JP2005005816A - 広角カメラおよび広角カメラシステム - Google Patents

Abstract

【課題】撮像素子の画素数を多くすることなく解像度が高い画像を得る。
【解決手段】双曲面ミラー５とレンズ６とからなる光学系１ａと、光学系で集光された光学像を撮像する撮像素子７とを含む撮像手段１ｂとを有する広角カメラ１において、光学系１ａで集光されたミラー光像のうち、撮像対象となる所定視野領域が撮像面の有効領域１０に拡大されて結像されるべく、レンズ６の光軸１２と、撮像素子７の撮像面の有効領域中心１０ａとが、撮像面上で所定の距離を有するように、光学系１ａと撮像素子７との相対位置関係を調整するため、撮像素子７の画素数を多くすることなく、元々の画素数を有効に用いることができて、解像度が高い画像を得ることができる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボット用視覚センサ、セキュリティ用カメラ、車載用カメラなどに利用される広角カメラおよび広角カメラシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、広い範囲の視野情報を同時に入力し得る入力装置に対する研究が盛んに行われている。このような広い範囲の視野情報を得ることができる画像入力装置として、例えば特許文献１には、二葉双曲面ミラーを用いた全方位カメラが開示されている。この全方位カメラは、周囲３６０°の視野画像を一度に撮像することができ、その撮像画像から射影中心を有する透視投影画像をリアルタイムに作成することができる。また、このような全方位カメラを、例えばロボット用視覚センサー、セキュリティ用カメラ、車載用カメラなどとして用いた全方位視覚システムの研究開発も盛んに為されている。
【０００３】
以下に、従来の全方位カメラについて図６を用いて説明する。
【０００４】
図６は、従来の全方位カメラにおける光学系および撮像手段の配置例を示す図であって、（ａ）は、光学系を構成する双曲面ミラー５およびレンズ６と、撮像手段を構成する撮像素子７との配置を模式的に示す斜視図、（ｂ）は、双曲面ミラー５およびレンズ６を介して得られた円形のミラー像と撮像素子７の撮像面有効領域との配置関係を示す平面図である。
【０００５】
図６（ａ）および図６（ｂ）において、この全方位カメラ２０は、周囲３６０°の視野対象を撮像するため、例えば凸型回転体ミラーの一種である双曲面ミラー５およびレンズ６を含む光学系１ａと、その光学系１ａで集光された光学像を撮像する撮像素子７を含む撮像手段１ｂとを有している。
【０００６】
この光学系１ａは、上記特許文献１に詳しく説明されているので、ここでは，その特徴点についてのみ説明を行う。この双曲面ミラー５は、双曲線を（Ｘ，Ｙ，Ｚ）座標系のＺ軸を中心として回転させて得られる曲面である２葉双曲面の一方（Ｚ＞０の領域）の凸状面に、鏡面を形成したものである。
【０００７】
２葉双曲面は、下記式（１）によって表される。
【０００８】
（Ｘ^２＋Ｙ^２）／ａ^２−Ｚ^２／ｂ^２＝−１ ・・・（１）
ｃ^２＝ａ^２＋ｂ^２
上記式（１）において、ａおよびｂは双曲面の形状を定義する定数、ｃは焦点の位置を定義する定数であり、それぞれ、図６（ａ）に同一の符号ａ、ｂ、ｃにて示す部分に対応する。ａは２葉双曲面の漸近線ＺＥと双曲面ミラー５の頂点との距離、ｂは双曲面ミラー５の頂点と座標原点８との距離、ｃは第１の焦点Ｃ１および第２の焦点９と座標原点８との距離である。
【０００９】
この２葉双曲面は、第１の焦点Ｃ１および第２の焦点９という二つの焦点を有しており、外部から焦点Ｃ１に向かう光は双曲面ミラー５で反射されて、全て第２の焦点９に向かうという特徴がある。
【００１０】
したがって、図６（ａ）に示すように、双曲面ミラー５の回転軸１２ａ（光学系の光軸）と、レンズ６の光軸１２を一致させると共に、第２の焦点９にレンズ６の主点６ａを一致させるように、双曲面ミラー５とレンズ６とを配置することにより、撮像素子７で撮影すると、第１の焦点８を視点中心として、視野方向によって視点位置が変わらない画像が得られるという特徴を示す。
【００１１】
