(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カメラ本体から地表面までの距離を測定するための測距センサと、前記測距センサをカメラ光軸と垂直を成す軸に関して回動可能に駆動する測距センサ駆動手段とを備え、
前記測距センサ駆動手段が前記測距センサを駆動させることにより、前記カメラ本体から前記地表面までの最短距離を測定し、前記測距センサ駆動手段が前記測距センサを駆動させないときに、前記カメラ本体から前記地表面までの鉛直方向の距離を測定し、前記測距センサから得られた前記最短距離と前記鉛直方向の距離とを示す測距データに基づいて、前記地表面の水平面に対する傾きが求められることを特徴とするセンサ内蔵カメラ。
【請求項２】
前記測距センサが前記カメラ底部に設けられることを特徴とする請求項１に記載のセンサ内蔵カメラ。
【請求項３】
記録画像に基づいて任意の原点に対する被写体の座標を求める写真測量に用いられることを特徴とする請求項１に記載のセンサ内蔵カメラ。
【請求項４】
前記測距センサから得られた測距データが、前記記録画像と共に記録媒体に記録されることを特徴とする請求項３に記載のセンサ内蔵カメラ。
【請求項５】
前記カメラ光軸の傾きが、前記記録画像と共に記録媒体に記録されることを特徴とする請求項３に記載のセンサ内蔵カメラ。
【請求項６】
前記測距センサが検出面を有し、前記測距センサ駆動手段が前記測距センサを駆動させないときに、前記検出面が、前記測距センサの自重によって水平であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ内蔵カメラ。
【請求項７】
前記測距センサが、前記最短距離を測定するときの前記カメラ本体の位置と、前記鉛直方向の距離を測定するときの前記カメラ本体の位置とを測定する外部測定手段をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のセンサ内蔵カメラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば写真測量に用いられるセンサ内蔵カメラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来交通事故調査などで行なわれる写真測量において、例えば被写体は銀塩フィルムを用いたカメラ、あるいは電子スチルカメラにより撮影され、記録画像における被写体の２次元座標から、演算により被写体の３次元座標が得られる。
【０００３】
このような写真測量において、例えば円錐形状の目印（以下コーンという）が３ヵ所に設置され、これらコーンを含めた撮影が行なわれる。そして、記録画像を用いて実際の座標を算出する際には、各コーンの先端を基準点として、これら基準点によって規定される基準平面を擬似的な水平面として演算が行なわれ、得られた座標値に基づき、作図が行なわれる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしコーンを置く道路面に凸凹があったり、道路面自体が傾斜している場合、コーン先端の基準点から想定される基準平面は、水平面と平行にはならないため、座標値に誤差が生じ、正確な作図ができないという問題がある。
【０００５】
本発明は、この様な問題に鑑みてなされたものであり、撮影時の地表面の水平面に対する傾斜角が容易に得られるセンサ内蔵カメラを提供することが目的である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によるセンサ内蔵カメラは、カメラ本体から所定の目標物までの距離を測定するための測距センサが、前記カメラのレンズが設けられる面以外の何れかの面に設けられることを特徴とする。
【０００７】
