(57)【要約】【課題】  鏡を用いたマルチカメラシステムにおいて、隣接する画像のオーバーラップ領域を全てのカメラにおいて均一に作成する。【解決手段】  広視野の画像を得られるように設置した複数の鏡と、それぞれの鏡に映る像を撮影する複数のカメラと、カメラ取り付け可能であり各カメラ位置を調整する複数のステージにより構成されるマルチカメラによる広視野角撮影装置において、前記ステージは、カメラの光軸方向に移動する機構を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
広視野の画像を得られるように設置した複数の鏡と、それぞれの鏡に映る像を撮影する複数のカメラと、カメラ取り付け可能であり各カメラ位置を調整する複数のステージにより構成されるマルチカメラによる広視野角撮影装置において、
前記ステージは、全てのカメラを一定距離カメラの光軸方向に移動する機構を備えることを特徴とするマルチカメラによる広視野角撮影装置。
【請求項２】
請求項１に記載のステージは、装置製作誤差によるカメラ位置ずれを微調整する機構を備えることを特徴とするマルチカメラによる広視野角撮影装置。
【請求項３】
請求項１に記載の広視野角撮影装置で撮影した画像の繋ぎ合わせは、隣り合う2つの画像のオーバーラップ部分及びその周辺部分に対し、近傍の画素値情報を用いて補完し、画像を生成することを特徴とする、広視野角画像生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マルチカメラによる広視野角撮影装置または画像合成装置に関し、特に、複数の鏡と撮影装置を利用した撮影システムまたは画像合成システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高解像度の映像を表示するシステムの普及や視点移動の出来るＶＲコンテンツの普及に伴い、高解像度・広視野角コンテンツの需要が増えている。高解像度・広視野角コンテンツの作成において、ＣＧにてデータを作成した場合、画像は出力画像サイズを自由に設定できるため高解像度画像の作成は容易であるし、広視野角の画像を一度に得ることも可能である。また、撮影装置の物理的な大きさを気にすることなく視点位置を設定することが可能であるため、複数の撮影装置の単一視点制約を満たした画像を得ることも可能である。
【０００３】
実写映像の撮影において、カメラを並べて広視野の映像を得る方法があるが、各カメラの視点位置が大きく異なる場合、撮影画像を繋ぎ合わせてパノラマ画像を作成するとき、繋ぎ目部分に不整合が生じる。特に、奥行きの異なる被写体に関して、接続部分の不連続が目立つという問題がある。カメラの物理的大きさにより、同じ視点位置からの撮影は不可能であるが、位置や角度を正確に調整した複数の撮影装置と複数の鏡を用いることにより、同じ視点位置から撮影するのと同じ効果を得ることが可能となる。
【０００４】
複数の平面鏡と複数のカメラを用いた高解像度・広視野角画像撮影装置として、下記の装置がある。
【０００５】
特許文献１では、カメラの個体差を補正し、隣接する画像を順につなぎ合わせた画像を作成する方法について述べており、具体的な方法として、対応点での画素値の比較による繋ぎ合わせではなく、投影平面上に投影された光線ベクトルの誤差を基に対応点を探索する方法を用いている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１７８２９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１では、撮影後の画像に対する繋ぎ合わせ方法について述べており、撮影時のカメラの調整に関しては言及していない。撮影後の画像の調整には限度がある。このため、撮影後の画像の調整が容易になるようカメラ位置を事前に調整する必要がある。
【０００８】
また、特許文献１では、鏡やカメラの調整を正確に行い視点位置が完全に一致しているのであれば、理論的には繋ぎ合わせ時の不整合が生じることはなく完全なパノラマ画像の作成が可能であるが、どんなに高精度にガラスの加工を行っても、若干の鏡の繋ぎ目が見えてしまう。また、鏡やカメラの調整を正確に行い、視点位置が完全に一致している場合、隣接する画像のオーバーラップは全くないため、鏡の繋ぎ目部分にエッジが見えてしまい、パノラマ画像を作成する上で不都合となる。