また、双曲面ミラー５の回転軸１２ａと一致させたレンズ６の光軸１２は、図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、撮像素子７の撮像面有効領域の中心１０ａで交差している。一般的に、撮像素子７の撮像面有効領域１０は長方形状であり、この全方位カメラ２０では、その撮像面有効領域１０の短辺長を直径とする円形状のミラー像１１が入力画像として利用されている。
【００１２】
次に、このような全方位カメラを用いたカメラシステムについて、図７を用いて説明する。
【００１３】
図７は、従来の全方位カメラを用いたカメラシステムの構成例を示すブロック図である。
【００１４】
図７において、このカメラシステム１００は、全方位カメラ２０と、この全方位カメラ２０により撮像された画像情報に対して所定の演算処理を施す画像処理手段２と、この画像処理手段２で各種演算処理された画像情報を表示画面上に表示する表示手段３と、この表示手段３で表示される画像の選択、画像のサイズの制御などを行う表示制御手段４とを有している。
【００１５】
全方位カメラ２０は、図６に示す双曲線ミラー５およびレンズ６を含む光学系１ａと、撮像素子７を含む撮像手段１ｂとを有している。
【００１６】
撮像手段１ｂでは、双曲面ミラー５およびレンズ６によって集光された光学像が固体撮像素子７に入射され、ＣＣＤまたはＣＭＯＳイメージセンサなどの固体撮像素子７によって画像情報に変換される。変換された画像情報は、画像処理手段２に送られる。
【００１７】
画像処理手段２は、撮像手段１ｂから供給された画像情報に対して種々の演算処理を施す画像変換部２ａと、画像変換部２ａで演算処理された結果を格納する出力バッファメモリ２ｂとを有している。
【００１８】
画像変換部２ａでは、撮像手段１ｂから供給された画像情報に対して、表示制御部４から制御ライン４ａを介して供給される制御信号にしたがって、種々の演算処理が施され、その処理結果が出力バッファメモリ２ｂに格納される。
【００１９】
出力バッファメモリ２ｂに格納された画像データは、信号ケーブル３ａを介して表示手段３に供給されて、表示手段３の表示画面上に表示される。
【００２０】
このカメラシステム１００において、解像度を高くするためには、光学ズームを利用することができないため、入力画像データの一部を抜き出して電子的に拡大表示させるという電子ズームが利用される。したがって、この電子ズームを行っても良好な表示状態が保たれるように、撮像素子の画素数を多くする必要がある。
【００２１】
このように光学ズームを用いることができない理由は、以下の通りである。光学ズームでは、レンズ６の焦点距離を長くし、画角を狭くして、撮像領域を相対的に狭くすることにより、相対的に拡大された撮像画像が得られる。これに対して、全方位カメラ２０では、レンズ６の画角が変わると被写体であるミラー像が拡大されてミラー中心部のみが撮像されることになり、ミラー全体を撮像することができなくなる。したがって、全方位カメラ２０では、常にミラー全体が撮像される必要があるため、ミラー像は常に一定のサイズで撮像されている必要があり、これには光学ズームを適用することができない。
【００２２】
【特許文献１】
特開平６−２９５３３３号公報
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の全方位カメラ２０を用いたカメラシステム１００では、解像度を高くするために、光学ズームを利用することができない。また、電子ズームを利用する場合には、電子ズームに耐え得るように、撮像素子７の画素数を多くする必要があった。
【００２４】
しかしながら、撮像素子７の画素数を多くする方法では、撮像素子７の読み出し速度の制約から、動画像を撮像して再生表示するためには一定の画素数以上に画素数を多くすることができず、それ以上に画素数を多くして解像度を高くすることは困難であった。
【００２５】
例えば動画像を撮像してそれを再生表示する場合などには、撮像素子７の読み出し速度の制約から、比較的低画素数のＣＣＤ撮像素子を用いつつ、画像の分解能（解像度）を高くする方法が求められる。
【００２６】
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、撮像素子の画素数を現状に比べて多くすることなく、解像度が高い画像を容易に得ることができる広角カメラおよびこれを用いた広角カメラシステムを提供することを目的とする。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