センサ内蔵カメラにおいて、好ましくは、測距センサがカメラ底部に設けられる。
【０００８】
センサ内蔵カメラにおいて、好ましくは、目標物が地表面である。
【０００９】
センサ内蔵カメラにおいて、好ましくは、記録画像に基づいて任意の原点に対する被写体の座標を求める写真測量に用いられる。
【００１０】
センサ内蔵カメラにおいて、好ましくは、測距センサがカメラ光軸と垂直を成す軸に関して回動可能である。さらに好ましくは、測距センサが地表面までの最短距離を測定する。
【００１１】
センサ内蔵カメラにおいて、好ましくは、測距センサから得られた測距データが、前記記録画像と共に記録媒体に記録される。
【００１２】
センサ内蔵カメラにおいて、好ましくは、測距センサから得られた測距データに基づいて、地表面に対するカメラ光軸の傾きが求められる。さらに好ましくは、カメラ光軸の傾きが前記記録画像と共に記録媒体に記録される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるセンサ内蔵カメラの実施形態について添付図面を参照して説明する。なお本実施形態に用いられるカメラは、撮像素子（以下ＣＣＤという）を用いた電子スチルカメラであり、撮像された画像は、記録媒体に電気的あるいは磁気的に記録されるものとする。
【００１４】
図１には実施形態であるセンサ内蔵カメラの外観図が示される。
カメラ本体１０の正面のほぼ中央には撮影光学系１２が設けられる。撮影光学系１２の右上方にはストロボ１４が、左上方にはレリーズボタン１６が設けられる。カメラ本体１０の上面の中央にはファインダ１８が設けられ、このファインダ１８の右側方にはカメラの状態を示すための、例えばＬＣＤから成る表示装置２０が設けられ、左側方にはメインスイッチ２２が設けられる。
【００１５】
カメラ本体１０の側面にはスロット２４が設けられ、このスロット２４には記録媒体であるメモリカード３０が着脱可能である。スロット２４の近傍には排出スイッチ２６が設けられ、この排出スイッチ２６を押すことにより、スロット２４内のメモリカード３０を抜き取ることができる。さらにカメラ本体１０の背面には図示しない液晶モニタが設けられる。
【００１６】
図２はカメラ本体１０の底面図である。
カメラ底部は略中央において陥没しており、その凹陥部４１には測距センサ４０が設けられる。測距センサ４０は、支持軸４２を介して、撮影光学系１２の光軸に対して垂直な方向に延びる回転軸Ａの周りに回動自在に設けられる。測距センサ４０はモータ４４により回転駆動されるが、外力が加えられていない状態では、自重により測距センサ４０の検出面４０ａは常に水平である。
【００１７】
測距センサ４０は、例えば公知のアクティブ方式の３角測距ユニットであり、投光部から赤外光を射出して、物体（地面）により反射されて戻ってくる反射光を受光部に設けてあるＰＳＤ（Position Sensitive Device ）で受光し、ＰＳＤ上の入射光の位置に基づいて、物体までの距離を計測する構成を有している。
【００１８】
図３はセンサ内蔵カメラの構成を示すブロック図である。システムコントロール回路５０はマイクロコンピュータであり、本カメラの全体の制御はこのシステムコントロール回路５０により行なわれる。
【００１９】
撮影光学系１２には複数のレンズ群のほか、絞り１２ａが設けられる。撮影光学系１２の後方にはクイックリターンミラー１５を介してＣＣＤ２１（Charge Coupled Device ；撮像素子）が設けられる。クイックリターンミラー１５の上方には、ファインダ光学系１７のピント板１７ａが配設されている。クイックリターンミラー１５はミラー駆動回路５２に駆動され、ミラー駆動回路５２はさらに露出制御回路５４により制御される。露出制御回路５４はシステムコントロール回路５０から出力される指令信号に従って動作する。また露出制御時、露出制御回路５４は測光センサ５６からの出力信号を受ける。