【０００９】
そこで、この問題を回避する方法の一つとして、故意に視点位置をずらすことにより、オーバーラップ領域を作る方法が挙げられる。オーバーラップ領域を作ることにより、鏡の継ぎ目部分により欠損していた情報を補填することが可能となる。オーバーラップ領域の作成方法として、左右のカメラの距離を遠ざけるように移動することによって、左右に隣接するカメラにて撮影される映像にオーバーラップ領域を作成することが可能である。同様に、上下のカメラの距離を遠ざけるように移動することによって、上下に隣接するカメラにて撮影される映像にオーバーラップ領域を作成することが可能である。
【００１０】
使用するカメラが2台である場合は、オーバーラップ領域を作るためにどのようにカメラを動かしても問題ないが、上下左右にカメラが設置される場合や水平方向に２台以上のカメラが設置される場合は、基準となるカメラから離れるほど誤差が蓄積し調整が困難である上、全てのカメラにおいて別個の調整を行うことになり、パノラマ画像作成時の画像接続が困難となってしまう。この場合、オーバーラップ領域は、各撮影画像において不均一となるため、各撮影画像からパノラマ画像を作成する際の画像処理において、すべての撮影画像に対して同じ処理を行うことが出来ず、各カメラごとに画像変形パラメータを算出する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記問題点を考慮して発案されたものであり、その目的は、水平方向及び垂直方向共に広視野角且つ高解像度の画像を撮影する際に、故意に視点位置をずらして撮影し、全てのカメラにおいてオーバーラップが均一となるマルチカメラによる広視野角撮影装置を提供することにある。オーバーラップが均一となることにより、パノラマ画像作成時の画像処理の簡易化が可能となる。
【００１２】
そこで、本発明では以下の構成の装置を採用する。
【００１３】
広視野の画像を得られるように設置した複数の鏡と、それぞれの鏡に映る像を撮影する複数のカメラと、カメラ取り付け可能であり各カメラ位置を調整する複数のステージにより構成されるマルチカメラによる広視野角撮影装置において、前記ステージは、カメラの光軸方向に移動する機構を備えることを特徴とするマルチカメラによる広視野角撮影装置を提供する。
【発明の効果】
【００１４】
オーバーラップ量が全ての撮影画像に関して同一となり、パノラマ画像作成等の画像加工を行うとき、より容易に行うことが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明における実施の形態の一例について、図面を参照しながら詳述する。
【００１６】
図1は、本実施例の装置の構成を示した図である。鏡及びカメラの設置において、それぞれ横2×縦2の構成を例に説明する。
【００１７】
本装置は、水平方向の視野角を得るために複数の鏡(20-a,20-b)を設置し、垂直方向の視野角を得るために複数の鏡(20-c,20-d)を設置する。それぞれの鏡(20-a,20-b,20-c,20-d)に映った像を撮影するために、カメラ(10-a,10-b,10-c,10-d)を、カメラ自身が鏡に映らない位置に設置し、１つのカメラで１枚の鏡に映った像を撮影する。例えば、撮影装置(10-a)にて撮影するのは、鏡(20-a)に映った像のみとする。各カメラ(10-a,10-b,10-c,10-d)はステージ(30-a,30-b,30-c,30-d)に備え付け、各ステージはカメラの位置や角度を調整する機構を備えるものとする。全てのカメラを同一距離移動させるため、手動では誤差の生じる可能性が高く、自動的に調整する機構を備えると良い。
【００１８】
各ステージ(30-a,30-b,30-c,30-d)は、それぞれ情報処理装置であるPC(35-a,35-b,35-c,35-d)に接続し、カメラ位置の制御を行う。
【００１９】
カメラの調整方法に関して、下記に説明する。
【００２０】
まず、すべてのカメラにおいて視点位置が同一となるように、カメラ位置や角度の調整を行う。初期位置は各カメラによって異なることが多いため、撮影映像を確認しながら一つずつ位置や角度の調整を行う。