本発明の広角カメラは、光学系と、該光学系で集光された光学像を撮像する撮像素子とを含む広角カメラにおいて、該光学系の光軸と該撮像素子の撮像面の有効領域中心とが、少なくとも撮像対象視野光を撮像画面上に拡大投影するべく、該撮像面上で所定の距離を有するように該光学系および該撮像素子が配置されており、そのことにより上記目的が達成される。
【００２８】
また、好ましくは、本発明の広角カメラにおける光学系の光軸と前記撮像素子の撮像面の有効領域中心との距離は、前記光学系で集光された光学像のうち、撮像対象となる所定視野領域の光学像が該撮像面の有効領域に結像されるように設定されている。
【００２９】
さらに、好ましくは、本発明の広角カメラにおける光学系の光軸と前記撮像素子の撮像面の有効領域中心との距離は、前記光学系と該撮像素子との相対的な位置関係により設定されている。
【００３０】
さらに、好ましくは、本発明の広角カメラにおける撮像素子の有効撮像面が長方形状であり、前記光学系で集光された光学像の一部が該長方形の短辺および長辺方向いっぱいに結像されている。
【００３１】
さらに、好ましくは、本発明の広角カメラにおける光学系は、凸型回転体ミラーとレンズとを含み、該凸型回転体ミラーの回転軸を該レンズの光軸と一致させ、かつ、該凸型回転体ミラーの凸部を該レンズ側に向けて配置されている。
【００３２】
さらに、好ましくは、本発明の広角カメラにおける凸型回転体ミラーは、２葉双曲面のうちの一方の双曲面状の形状を有する反射ミラーであり、該双曲面の第２の焦点位置に前記レンズの主点が一致するように配置されている。
【００３３】
さらに、好ましくは、本発明の広角カメラにおける撮像素子は固体撮像素子である。
【００３４】
本発明の広角カメラシステムは、請求項１〜７のいずれかに記載の広角カメラと、該広角カメラで撮像された画像情報に対して表示用に所定の演算処理を施す画像処理手段とを有し、そのことにより上記目的が達成される。
【００３５】
また、好ましくは、本発明の広角カメラシステムにおいて、画像処理手段で演算処理された画像情報を表示画面上に表示する表示手段をさらに有する。
【００３６】
さらに、好ましくは、本発明の広角カメラシステムにおいて、表示手段の表示画面上に表示される画像の選択および画像サイズを制御する表示制御手段をさらに有する。
【００３７】
さらに、好ましくは、本発明の広角カメラシステムにおいて、画像処理手段による演算処理には、前記広角カメラで撮像された画像情報に対して、極座標系から直交座標系への変換処理が含まれている。
【００３８】
さらに、好ましくは、本発明の広角カメラシステムにおいて、極座標系から直交座標系への変換処理には、パノラマ変換処理および透視変換処理の少なくとも何れかが含まれている。
【００３９】
上記構成により、以下に、本発明の作用について説明する。
【００４０】
本発明にあっては、例えば双曲面ミラーなどの凸型回転体ミラーおよびレンズを含む光学系と、その光学系で集光された光学像を撮像するＣＣＤやＣＭＯＳイメージャなどの撮像素子とを含む広角カメラにおいて、光学系の光軸と撮像素子の撮像面の有効領域中心とが、少なくとも撮像対象視野光を撮像画面上に拡大投影するべく、撮像面上で所定の距離を有するように光学系と撮像素子とが配置されている。
【００４１】
従来の全方位カメラでは、凸型回転体ミラーとしての双曲面ミラーに映っている円形画像全体を撮像するために、双曲面ミラーからの全体光像が撮像素子の撮像面有効領域内に入るように光学系と撮像素子とが配置されており、図６（ｂ）に示すように、ミラー像の直径が撮像素子の撮像面有効領域の短辺長よりも短くなるように、光学系と撮像素子とが配置されていた。
【００４２】
しかしながら、全方位カメラの利用目的によっては、必ずしもカメラの周囲３６０度（全方位）を撮像する必要がない場合がある、例えば、部屋の壁際に設置される場合や、車のコーナーモニタのように前方，側面，後方の３方向の視野範囲に限定される場合などが挙げられる。
【００４３】
このように、カメラの周囲３６０度を撮像する必要がない場合には、光学系で集光された光学像のうち、必要とされる部分（撮像視野対象）だけが撮像素子の撮像面有効領域に、上記従来の場合に比べて拡大して結像されるように、光学系と撮像素子との相対的な配置を調整して、カメラの画角を変更すると共に、光学系の光軸を撮像素子の撮像面の有効領域中心からずらすことができる。この場合には、光学系で集光された円形状の光学像が一部欠けた状態で、例えば長方形状の撮像素子の撮像面の長辺および短辺いっぱいに結像される。
