JP4781537B2 - カメラ・システムおよびディスプレイ装置 - Google Patents
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Description
本発明は請求項1のプリアンブルに定義されているカメラ・システムに関し、さらに、本発明は請求項17に定義されているディスプレイ装置に関する。
【0002】
写真術は、19世紀の始めに発明されたものである。その後間もなく、銀ハロゲン化物(AgBr、AgCl)をゼラチン中で分散させると感光性になることが発見され、銀ハロゲン化物は、感光材料のスペクトルから区別された。銀ハロゲン化物の分散はガラス板上を広がり、カメラの感光性投影表面が形成された。ガラス板は平板であり、針の孔より大きい絞りを通して該平板上に結像される光学系が展開された。
【0003】
上記ガラス板はフィルムに引き継がれ、該フィルムはビジコンに、該ビジコンはデジタル・マトリックスに引き継がれたが、像平面は、スチール写真用および映画用の両カメラの中になお残存している平面である。方位投射では、投影表面上の照度は、光軸から測定した偏向角の二乗に比例する。
I=(L cos4ψ)/4f(1+m)2
上式で、
Iは像平面の輝度であり、
Lはターゲットの輝度であり、
ψは焦点を中心とする光軸までの半径の角度であり、
fは絞り数であり、
mは換算率である。
【0004】
特に広角度光学系の場合、画像領域における照度の一様性に関する問題がある。また、直線を実質的に歪ませることなく、レンズの角度視野が100°を超える広角度画像を実現することは困難である。
【0005】
従来技術では、デジタル画像処理方法によって前述の2つの欠陥が修正されている。
【0006】
本発明の目的は、前述の欠点を解決することである。
【0007】
本発明の特定の目的は、照度が画像領域全体にわたって一様であり、かつ、画像領域中の線に歪みのない高角画像の生成を可能にするカメラ・システムおよび対応するディスプレイ装置を開示することである。
【0008】
本発明のカメラおよびディスプレイ装置の特徴については、特許請求の範囲の角クレームを参照されたい。
【0009】
本発明のカメラ・システムは、光学系および該光学系の近傍に、該光学系の光軸に対して対称的に配置された感光性画像表面を備えたカメラを具備し、上記光学系によって屈折したターゲットの画像が上記画像表面上に投影される。
【0010】
本発明によれば、上記感光性画像表面は、その曲率中心が上記光学系の焦点にある凹形球面である。本発明によるカメラは、光反射器として機能し、感光性検出エレメントからなる上記焦点を中心とする上記凹形球面に画像を投影する。
【0011】
本発明によるカメラ・システムには、従来の写真技術の典型である如何なる異方性もあるいは如何なる幾何学的歪みもない。本発明は、最大180°の観察角度までの様々な焦点距離の実施を可能にしている。
【0012】
本発明には、レンズの角度視野60°の通常の焦点距離を使用する場合、余弦誤差が回避される、という利点がある。したがって画像の等方性が、照度に関しては従来技術によるカメラよりも著しく良好である。このことは、解析中のターゲットに関する推測の根拠として反射密度およびカラーが使用される様々な画像解析アプリケーションでは重要である。
【0013】
短い焦点距離(最大180°までの記録角度)を使用する場合、本発明には、現在の光学系の典型である幾何学的歪みが排除される、という利点がある。写真を印刷し、および/または従来のプレーナ・ディスプレイ表面を用いて表示する場合、適当なソフトウェアを用いることにより、歪みのない適切な長方形領域を画像からカット・オフすることができる。ディスプレイ表面が凹形球面である本発明によるディスプレイ装置を用いる場合、幾何学的歪みが現れることはない。
【0014】
長い焦点距離を使用する場合、相対距離を短くする光学上の影響が除去される。
【0015】
光学的な意味では、球面への画像投影は、従来のプレーナ投影より容易であり、したがって本発明によるシステムの場合、全く異常のない光学機器を製造するコストは、従来の光学系における場合のコストより安価である。
【0016】