【００２１】
全てのカメラの視点位置が同一になるよう調整した後、左右、又は上下に隣接する画像のオーバーラップ領域を得るために、カメラを光軸方向に対する移動を行う。各カメラ(10-a,10-b,10-c,10-d)を搭載したステージ(30-a,30-b,30-c,30-d)は、カメラの光軸方向に対して前後に自動的に移動する機構を備えるものとし、必要なオーバーラップ量に応じて、全てのカメラを同一距離、光軸方向に前に移動するものとする。
【００２２】
図2は、本実施形態のシステム構成を示した図である。
【００２３】
本システムは、PC(35)に含まれる、プログラムに基づいた計算や制御を行うCPU(36)、データやプログラムを記憶するメモリ等の主記憶装置(200)、およびハードディスク等の補助記憶装置(300)を含む。
【００２４】
また、各種データを入力するキーボード等の入力装置(37)、カメラ(10)の移動制御を行うステージ(30)、それらを相互に結合するバス(38)からなる。カメラ(10)はステージ(30)に搭載されるものとする。
【００２５】
主記憶装置(200)には、隣接するカメラによる撮影画像のオーバラップ割合を入力するオーバラップ割合入力部(210)、オーバラップ割合を基にカメラの移動量を算出するカメラ移動量算出部(220)、算出されたカメラ移動量分カメラを移動させるカメラ移動指令部(230)が含まれる。撮影画像の中で、有効領域は正面にある鏡に映った画像のみである。隣接する鏡に映った像は、全く違う方向の画像が映っているため、無効となる。このため、ここで入力するオーバーラップ割合は、隣接する２つのカメラの撮影画像内における有効領域のオーバーラップ割合とする。
【００２６】
補助記憶装置(300)には、入力されたオーバラップ割合(310)、算出されたカメラ移動量(320)を含む。
【００２７】
全てのカメラ(10-a,10-b,10-c,10-d)の視点位置が一致している状態では撮影画像のオーバラップは全くないが、全てのカメラ(10-a,10-b,10-c,10-d)の視点位置が一致している状態からそれぞれ光軸方向に同一距離、鏡に向かって前進移動することにより、全ての撮影画像に均等にオーバラップを得ることが出来る。
【００２８】
なお、一つのＰＣが複数のカメラと結合し、それぞれのカメラを制御してもよい。
【００２９】
図3は、カメラ移動に関するフローチャートである。
【００３０】
まず、ステップ1100にて、オーバーラップ割合を入力する。ステップ1200にて、入力された値が有効かどうか判定をする。カメラ画角、カメラと鏡との距離より、正面に備えた鏡が撮影範囲内に収まるかどうか判定を行う。
【００３１】
値が無効であった場合、ステップ1100に戻り、値を再入力する。
【００３２】
値が有効であった場合、ステップ1300にて、カメラ移動量の算出を行い、全てのカメラを同一距離移動させるための指令を出す。
【００３３】
図4は、本発明の装置において、視点位置一致の場合の撮影範囲を側面から見た図である。
【００３４】
上下に設置された鏡(20-a,20-c)とカメラ(10-a,10-c)を例に説明する。ステージ(30-a) はカメラ(10-a)を備え付け、ステージ(30-c) はカメラ(10-c)を備え付ける。各カメラはステージに沿って移動するものとし、ステージは、カメラがある地点に到達した時に、全てのカメラの視点位置が完全に一致するような位置角度に設置するものとする。ステージを完全に固定するために、装置の上下にプレートを設置し、プレートにステージを取り付けると、安定して良い。
【００３５】
図4は、視点位置が完全に一致した場合の、鏡とカメラの位置関係を示している。カメラの垂直方向の撮影範囲は、(40-a,40-c)に示される領域となるが、正面の鏡以外に映ったものは、完全に別方向の背景を撮影しており無効であるため、有効領域は(40-a,40-c)に示される領域より狭くなる。カメラ(10-a)より、鏡(20-a)に映った像を撮影する時、光の性質として鏡(20-a)への光の入射角と反射角が等しいため、カメラ(10-a)より撮影した画像は、領域(50-a)を映すことになる。同様に、カメラ(10-c)より撮影した画像は、領域(50-c)を映すことになる。これはすなわち、視点位置(1)より撮影した時と全く同じ映像を得ることが出来る。