【００２０】
クイックリターンミラー１５は、通常ダウン位置（図中実線で示す傾斜状態）に定められ、撮影光学系１２を通過した光をファインダ光学系１７に導いている。撮影動作時、クイックリターンミラー１５は露出制御回路５４の制御に従い、ミラー駆動回路５２により上方に回動せしめられ、アップ位置（図中破線で示す水平状態）に定められる。これにより、撮影光学系１２を通過した光はＣＣＤ２１の受光部に照射される。
【００２１】
システムコントロール回路５０により、エリアセンサ駆動回路５８を介してＣＣＤ２１の受光部の電荷蓄積時間が制御されて露光動作が行なわれ、蓄積時間経過後、蓄積された電荷信号が撮像信号として読み出される。読み出された画素信号は、アンプ６０により増幅され、Ａ／Ｄ変換器６２によってデジタル信号に変換され、画像処理回路６４に入力される。
【００２２】
またシステムコントロール回路５０により、測距センサ駆動手段５５を介して測距センサ４０の動作制御が行なわれる。それと同時に、測距センサ４０からの距離データはシステムコントロール回路５０へ出力される。
【００２３】
画像処理回路６４では、１画像分のメモリ容量を持つメモリ６６と協動して表示用映像データが生成され、この表示用映像データはエンコーダ６８へ出力される。エンコーダ６８では、画像処理回路６４から出力された表示用映像データに同期信号を付加処理するなどしてモニタ表示用映像信号が生成される。エンコーダ６８から出力されたモニタ表示用映像信号は液晶モニタ装置７０に入力され、これにより液晶モニタ装置７０において撮影した静止画がモニタできる。
【００２４】
またシステムコントロール回路５０により、画像処理回路６４からの１画像分の撮像データ、測距センサ４０からの距離データ、および撮影日時、ファイル名などの情報が記録制御回路７２へ出力される。記録制御回路７２では、これらの情報が結合されて所定の記録様式に沿った記録用データが生成され、この記録用データはメモリカード３０に記録される。
【００２５】
一方、記録制御回路７２を介して、記録用データは記憶媒体であるメモリカード３０へ記録保存される。メモリカード３０はカメラ本体１０から着脱自在であり、外部のコンピュータ（図示しない）によって記録用データが読み取られ、この記録用データから前述の撮像データと距離データとが読み取られて、図面化や補正に必要なデータなどの各種演算処理が行なわれる。
【００２６】
システムコントロール回路５０には、レリーズスイッチ７４と測光スイッチ７６とが接続され、これらのスイッチの操作に従って撮影動作、および画像信号の読み出し動作が行なわれる。またシステムコントロール回路５０には、このセンサ内蔵カメラの種々の設定状態などを表示するするための表示装置２０と、ストロボ１４の発光制御を行なうためのストロボ駆動回路５７とが接続される。
【００２７】
次に図４のフローチャートを参照して、センサ内蔵カメラの動作を説明する。動作がスタートすると、ステップＳ２０２では初期動作テストが行なわれ、カメラ１０の種々の装置が正常に動くかどうかチェックされる。ステップＳ２０４ではレリーズボタン１６が半押しされかどうかが検出される。半押しされなければステップＳ２０４が繰り返し実行される。レリーズボタン１６が半押しされると測光スイッチ７６がＯＮになり、システムコントロール回路５０による動作が開始される。
【００２８】
ステップＳ２０６では測光センサ５６によって被写体照度が測定され、露出制御回路５４ではこの被写体照度に基づいて、適正な露光時間（電荷蓄積時間）が演算され、決定される。
【００２９】