【００４４】
これにより、双曲面ミラーとレンズとを含む光学系で集光された光学像は、ＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサなどの撮像素子の撮像面上に拡大投影されるため、画素数が多い撮像素子を用いなくても、元々ある画素数を有効に用いることにより解像度が高い画像が得られる。
【００４５】
また、本発明の広角カメラシステムは、本発明の広角カメラで撮像された画像情報に対して、画像処理手段によって、パノラマ変換や透視変換などのような極座標系から直交座標系への変換処理を施して、表示手段によって表示させることができる。このときの変換処理の選択、画像サイズなどは、表示制御手段によって制御することができる。
【００４６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の広角カメラの実施形態を広角カメラシステムに適用した場合ついて、図面を参照しながら説明する。なお、本発明の広角カメラは、全方位未満の視野を撮像するものである。
【００４７】
図１は、本発明の広角カメラの一実施形態における光学系および撮像手段の配置例を示す図であり、（ａ）は、光学系を構成する双曲面ミラー５およびレンズ６と、撮像手段を構成する固体撮像素子などの撮像素子７との配置関係を模式的に示す斜視図、（ｂ）は、双曲面ミラー５およびレンズ６を介して得られたミラー光像と撮像素子７の撮像面有効領域との配置関係を示す平面図である。
【００４８】
図１（ａ）において、この広角カメラ１は、凸型回転体ミラーの一種である双曲面ミラー５およびレンズ６を含む光学系１ａと、その光学系で集光される光学像を撮像するＣＣＤやＣＭＯＳイメージャなどの固体撮像素子からなる固体撮像素子７を含む撮像手段１ｂとを有している。
【００４９】
双曲面ミラー５は、図６の場合と同様に、双曲線を（Ｘ，Ｙ，Ｚ）座標系のＺ軸（双曲面ミラー５の回転軸１２ａ）を中心として回転させて得られる曲面である２葉双曲面の一方（Ｚ＞０の領域）の凸状面に、鏡面を形成したものである。この２葉双曲面は、上記式（１）によって表される。
【００５０】
この２葉双曲面は、第１の焦点Ｃ１および第２の焦点９という二つの焦点を有しており、外部から一方の第１の焦点Ｃ１に向かう光は双曲面ミラー５で反射されて、全て第２の焦点９に向かうという特徴がある。
【００５１】
このため、図１（ａ）に示すように、双曲面ミラー５の回転軸１２ａ（光学系の光軸）と、レンズ６の光軸１２を一致させると共に、第２の焦点９にレンズ６の主点６ａを一致させるように、双曲面ミラー５とレンズ６とを配置することにより、撮像素子７で撮影すると、第１の焦点Ｃ１を視点中心として、視野方向によって視点位置が変わらない画像が得られる。
【００５２】
また、本実施形態の広角カメラ１において、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、撮像素子７の撮像面の有効領域中心１０ａから所定の距離だけ離れた位置１０ｂで撮像素子７と交差している。このとき、カメラの画角と、レンズ６および撮像素子７の配置（カメラの画角は光学系１ａと撮像素子７とのＺ軸方向の配置調整により設定、レンズ６および撮像素子７の配置は、光学系１ａに対して撮像素子７のＸ−Ｙ軸方向の配置調整により設定、但し、各配置調整に合わせて、ミラー定数、レンズの焦点距離なども変更される。）とは、少なくとも撮像対象視野光を撮像画面上に拡大投影するべく、光学系で得られたミラー光像のうち、撮像対象となる所定の視野領域だけが撮像面の有効領域１０内いっぱい（図１（ｂ）のように長辺および短辺方向いっぱい）に結像されるように調整されている。これによって、長方形状の撮像素子７の撮像面有効領域１０には、円形状のミラー光像のうちの一部が欠けた状態の投影光像１１ａが入力画像として結像されている。
【００５３】
なお、図１（ｂ）の例では、光軸中心１２が、撮像素子７の撮像面の有効領域中心１０ａから下方向にずれた位置１０ｂに配置されているが、ずれの方向はこれに限らず、広角カメラ１の用途など、必要に応じて上下左右いずれの方向にずれていてもよい。