【００３６】
このとき、鏡(20-a)を延長した線は、視点位置(1)とカメラ(10-a)の視点位置を結ぶ線を二等分する。カメラ(10-a)とカメラ(10-c)の視点位置(1)が完全に一致している時、 二つのカメラの撮影範囲は、接続部分のオーバーラップは皆無であり、視点位置(1)と鏡(30-a,30-c)の境目部分を結んだ直線上で、撮影画像が分断される。いくら精度良く鏡を加工しても、隣接する鏡の繋ぎ目は見えてしまい、接続部分にエッジが残る。 
図5は、本発明の装置において、視点位置一致の場合の撮影範囲を上面から見た図である。
【００３７】
左右に設置された鏡(20-a,20-b)とカメラ(10-a,10-b)を例に説明する。ステージ(30-a) にはカメラ(10-a)を備え付け、 ステージ(30-b) にはカメラ(10-b)を備え付ける。各カメラは、ステージに沿って移動するものとし、ステージは、カメラがある地点に到達した時に、全てのカメラの視点位置が完全に一致するような位置角度に設置するものとする。各カメラ(10-a,10-b)の視点位置と視点位置(1)とを結ぶ線は、鏡(20-a,20-b)と垂直に交わり、また、各カメラ(10-a,10-b)の視点位置と鏡(20-a,20-b)までの距離、視点位置(1)と鏡(20-a,20-b)までの距離は等しくなるよう、ステージ(30-a,30-b)の位置角度を設定する。 
図5は、視点位置が完全に一致した場合の、鏡とカメラの位置関係を示している。カメラの水平方向の撮影範囲は(40-a,40-b)、有効撮影範囲は(50-a,50-b)、二つのカメラの共通視点位置(1)となる。 
左右に設置した鏡やカメラにおいても、カメラ(10-a)とカメラ(10-b)の視点位置(1)が完全に一致している時、二つのカメラの撮影範囲は、接続部分のオーバーラップは皆無であり、視点位置(1)と鏡(30-a,30-b)の境目部分を結んだ直線上で、撮影画像が分断され、接続部分にエッジが残ってしまうことになる。
【００３８】
図6は、本発明の装置において、カメラ位置移動後の撮影範囲を側面から見た図である。
上下に設置された鏡(20-a,20-c)とカメラ(10-a,10-c)を例に説明する。視点位置が同一となるように調整されたカメラ(10-a,10-c)を、光軸方向に同じ距離を移動させる。
【００３９】
この時、カメラ位置が移動しても、カメラ自身が鏡に映らないように、カメラの移動距離を調整する。カメラの最大移動距離が予め分かっている場合は、最大の移動時にカメラ自身が映らないよう、予め鏡の角度とカメラの角度を設定するとよい。
【００４０】
また、カメラ位置が移動しても、鏡が常にカメラの撮影画角内に入るよう、カメラの撮影画角は十分に取る必要がある。
【００４１】
カメラ(10-a)を光軸方向に一定距離移動した時のカメラ位置をカメラ(11-a)とした時、視点位置は、(1-a)に移動し、カメラ(10-c)を光軸方向に一定距離移動した時のカメラ位置をカメラ(11-c)とした時、視点位置は、(1-c)に移動する。視点位置が移動することにより、鏡に映る背景が変化する。カメラ(11-a)の撮影範囲は(51-a)、カメラ(11-c)の撮影範囲は(51-c)となり、両方の撮影範囲に共通する領域はオーバーラップ領域(60)となる。
【００４２】
全てのカメラを同一距離、光軸方向に前に移動することにより、図１に示す、上下に設置したカメラ対、(10-a)と(10-c)、(10-b)と(10-d)に関して、上下のオーバーラップ度合いは全て同一となる。
【００４３】
図7は、本発明の装置において、カメラ位置移動後の撮影範囲を上面から見た図である。
左右に設置された鏡(20-a,20-b)とカメラ(10-a,10-b)を例に説明する。視点位置が同一となるように調整されたカメラ(10-a,10-b)を、光軸方向に同じ距離を移動させる。カメラ(10-a)を光軸方向に一定距離移動した時のカメラ位置をカメラ(11-a)とした時、視点位置は、(1-a)に移動し、カメラ(10-b)を光軸方向に一定距離移動した時のカメラ位置をカメラ(11-b)とした時、視点位置は、(1-b)に移動する。視点位置が移動することにより、鏡に映る背景が変化する。カメラ(11-a)の撮影範囲は(51-a)、カメラ(11-b)の撮影範囲は(51-b)となり、両方の撮影範囲に共通する領域はオーバーラップ領域(60)となる。