カメラ・システムの一実施形態では、感光性画像表面は、CCDエレメントなどの個別の感光性検出エレメントのマトリックスからなっている。
【0017】
カメラ・システムの一実施形態では、上記検出エレメントの数は100000個程度以上である。
【0018】
カメラ・システムの一実施形態では、上記検出エレメントの数は、妥当な画像品質を実現するためには104〜3×104個程度の数が選択され、良好な画像品質を実現するためには106〜2×106個程度の数が選択され、あるいは完全な画像品質を実現するためには108個程度の数が選択される。
【0019】
カメラ・システムの一実施形態では、上記検出エレメントは、検出エレメントの密度が主軸上で最大になり、主軸から縁帯域へ向かって密度が減少するように画像表面上に配列されている。
【0020】
カメラ・システムの一実施形態では、画像表面上の上記検出エレメントの密度分布は、関数
と一致している。
上式で、
I0=原点(主軸上の)における検出エレメントの密度であり、
I(r)=原点から半径rにおける検出エレメントの局部密度であり、
a=スケーリング係数である。
【0021】
カメラ・システムの一実施形態では、光軸近くの高解像度領域の検出エレメントは、エイリアシングを防止するために、光学系によって生成される点像分布関数(PSF)が複数の検出エレメントにわたって統合するように配列されている。
【0022】
カメラ・システムの一実施形態では、光学系のタイプは、いわゆる通常焦点距離を用いたタイプの光学系であり、画像表面は、60°程度の記録角度(α)の球面キャロットである。また、カメラは、光学系と画像表面の間に配置されたシャッタを備え、調整可能な絞りが設けられている。
【0023】
カメラ・システムの一実施形態では、画像表面の記録角度(α)は180°以下である。
【0024】
カメラ・システムの一実施形態では、光学系は、いわゆる魚眼レンズなどの焦点距離が短いレンズを具備している。画像表面は半球形状表面であり、また、記録角度は180°である。したがってカメラは、半空間記録形カメラである。
【0025】
カメラ・システムの一実施形態では、カメラはデジタル・カメラであり、検出エレメントから受け取った信号をデジタル化するための手段、およびデジタル化された画像をコンピュータに転送するための手段を備えている。デジタルの形で画像を処理し、転送し、印刷することができる。上述の球面ディスプレイまたは従来のディスプレイ装置を用いて画像を表示することができる。また、画像プリンタを用いて、歪みのない形で画像を用紙上に印刷することができる。
【0026】
カメラ・システムの一実施形態では、カメラは、映画を記録するために設計されたタイプのカメラである。
【0027】
カメラ・システムの一実施形態では、カメラは、スチール写真を記録するために設計されたタイプのカメラである。
【0028】
カメラ・システムの一実施形態では、カメラは監視カメラである。
【0029】
カメラ・システムの一実施形態では、カメラ・システムは、空間全体を記録するために反対方向に向けられた2台の半空間記録カメラを具備している。
【0030】
カメラ・システムの一実施形態では、カメラ・システムは、半空間の立体画像を記録するために同一方向に向けられた2台の隣接する半空間記録カメラを具備している。
【0031】
本発明によれば、上述のカメラ・システムを用いて記録された画像を表示するために使用されるディスプレイ装置のディスプレイ表面は、凹形球面である。
【0032】
上記ディスプレイ装置は、全画像領域にわたって画像の照度が一様であり、また、画像に幾何学的歪みがないため、写真の輝度レベルすなわち輪郭に関しては修整処理の必要がない、という利点を有している。
【0033】
ディスプレイ装置の一実施形態では、ディスプレイ装置は、凹形球面キャロット形状のスクリーンを有する、コンピュータ・モニタまたはテレビジョンなどのモニタである。
【0034】
ディスプレイ装置の一実施形態では、ディスプレイ表面は部屋の壁または天井表面であり、その表面上に画像を投影することができ、それにより複数の視聴者が同時に画像を見ることができる。
【0035】