【００５４】
ここで、本実施形態の広角カメラ１を用いたカメラシステム１００Ａについて、図２を用いて説明する。
【００５５】
図２は、本発明の広角カメラシステムの一実施形態における構成例を示すブロック図である。
【００５６】
図２において、この広角カメラシステム１００Ａは、広角カメラ１と、この広角カメラ１で撮像された画像情報に対して所定の演算処理を施す画像処理手段２と、画像処理手段２で演算処理された画像情報を表示画面上に表示する表示手段３と、表示手段３で表示される画像の選択、画像のサイズの制御などを行う表示制御手段４とを有している。
【００５７】
全方位カメラ１は、図１に示す双曲線ミラー５を含む光学系１ａと、撮像素子７を含む撮像手段１ｂを有している。
【００５８】
撮像手段１ｂでは、双曲面ミラー５を介して得られる光学像が、レンズ６を介して撮像素子７に入射され、ＣＣＤまたはＣＭＯＳイメージセンサなどの撮像素子７によって画像情報に変換される。変換された画像情報は、画像処理手段２に送られる。
【００５９】
画像処理手段２は、撮像手段１ｂから供給された画像情報に対して種々の演算処理を施す画像変換部２ａと、画像変換部２ａで演算処理された結果を格納する出力バッファメモリ２ｂとを有している。
【００６０】
画像変換部２ａでは、撮像手段１ｂから供給された画像情報に対して、表示制御部４から制御ライン４ａを介して供給される制御信号にしたがって、パノラマ変換処理や透視変換処理などのような極座標系から直交座標系への変換処理が行われると共に、それらの画像サイズの調整などが行われ、その処理結果が出力バッファメモリ２ｂに格納される。
【００６１】
出力バッファメモリ２ｂに格納された画像データは、信号ケーブル３ａを介して表示手段３に供給され、表示手段３の表示画面上に表示される。
【００６２】
なお、図１に示す本実施形態の広角カメラシステム１００Ａは、図７に示す従来の全方位カメラシステムと同様のブロック構成によって表されているが、広角カメラ１を構成する光学系１ａおよび撮像手段１ｂは従来のものとはその配置が異なっており、本発明固有の構成を有している。また、光学系１ａおよび撮像手段１ｂの配置関係が従来とは異なっていることから、画像処理手段２で行われる演算処理についても、従来とは異なる本願固有の処理となる。
【００６３】
ここで、本実施形態の広角カメラシステム１００Ａにおける画像処理手段２について、図３〜図５を用いて詳細に説明する。
【００６４】
図３は、図２の画像処理手段２の要部構成例を示すブロック図である。
【００６５】
図３において、この画像処理手段２は、Ａ／Ｄ変換器２１、入力バッファメモリ２２、ＣＰＵ２３、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）２４、画像変換ロジック２５などを含む画像変換部２ａと、その処理結果を格納する出力バッファメモリ２ｂとを有しており、各々がバスライン２６によって接続されている。
【００６６】
広角カメラ１によって撮像された画像情報が、バスライン２６を介して画像処理手段２に入力されると、その画像情報がアナログ信号の場合には、Ａ／Ｄ変換器２１によってデジタル信号に変換された後、入力バッファメモリ２２に入力される。また、画像情報がデジタル信号の場合には、直接、入力バッファメモリ２２に入力される。
【００６７】
次に、入力バッファメモリ２２からの出力データに対して、画像変換ロジック２５によってパノラマ変換または透視変換などの各種演算処理が施され、各種演算処理後のデータが出力バッファメモリ２ｂに格納される。
【００６８】
これらの画像演算処理は、後述するように、極座標系から直交座標系への変換処理のために三角関数が多用されるが、三角関数の計算には、一般に非常に時間がかかる。そこで、本実施形態では、予め関数の数値を計算し、その数値をルックアップテーブル（ＬＵＴ）２４にテーブルデータとして格納しておき、必要なときにそのテーブルデータを参照して座標変換を行っている。
【００６９】