【００４４】
全てのカメラを同一距離、光軸方向に前に移動することにより、図１に示す、左右に設置したカメラ対、(10-a)と(10-b)、(10-c)と(10-d)に関して、左右のオーバーラップ度合いは全て同一となる。
【００４５】
図6、及び図7に示すとおり、全てのカメラにおいて、同一視点位置状態から、光軸方向に同一距離前に移動することにより、オーバーラップ量が全ての撮影画像に関して同一となり、パノラマ画像作成等の画像加工を行うとき、全ての画像に対して同一の変形を行えばよいため、より容易に行うことが出来る。
【００４６】
また、視点位置が異なってしまうことにより、画像接続部分にある奥行きの異なるオブジェクトに対して不連続が生じるが、若干の移動であれば接続誤差も少ないため、オーバーラップ領域を確保可能である方がメリット大である。
【００４７】
図8は、本発明の装置による撮影画像を用いたパノラマ画像作成手順について示した図である。
【００４８】
図1〜図7において説明したカメラ調整後の撮影映像において、撮影された映像をつなぎ合わせてパノラマ画像を作成する際、隣接する2枚の映像のオーバーラップ領域及びその周辺に関して、近傍の画素値情報を用いて補完処理を行う。ここにおける補完処理方法の例としては、あらかじめ決められた近傍領域の総画素値の平均値を求めるなどの手法が考えられる。これにより、画像接続部分において幾何的不整合の生じないシームレスなパノラマ画像の作成が可能である。
【００４９】
本発明の装置を用いて撮影した各カメラの画像からシームレスな画像を作成する処理について説明する。鏡及びカメラの設置において、それぞれ横2×縦2の構成を例とする。
カメラ(10-a,10-b,10-c,10-d)にて撮影した画像を、撮影画像(70-a,70-b,70-c,70-d)とする。
【００５０】
まず、有効領域切り出し部(110)にて、カメラ画像から正面の鏡の領域を切り取り、有効領域画像(71-a,71-b,71-c,71-d)を作成する。この作業により、カメラの画角が広いためにカメラ画像に含まれるカメラの正面の鏡以外の部分を削除する。正面の鏡の領域は、鏡の形状、鏡とカメラの距離や角度より、一意に定まる。また、カメラ位置が固定され、鏡領域が変更されることがない場合は、鏡領域のマスク画像を予め作成し、マスク画像を基に領域抽出を行っても良い。
【００５１】
次に、画像変形部(120)において、有効領域画像に対して撮影時におけるレンズの歪みを補正し、正対した画像の作成を行う。作成された画像を、変形画像(72-a,72-b,72-c,72-d)とする。
【００５２】
画像位置決定部(130)において、各カメラの配置の情報により1枚の画像に貼り合わせることにより配置画像(73)を作成する。配置画像(73)作成は、オーバーラップ割合(310)を基に行う。図2のオーバーラップ割合(310)の入力では、有効領域(71)におけるオーバーラップ割合を入力する。オーバーラップ領域は、有効領域画像(71)内に完全に含まれる。
【００５３】
パノラマ画像作成部(140)において、画像が重なる部分で、画像の端からの距離により重みをつけて、画像をマージすることで、貼り合わせた画像間のつなぎ目を目立たなくすることにより、パノラマ画像(74)の作成を行う。つなぎ合わせ方法は、近傍の値を用いた一般的な方法とする。
【００５４】
図9は、本実施形態のパノラマ画像作成におけるシステム構成を示した図である。
【００５５】
本システムは、PC(35)に含まれる、プログラムに基づいた計算や制御を行うCPU(36)、データやプログラムを記憶するメモリ等の主記憶装置(200)、およびハードディスク等の補助記憶装置(300)を含む。
【００５６】
また、各種データを入力するキーボード等の入力装置(37)、カメラ(10)の移動制御を行うステージ(30)、それらを相互に結合するバス(38)からなる。カメラ(10)はステージ(30)に搭載されるものとする。
【００５７】
