を合わせることが可能である。同様に、平面Ｃ内のカメラが、点Ｘ及び点Ｚと異なる、前景又は背景のいずれかの第３の点Ｙに、焦点を合わせることが可能である。それぞれの焦点は、したがって互いに異なる焦点深度をもつ。
【００２５】
図４Ａ及び図４Ｂの概略図で示されるように本発明の第２の実施例１００において、６１台のカメラは、５つの平行な平面Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、及びＥ上で、６角錐形状の構成で積み重ねられ階層になっている。より具体的には、１台の第１カメラ１１０が第１平面Ａの中心に配置される。６台の第２カメラ１２０は、第２平面Ｂの上の６角形パターン内に対称的に配列される。１２台の第３カメラ１３０は、第３平面Ｃの上の６角形パターン内に対称的に配列される。１８台の第４カメラ１４０は、第４平面Ｄの上の６角形パターン内に対称的に配列される。また２４台の第５カメラ１５０は、第５平面Ｅの上の６角形パターン内に対称的に配列される。平行な平面Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、及びＥの順番は、逆にすることが可能である。
【００２６】
図５Ａ及び図５Ｂの概略図で示されるように本発明の第３の実施例２００では、２５台のカメラは、３つの平行な平面Ａ、Ｂ、及びＣの上で、４角錐形状の構成において、積み重ねられ階層になっている。より具体的には、１台の第１カメラ２１０は第１平面Ａの中心に配置される。８台の第２カメラ２２０は、第２平面Ｂの上の正方形パターン内に対称的に配列される。１６台の第３レンズ２３０は、第３平面のＣ上の正方形パターン内に対称的に配列される。平行な平面Ａ、Ｂ、及びＣの順番は、逆にすることが可能である。
【００２７】
図６Ａ及び図６Ｂの概略図で示されるように本発明の第４の実施例２００では、８１台のカメラが、５つの平行な平面Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、及びＥの上で、４角錐形状の構成で積み重ねられ階層になっている。より具体的には、第１カメラ３１０が第１平面Ａの中心に配置される。８台の第２カメラ３２０は、第２平面Ｂの上の正方形パターン内に対称的に配列される。１６台の第３カメラ３３０は、第３平面Ｃの上の正方形パターン内に対称的に配列される。２４台の第４カメラ３４０は、第４平面Ｄの上の正方形パターン内に対称的に配列される。３２台の第５カメラ３５０は、第５平面Ｅの上の正方形パターン内に対称的に配列される。平行な平面Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、及びＥの順番は、逆にすることが可能である。
【００２８】
上記実施例に記述されているような３Ｄカメラシステムは、３つ又は５つの平行な平面上に階層になった複数のカメラを備えるが、カメラが任意の数の平行な平面内に配列できることを、当業者なら理解するであろう。同様に、これらの実施例のカメラは、角錐形状の階層になっているが、またカメラが円錐形状構成又は他の類似構成でも配列できることを、当業者なら理解するであろう。
【００２９】
本発明の３Ｄカメラシステムにおいて、これらのカメラは、すべての３次元空間座標系内で自由に移動可能である。それらは、ピッチ方向、ロール方向、及びヨー方向と同様に、経度方向、緯度方向、及び高さ方向で調整可能である。如何なる特定の平面内における個別のカメラは、例えば、上、下、又は横方向に独立して動かすことにより、調整可能である。如何なる特定の平面のカメラはまた、それぞれの平面内におけるレンズの間の眼間距離が調整可能であるように、調和して、集合的に動かされることもできる。更に、カメラはまた、ユニットとして集合的に、動かされることができる。このように、カメラは、多くの異なる焦点を捕捉するように、必要に応じて転換され、かつ、方向付けられることができる。
【００３０】
本発明は、その好ましい実施例に関連して記述されているが、本発明が、それらの実施例に限定されように意図されていないことは理解されるであろう。それどころか、添付の特許請求の範囲により定義される本発明の精神及び範囲内に含まれてよいような、すべての代替例、変更例、及び均等物を、カバーすることが意図されている。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
2013541880.tif 000010
【図５Ｂ】
2013541880.tif 000011
【図６Ａ】
2013541880.tif 000012
【図６Ｂ】
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【国際調査報告】
2013541880.tif 000014