画像処理手段２を構成する各部分の制御は、ＣＰＵ２３（制御部：中央演算処理装置）によって行われる。このＣＰＵ２３は、所謂ＲＩＳＣ（ＲｅｄｕｃｅｄＩｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｓｅｔ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）方式のＣＰＵであっても、ＣＩＳＣ（Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｓｅｔ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）方式のＣＰＵであってもよい。
【００７０】
次に、画像変換ロジック２５による画像変換処理の原理について説明する。
【００７１】
まず、パノラマ変換処理について、図４を用いて説明する。
【００７２】
図４は、図２の画像変換部２ａによるパノラマ変換処理について説明するための図であり、（ａ）には撮像面１０に結像された一部欠けた円形入力画像（ミラー光像１１ａ）が示され、（ｂ）には変換後のパノラマ画像１３が示されている。
【００７３】
図４（ａ）に示す入力画像１１ａを、撮像面とレンズ６の光軸１２との交点１０ｂを原点とした極座標で表わすと、各画素Ｐの座標は（ｒ，θ）で表わされる。
【００７４】
図４（ａ）において、この入力画像１１ａを、ドーナツ状に切り出して、撮像面とレンズ光軸との交点１０ｂからの距離ｒｏ、角度θｏである内円の一方のコーナ点ＰＯ（ｒｏ，θｏ）を基準に切り開いて引き伸ばし、図４（ｂ）に示すような四角いパノラマ画像１３に変換するための座標変換式は、パノラマ画像１３上の点の座標をＰ（ｘ，ｙ）とすると、
ｘ＝θ−θｏ
ｙ＝ｒ−ｒｏ
と表される。
【００７５】
ここで、入力画像１１ａ上の点の座標をＰ（Ｘ，Ｙ）、その中心１０ｂの座標をＯ（Ｘｏ，Ｙｏ）とすると、
Ｘ＝ｒ×ｃｏｓθ＋Ｘｏ
Ｙ＝ｒ×ｓｉｎθ＋Ｙｏ
から、
Ｘ＝（ｙ＋ｒｏ）ｃｏｓ（ｘ＋θｏ）＋Ｘｏ ・・・（２）
Ｙ＝（ｙ＋ｒｏ）ｓｉｎ（ｘ＋θｏ）＋Ｙｏ ・・・（３）
と表わされる。
【００７６】
次に、透視変換処理について、図５を用いて説明する。
【００７７】
図５は、図２の画像変換部２ａにおける透視変換処理について説明するための図である。
【００７８】
図５において、透視変換の座標変換処理では、空間上の点から、その点が画像上のどの位置に対応するかを計算し、その点の画像情報を透視変換後の対応する座標位置に割り当てる方法が適用される。
【００７９】
空間上の点の座標をＰ（ｔｘ，ｔｙ，ｔｚ）（またはＰ（Ｘ，Ｙ，Ｚ））とし、対応する画像１１ａ上の点の座標をＲ（ｒ，θ）（ｒはレンズ６の光軸１２と撮像素子の撮像面１０との交点１０ｂからの距離、θはＺ軸回りの回転角）とし、レンズ６の焦点距離（レンズ６と撮像面１０との距離）をＦとし、さらに、双曲面ミラー５のミラー定数をａ，ｂ，ｃとすると、
ｒ＝Ｆ×ｔａｎ（（π／２）−β） ・・・（４）
但し、β＝ａｒｃｔａｎ（（（ｂ^２＋ｃ^２）×ｓｉｎα−２×ｂ×ｃ）／（ｂ^２−ｃ^２）×ｃｏｓα）
α＝ａｒｃｔａｎ（ｔｚ ／ √（ｔｘ^２＋ｔｙ^２））
θ＝ａｒｃｔａｎ（ｔｙ／ｔｘ）
となる。なお、αは、双曲面ミラー５の第１の焦点Ｃ１を含む水平面から空間上の点Ｐに対する俯角であり、βは、第２の焦点９を含む水平面から双曲面ミラー５の入射点に対する天頂角である。
【００８０】
これらの式を整理すると、
ｒ＝Ｆ×（（（ｂ^２−ｃ^２）×√（ｔｘ^２＋ｔｙ^２））／（（ｂ^２＋ｃ^２）×ｔｚ−２ｂｃ×√（ｔｘ^２＋ｔｙ^２＋ｔｚ^２））） ・・・（４’）
となる。
【００８１】
さらに、画像１１ａ上の点の座標を極座標系から直行座標系に変換し、Ｒ（Ｘ，Ｙ）と表すと、
Ｘ＝ｒｃｏｓθ
Ｙ＝ｒｓｉｎθ
から、
Ｘ＝Ｆ×（（（ｂ^２−ｃ^２）×ｔｘ／（（ｂ^２＋ｃ^２）×ｔｚ−２ｂｃ×√（ｔｘ^２＋ｔｙ^２＋ｔｚ^２））） ・・・（５）
Ｙ＝Ｆ×（（（ｂ^２−ｃ^２）×ｔｙ／（（ｂ^２＋ｃ^２）×ｔｚ−２ｂｃ×√（ｔｘ^２＋ｔｙ^２＋ｔｚ^２））） ・・・（６）
となる。
【００８２】
ここで、双曲面ミラー５の第１の焦点Ｃ１から、距離Ｒ、俯角φ（図５ではα）、Ｚ軸周りの回転角θである透視空間上に幅Ｗ、高さｈの画像平面（仮想平面）１４について考える。この平面１４上の点、例えば右上コーナの点の座標Ｐ１（ｔｘ、ｔｙ、ｔｚ）は下記式（７）〜（９）で表される。
【００８３】
ｔｘ＝（Ｒｃｏｓφ＋ｈ／２ｓｉｎφ）ｃｏｓθ−Ｗ／２ｓｉｎθ・・・（７）
ｔｙ＝（Ｒｃｏｓφ＋ｈ／２ｓｉｎφ）ｓｉｎθ−Ｗ／２ｃｏｓθ・・・（８）
ｔｚ＝Ｒｓｉｎφ−ｈ／２ｃｏｓφ ・・・（９）