主記憶装置(200)には、撮影画像を取得する撮影画像取得部(240)、正面の鏡に映った像のみを切り取る有効領域切り出し部(250)、切り出した画像を長方形に変形する画像変形部(260)、それぞれのカメラで撮影し、切り出し処理、変形処理を行った画像を配置する画像位置決定部(270)、配置した画像をつなぎ合わせ1枚の大きな画像を作成するパノラマ画像作成部(280)が含まれる。
【００５８】
補助記憶装置(300)には、撮影画像(330)、有効領域画像(340)、変形画像(350)、配置画像(360)、パノラマ画像(370)が含まれる。
【００５９】
図10は、隣接する画像に鏡の繋ぎ目が残った場合の補間方法の一例について示した図である。
【００６０】
左右に隣接する画像(72-a,72-b)に鏡の例に説明する。2つの画像が重なる部分に対し、画像の端からの距離が、等距離にある点とその周辺部分を補完領域(80-ab)とする。補完領域内の画素は、周辺の画素値を補完することにより、画素値を決定する。
【００６１】
図10中の補間領域(80-ab)内における★にて表示した対象画素(90)の画素値は、次に述べる周辺画素の情報より求める。○で示す画素は8近傍の計算で使用し、●で示す画素と○で示す画素は48近傍の計算で使用し、△で示す画素と●で示す画素、○で示す画素は120近傍の計算で使用する。ここで、×で示す画素は、近傍だが値がないため計算に使用しない。
【００６２】
画素値決定に使用する周辺の画素量に応じて、つなぎ合わせ部分の連続度合いが変化する。補完領域の周辺の画素値により補完を行うと、画素値が近い画素が補完領域に割り当てられることになり、画像のぼけにつながる。これを考慮し、補完に使用する近傍の領域を、8近傍、48近傍、120近傍と変化させて画像の乱れの低減とぼけ方を比較し、つなぎ合わせ対象となる画像の種類に応じて、どのくらいの近傍の画素値を使用するか決定する。最適な値は、目視にて判断を行う。
【００６３】
以上の述べた実施の形態により、広範囲でかつ高精細なパノラマ画像を生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】図1は、本実施形態の装置構成図である。
【図２】図2は、本実施形態のシステム構成を示した図である。
【図３】図3は、カメラ移動に関するフローチャートである。
【図４】図4は、本実施形態における視点位置一致時の撮影範囲側面図である。
【図５】図5は、本実施形態における視点位置一致時の撮影範囲上面図である。
【図６】図6は、本実施形態におけるカメラ移動後の撮影範囲側面図である。
【図７】図7は、本実施形態におけるカメラ移動後の撮影範囲上面図である。
【図８】図8は、本発明の装置による撮影画像を用いたパノラマ画像作成手順を示した図である。
【図９】図9は、本実施形態のパノラマ画像作成におけるシステム構成を示した図である。
【図１０】図10は、隣接する画像に鏡の繋ぎ目が残った場合の補間方法について示した図である。
【符号の説明】
【００６５】
1・・・視点位置、1-a,1-b,1-c・・・カメラ移動後の視点位置、10-a,10-b,10-c,10-d・・・カメラ、11-a,11-b,11-c・・・カメラ移動後のカメラ位置、20-a,10-b,20-c,20-d・・・鏡、30-a,30-b,30-c,30-d・・・ステージ、35-a,35-b,35-c,35-d・・・PC、40-a,40-b,40-c,40-d・・・カメラ撮影範囲、50-a,50-b,50-c,50-d・・・有効撮影領域、51-a,51-b,51-c,51-d・・・カメラ移動後の有効撮影領域、60・・・オーバーラップ領域、70-a,70-b,70-c,70-d・・・撮影画像、71-a,71-b,71-c,71-d・・・有効領域画像、72-a,72-b,72-c,72-d・・・変形画像、73・・・配置画像、74・・・パノラマ画像、80-ab・・・補完領域、90・・・対象画素、110・・・有効領域切り出し部、120・・・画像変形部、130・・・画像位置決定部、140・・・パノラマ画像作成部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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