次にステップＳ２０８では、測距センサ駆動手段５５が駆動される。測距センサ４０は測距センサ駆動手段５５により自由に動く状態の下で動作させられ、カメラ中心から地面までの鉛直方向の距離Ｌ1 が計測される。ステップＳ２１０では、測距センサ駆動手段５５は、測距センサ４０をＡ軸（図２参照）回りに回転させながら測距動作を行ない、測距情報が最短となるときの距離、即ち地面からの垂直方向の高さＬ2 を測定する。計測された距離データＬ1 、Ｌ2 はシステムコントロール回路５０へ送出され、一時的に記憶される。
【００３０】
ステップＳ２１２ではレリーズボタン１６が全押しされたかどうかが検出される。全押しされなければステップＳ２０４から再実行される。レリーズボタン１６が全押しされるとステップＳ２１４へ進み、レリーズスイッチ７４がＯＮし、ＣＣＤ２１の露光が開始される。露光はステップＳ２０６において演算された露光時間に基づいて行なわれる。またこの時、距離データＬ1 、Ｌ2 は更新不可となり、レリーズボタン全押し直前の最新の距離データが記録保持される。
【００３１】
ステップＳ２１６では、一定時間後ＣＣＤ２１から画素データが読み出される。ステップＳ２１８では読み出された撮像データと距離データ等の付加情報とが結合され、画像データとして、例えば図５に示すような所定のフォーマットでメモリカード３０に記録される。図５は１回の撮影における画像データの形式を示す図である。ヘッダー部には画像名、シャッタスピード、レンズ焦点距離などの撮影条件、撮影日時、測定された距離データが順に書き込まれ、その後に撮像データが書き込まれる。撮像データの後には予備のスペースが設けられる。
【００３２】
またデータ記録と同時に画像データは表示装置２０に表示される。この画像データは一定時間あるいは次にレリーズボタン１６が半押しされるまで表示される。ステップＳ２２０でレリーズスイッチのロックが解除される。
【００３３】
ステップＳ２２２では電源が切断されたかどうかが検出される。電源が再び切断されると動作は終了するが、電源が切断されなければステップＳ２０４から再び実行される。
【００３４】
すなわち、レリーズボタン１６が半押し状態であれば、ステップＳ２０４〜Ｓ２１２が繰り返し実行され、カメラ１０が移動してもカメラ１０と地表面との鉛直方向の距離Ｌ1 と垂直方向の距離Ｌ2 は、逐次測定される。レリーズボタン１６が全押しされたときに、最新の測距データ、即ち撮影された時の距離データＬ1 ，Ｌ2 が撮像データとともに記録される。
【００３５】
このように測定されたデータに基づいて図面化が行なわれる。図面化は、まずカメラを用いて、測量対象となる被写体を２方向から撮影を行い、２つの異なる記録画像を得る。
【００３６】
図６は被写体上の物点Ｐ1 と、２枚の画像におけるそれぞれの像点と、撮影レンズの後側主点位置との関係を３次元的に示す図である。画像１、および画像２は２つのカメラ位置（撮影レンズの主点位置）Ｍ1 ，Ｍ2 からそれぞれ撮影されたときの画像である。このときの撮影光学系１２の光軸をそれぞれＯ1 ，Ｏ2 とする。
【００３７】
画像１において、撮像中心ｃ1 を原点とする２次元直交座標系である第１の写真座標系（ｘ1 ，ｙ1 ）が画像上に設定される。この第１の写真座標系（ｘ1 ，ｙ1 ）における物点Ｐ1 の像点はｐ11（ｐｘ11, ｐｙ11）で示される。同様に画像２においても、第２の写真座標系（ｘ2 ，ｙ2 ）における物点Ｐ1 の像点は、ｐ21（ｐｘ21, ｐｙ21）で示される。
【００３８】
２枚の画像から物点Ｐ1 の３次元座標（ＰＸ1 ，ＰＹ1 ，ＰＺ1 ）を求めるためには、所定の３次元座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）における２枚の画像の位置を定めることが必要である。図６に示す３次元座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）において、画像１の位置は第１のカメラ位置Ｍ1 （Ｘ1 ，Ｙ1 ，Ｚ1 ）及び光軸Ｏ1 の回転角（α1 ，β1 ，γ1 ）で示され、画像２の位置は第２のカメラ位置Ｍ2 （Ｘ2 ，Ｙ2 ，Ｚ2 ）及び光軸Ｏ2 の回転角（α2 ，β2 ，γ2 ）で示される。