したがって、上記式（７）〜（９）を式（５）および（６）に代入することによって、入力画像面１１ａ上の点の座標（Ｘ，Ｙ）を、下記式（１０）および（１１）に示すように、極座標形式で表すことができる。
【００８４】
Ｘ＝Ｆ×（（（ｂ^２−ｃ^２）×（（Ｒｃｏｓφ＋ｈ／２ｓｉｎφ）ｃｏｓθ−Ｗ／２ｓｉｎθ）／（（ｂ^２＋ｃ^２）×（Ｒｓｉｎφ−ｈ／２ｃｏｓφ）
−２ｂｃ×√（Ｒ^２＋Ｗ^２＋ｈ^２））） ・・・（１０）
Ｙ＝Ｆ×（（（ｂ^２−ｃ^２）×（（Ｒｃｏｓφ＋ｈ／２ｓｉｎφ）ｓｉｎθ−Ｗ／２ｃｏｓθ）／（（ｂ^２＋ｃ^２）×（Ｒｓｉｎφ−ｈ／２ｃｏｓφ） −２ｂｃ×√（Ｒ^２＋Ｗ^２＋ｈ^２））） ・・・（１１）
ここで、透視画面サイズをピクセル単位でａ，ｂとすると、仮想平面の幅ＷをＷ／ａステップで、高さｈをｈ／ｂステップで、Ｗ〜―Ｗ、ｈ〜―ｈまで変化させたときに、それぞれの仮想平面１４上の点に対応する入力画像１１ａの画像データを並べることによって、透視画像が得られる。
【００８５】
上記構成により、画像処理手段２の動作について説明する。
【００８６】
まず、表示手段３では、信号ケーブル３ａを介して画像処理手段２で処理された画像データが入力されると、その画像データが映像として表示される。このとき、表示制御手段４により制御ライン４ａを介して画像処理手段２の変換パラメータであるａ，ｂ，ｃ，Ｒ，Ｗ，ｈ（パノラマ変換では、上記式（２）および（３）からｒｏ、θｏ、Ｘｏ、Ｙｏが必要で、透視変換では、上記式（１０）および（１１）から、Ｆ、ｂ、ｃ、Ｒ、ｈ、Ｗ、θ、φが必要）などが指定される。
【００８７】
画像処理手段２では、ＣＰＵ２３によって、それらの変換パラメータに基づいて、表示手段３に表示させる画像（画像処理手段２により変換されるパノラマ画像および透視画像など）の種類、画像の向き、画像のサイズなどの選択調整が行われる。
【００８８】
例えば図４において、ＰＯ（ｒｏ，θｏ）のθｏを変化させることにより、パノラマ画面での中心視野方向（図４Ａ参照；撮像素子の撮像面の有効領域１８、ミラー光像１９、パノラマ画像２８）を変化させることが可能である。また、図５において、θ、α、Ｗ、ｈを変化させることにより、透視画面の向きと画面サイズを変化させることが可能である。
【００８９】
以上により、本発明によれば、双曲面ミラー５とレンズ６とからなる光学系１ａと、光学系で集光された光学像を撮像する撮像素子７とを含む撮像手段１ｂとを有する広角カメラ１において、光学系１ａで集光されたミラー光像のうち、撮像対象となる所定視野領域が撮像面の有効領域１０に拡大されて結像されるべく、レンズ６の光軸１２と、撮像素子７の撮像面の有効領域中心１０ａとが、撮像面上で所定の距離を有するように、光学系１ａと撮像素子７との相対位置関係を調整するため、撮像素子７の画素数を多くすることなく、元々の画素数を有効に用いることができて、解像度が高い画像を得ることができる。
【００９０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、双曲面ミラーなどの凸型回転体ミラーおよびレンズを含む光学系と、その光学系で集光された光学像を撮像するＣＣＤやＣＭＯＳイメージャなどの撮像素子を含む広角カメラにおいて、カメラの周囲３６０度を撮像する必要がない場合に、光学系と撮像素子との相対的な位置を調整して、光学系の光軸と撮像素子の撮像面の有効領域中心とを、少なくとも撮像対象視野光を撮像画面上に拡大投影するべく、撮像面上で所定の距離を有するようにずらせた配置とすることによって、光学系で集光された光学像のうち、必要な部分（撮像対象）だけが撮像素子の撮像面有効領域に結像させて、拡大表示することができる。これによって、従来の場合と同じ画素数の撮像素子を用いても、解像度の高い画像を得ることができる。
【００９１】
また、本発明では、従来の全方位カメラおよびこれを用いた全方位カメラシステムと、機構および部品の多くが共通しており、従来技術からの変更点を最小限に抑えることができるため、低コストで高解像度の画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明の一実施形態である広角カメラの光学系と撮像手段との配置例を模式的に示す斜視図および、（ｂ）は、（ａ）の広角カメラによるミラー像と撮像素子７の撮像面有効領域との配置関係を示す平面図である。
【図２】本発明の一実施形態である広角カメラシステムの構成例を示すブロック図である。
【図３】図２の画像処理手段の構成例を示すブロック図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、図２の画像処理手段によるパノラマ変換処理について説明するための図である。
【図４Ａ】図４のパノラマ画面での中心視野方向の変化について説明するための図である。
【図５】図２の画像処理手段による透視変換処理について説明するための図である。
【図６】（ａ）は、従来の全方位カメラの光学系と撮像手段との配置例を模式的に示す斜視図および、（ｂ）は、（ａ）の全方位カメラによるミラー像と撮像素子の撮像面有効領域との配置関係を示す平面図である。
【図７】従来の全方位カメラシステムの構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 広角カメラ
１ａ 光学系
１ｂ 撮像手段
２ 画像処理手段
２ａ 画像変換部
２ｂ 出力バッファメモリ
３ 表示手段
３ａ 信号ケーブル
４ 表示制御手段
４ａ 制御ライン
５ 双曲面ミラー
６ レンズ
６ａ レンズの主点
７ 撮像素子
８ 座標原点
Ｃ１ 第１の焦点
９ 第２の焦点
１０、１８ 撮像素子の撮像面の有効領域
１０ａ 撮像面の有効領域の中心
１０ｂ 光軸中心と交差する撮像素子の撮像面の位置
１１ａ、１９ ミラー光像
１２ レンズの光軸
１３、２８ パノラマ画像
１４ 仮想平面
２１ Ａ／Ｄコンバータ
２２ 入力バッファメモリ
２３ ＣＰＵ
２４ ＬＵＴ
２５ 画像変換ロジック
２６ バスライン
１００Ａ 広角カメラシステム

Claims (12)

1. 光学系と、該光学系で集光された光学像を撮像する撮像素子とを含む広角カメラにおいて、
   該光学系の光軸と該撮像素子の撮像面の有効領域中心とが、少なくとも撮像対象視野光を撮像画面上に拡大投影するべく、該撮像面上で所定の距離を有するように該光学系および該撮像素子が配置されている広角カメラ。
2. 前記光学系の光軸と前記撮像素子の撮像面の有効領域中心との距離は、前記光学系で集光された光学像のうち、撮像対象となる所定視野領域の光学像が該撮像面の有効領域に結像されるように設定されている請求項１に記載の広角カメラ。
3. 前記光学系の光軸と前記撮像素子の撮像面の有効領域中心との距離は、前記光学系と該撮像素子との相対的な位置関係により設定されている請求項１に記載の広角カメラ。
4. 前記撮像素子の有効撮像面が長方形状であり、前記光学系で集光された光学像の一部が該長方形の短辺および長辺方向いっぱいに結像されている請求項１に記載の広角カメラシステム。
5. 前記光学系は、凸型回転体ミラーとレンズとを含み、該凸型回転体ミラーの回転軸を該レンズの光軸と一致させ、かつ、該凸型回転体ミラーの凸部を該レンズ側に向けて配置されている請求項１に記載の広角カメラ。
6. 前記凸型回転体ミラーは、２葉双曲面のうちの一方の双曲面状の形状を有する反射ミラーであり、該双曲面の第２の焦点位置に前記レンズの主点が一致するように配置されている請求項５に記載の広角カメラ。
7. 前記撮像素子は固体撮像素子である請求項１に記載の広角カメラ。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の広角カメラと、該広角カメラで撮像された画像情報に対して表示用に所定の演算処理を施す画像処理手段とを有する広角カメラシステム。
9. 前記画像処理手段で演算処理された画像情報を表示画面上に表示する表示手段をさらに有する請求項８に記載の広角カメラシステム。
10. 前記表示手段の表示画面上に表示される画像の選択および画像サイズを制御する表示制御手段をさらに有する請求項９に記載の広角カメラシステム。
11. 前記画像処理手段による演算処理には、前記広角カメラで撮像された画像情報に対して、極座標系から直交座標系への変換処理が含まれている請求項８に記載の広角カメラシステム。
12. 前記極座標系から直交座標系への変換処理には、パノラマ変換処理および透視変換処理の少なくとも何れかが含まれている請求項１１に記載の広角カメラシステム。

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