【００３９】
第１のカメラ位置Ｍ1 （Ｘ1 ，Ｙ1 ，Ｚ1 ）、および第２のカメラ位置Ｍ2 （Ｘ2 ，Ｙ2 ，Ｚ2 ）は、図示しない外部の測定器によって測定される。この２つのカメラ位置の座標データから、互いの相対変位量（Ｘｏ，Ｙｏ，Ｚｏ）は以下の式で求められる。ただしこの３次元座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点Ｍｏを、カメラに電源が投入された直後の初期位置とする。
【００４０】
Ｘｏ＝Ｘ2 −Ｘ1 
Ｙｏ＝Ｙ2 −Ｙ1 
Ｚｏ＝Ｚ2 −Ｚ1 
【００４１】
同様に、光軸Ｏ1 から光軸Ｏ2 の相対回転角（α，β，γ）は、以下の式で求められる。なお、回転角αi （ｉ＝１〜２）はＸ軸に関する光軸Ｏi の回転角、回転角βi はＹ軸に関する光軸Ｏi の回転角、回転角γi はＺ軸に関する光軸Ｏi の回転角を示す。
【００４２】
α＝α2 −α1 
β＝β2 −β1 
γ＝γ2 −γ1 
【００４３】
物点Ｐj の３次元座標は、例えば（１）式に示す共線方程式を用いて、２つの画像の２次元座標から共通の３次元座標に変換する手法が用いられる。ｉは画像の数であり、ｊは物点個数である。ここではｊ＝１とする。なお、（１）式におけるＣは主点距離、即ち焦点距離であり、２枚の画像において同一であることとする。図６において、主点距離Ｃは、撮影レンズの主点位置Ｍ1 と撮像中心ｃ1 との距離、あるいは撮影レンズの主点位置Ｍ2 と撮像中心ｃ2 との距離である。この場合、主点距離Ｃは一定とし、既知であるものとする。
【００４４】
【数１】
0003766518.tif 000002
【００４５】
実際の演算では、２点以上の物点Ｐj （ｊ≧２）のｉ枚の画像における２次元座標ｐij（ｐｘij，ｐｙij）を用いて、逐次近似解法により物点Ｐj の３次元座標（ＰＸj ，ＰＹj ，ＰＺj ）が求められる。こうして得られた３次元座標（ＰＸj ，ＰＹj ，ＰＺj ）を、座標変換や補正等を施して、Ｘ−Ｚ平面などの任意の図面が得られる。
【００４６】
この場合例えば図７に示すような傾斜した地表面Ｐ上で撮影が行なわれた場合、地表面Ｐを水平面Ｐｈとみなすと誤差が生じるので、Ｘ−Ｚ平面を傾斜角θだけ回転変換し各点の座標値の補正を行なう。この傾斜角θは幾何学的に（２）式から求められる。
【００４７】
θ＝cos -1（Ｌ1 ／Ｌ2 ）      ・・・（２）
【００４８】
本願発明のカメラは、撮影時にＬ1 ，Ｌ2 を同時に記録している。これにより、外部装置（コンピュータ）側において、必要に応じて（２）式に基づいて傾斜角θが演算できる。また、建物の高さなど水平面Ｐｈあるいは地表面Ｐに対して鉛直方向の座標軸が必要な地図を作成する際に、各点の座標補正を行うのに利用できる。即ち、解析時に容易に地表面の傾斜度が分かるので、図面の精度が向上する。
【００４９】
なお、実施形態では傾斜角θの演算を外部のコンピュータで行なっているが、傾斜角θを求める演算をカメラ内のシステムコントロール回路で行なってもよい。この場合、システムコントロール回路の動作は、例えば、図４のステップＳ２１８において上述の（２）式を実行して角度θを求め、この角度θの情報を、前述のスペース領域（図５参照）に記録する構成にすればよい。
【００５０】
図８は、個々に作成した複数のＸ−Ｚ平面図を繋げて１つのＸ−Ｚ平面図を作成する場合に生じる誤差を示した模式図である。
広範囲の地形の写真測量を行うときは、複数の画像からＸ−Ｚ平面図を作成する。図８（ａ）は、Ｙ−Ｚ平面に平行な断面におけるＺ方向の長さ（以下、実測水平長さという）がＤt である地形を、カメラ１０によって７回撮影した場合を示す図である。７回の撮影範囲のＺ方向長さをそれぞれＤ1 〜Ｄ7 とする。この７回の撮影によって図８（ｂ）に示す７枚の画像Ｇ1 〜Ｇ7 が得られる。画像Ｇ1 〜Ｇ7 における各範囲長さ（以下、画像長さという）をそれぞれｄ1 〜ｄ7 とする。
【００５１】
傾斜の補正を行わない場合、図８（ｃ）に示すように、実際には水平面に対して傾斜した画像Ｇ1 〜Ｇ7 を水平面とみなして連結したことになるので、各画像長さｄ1 〜ｄ7 の総和である全画像長さｄt は、Ｚ方向長さＤt よりもＥt 分だけ長くなる。画像Ｇ1 におけるＺ方向長さＤ1 と画像長さｄ1 との誤差をＥ1 とし、同様にＺ方向長さＤ2 〜Ｄ7 と画像長さｄ2 〜ｄ7 との誤差をＥ2 〜Ｅ7 とすると、誤差Ｅt は誤差Ｅ1 〜Ｅ7 の総和である。繋げる画像枚数が多くなればなるほど、この誤差Ｅt は拡大する。
【００５２】
しかし本実施形態では、各画像Ｇ1 〜Ｇ7 における傾斜角が測定され、この傾斜角に基づいて画像Ｇ1 〜Ｇ7 はそれぞれ水平面上の画像Ｇ’1 〜Ｇ’7 として補正される。即ち図８（ｂ）の各画像Ｇ1 〜Ｇ7 は図８（ｄ）に示すようにそれぞれ傾斜角分だけ回転変換され、画像Ｇ’1 〜Ｇ’7 が求められる。補正後の画像Ｇ’1 〜Ｇ’7 の画像長さは、ｄ’1 〜ｄ’7 であり、全画像長さｄ’t はｄ’1 〜ｄ’7 の総和となる。図８（ｄ）には画像長さｄ’1 のみを示す。各画像Ｇ’1 〜Ｇ’7 における補正後の画像長さｄ’1 〜ｄ’7 はＺ方向長さＤ1 〜Ｄ7 とほぼ同値になるので、全画像Ｇ’1 〜Ｇ’7 を連結した長さｄ’t はＺ方向長さＤt との誤差が小さくなり、より精度の高いＸ−Ｚ平面図が得られる。
【００５３】
以上のように、本実施形態のセンサ内蔵カメラを用いると、１枚の画像における誤差が小さくなるだけでなく、さらに複数の画像を連結して１枚の平面図を作成するときには、全画像の誤差の総和が小さくなるので、平面図の精度の向上に特に有効である。
【００５４】
【発明の効果】
本発明のセンサ内蔵カメラを用いると、撮影地点の地表面の傾斜角が容易に得られ、精度の高い図面が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態であるセンサ内蔵カメラを示す外観図である。
【図２】図１に示すセンサ内蔵カメラの底面図である。
【図３】図１に示すセンサ内蔵カメラの回路構成を示すブロック図である。
【図４】図１に示すセンサ内蔵カメラの動作のフローチャートを示す図である。
【図５】画像データのフォーマットを示す図である。
【図６】画像と被写体上の物点との位置関係を３次元的に示す模式図である。
【図７】カメラと地表面との関係を示す模式図である。
【図８】傾斜の補正を行う測量と、傾斜の補正を行わない測量とにおける測量誤差を示す模式図である。
【符号の説明】
１０  カメラ本体
１２  撮影光学系
１６  レリーズボタン
３０  メモリカード
４０  測距センサ
５０  システムコントロール回路
【図１】
0003766518.tif 000003
【図２】
0003766518.tif 000004
【図３】
0003766518.tif 000005
【図４】
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【図５】
0003766518.tif 000007
【図６】
0003766518.tif 000008
【図７】
0003766518.tif 000009
【図８】
0003766518.tif 000010