ディスプレイ装置の一実施形態では、ディスプレイ装置はパーソナル・ディスプレイ・バイザーまたはそのようなものであり、その中のディスプレイ表面が、目の焦点に中心を有する半球ディスプレイ表面になっている。
【0036】
ディスプレイ装置の一実施形態では、上記ディスプレイ・バイザーまたはそのようなものは、目の焦点に中心を有する立体写真を見るための2つの半球ディスプレイ表面を備えており、ディスプレイ表面は、それぞれの目に1つ設けられる。
【0037】
ディスプレイ装置の一実施形態では、ディスプレイ表面は、個別の画素のマトリックスからなっている。
【0038】
ディスプレイ装置の一実施形態では、上記画素の数は、100000個程度以上の数である。
【0039】
ディスプレイ装置の一実施形態では、上記画素の数は、妥当な画像品質を実現するためには104〜3×104個程度の数が選択され、良好な画像品質を実現するためには106〜2×106個程度の数が選択され、あるいは完全な画像品質を実現するためには108個程度の数が選択される。
【0040】
ディスプレイ装置の一実施形態では、上記画素は、画素の密度が光軸上で最大になり、光軸から縁帯域へ向かって密度が減少するようにディスプレイ表面上に配列されている。
【0041】
ディスプレイ装置の一実施形態では、半球ディスプレイ表面の縁帯域の表面領域画素の画素が、主軸に近い表面領域の画素よりも大きくなっている。
【0042】
ディスプレイ装置の一実施形態では、ディスプレイ表面上の上記画素の密度分布は、関数
と一致している。
上式で、
I0=原点(主軸上の)における画素密度であり、
I(r)=原点から半径rにおける局部画素密度であり、
a=スケーリング係数である。
【0043】
ディスプレイ装置の一実施形態では、上記画素は、光ファイバを使用して実施されている。
【0044】
本発明によって構成されるカメラおよびディスプレイ装置は、視覚能力を有するロボット工学アプリケーションでの使用に極めて適している。線に歪みがないため、対応する修正計算が回避される。光軸とその周辺画像領域との間に構造的な照度差がないため、従来のカメラを使用した場合より精度の高い翻訳計算を実施することができる。また、本発明によって構成されるカメラおよびディスプレイ装置は、刺激物が全視野に対して人口的に生成されるシミュレータ(例えば飛行シミュレータ)での使用に極めて適している。同様に、カメラによって写真撮影され、球面ディスプレイによって再生された状態で、実在しているかのような知覚を人間に与える娯楽およびテレビ・ゲーム材を作り出すことも可能である。また、隣接する一対のカメラを用いて、全視野にわたって三次元知覚を生成することも可能である。
【0045】
以下、いくつかの実施形態例によって、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。
【0046】
図1は、図では単純なレンズで表されている、いわゆる通常焦点距離の光学系2を具備するカメラ1を示したものである。カメラ1はさらに、上記光学系2がターゲットの画像を投影する、凹形球面の感光性画像表面3を備えている。画像表面3の曲率中心は、光軸L上の光学系2の焦点にある。通常焦点距離のレンズ2の場合、60°の記録角度を得ることができ、したがってカメラは、球面キャロット形状の画像表面を持つことができる。カメラはさらに、調整可能絞りを備え、かつ、レンズ2と画像表面3の間のレンズ2の近くに配置されたシャッタ4を備えている。
【0047】
図2に示すカメラ1の光学系2は、焦点距離の短い、いわゆる魚眼レンズ5を具備している。画像表面3は半球形状の表面になっているため、カメラは半空間記録形カメラである。図は、半球画像表面上への3つのターゲットI、I、IIIの投影を示している。記録角度は180°である。主軸L上のターゲットIの写真は、主軸L上の画像表面3上に記録される。角度90°で反対側に位置付けされているターゲットIIおよびIIIは、半球画像表面の縁に投影される。
【0048】
図1および図2のカメラは、スチール画像および活動画像の両方の写真を撮影することができるデジタル・カメラであることが好ましい。カメラ1の画像表面3は、個別に配置されたデジタル検出エレメントからなり、あるいは光ファイバを使用して構成することもできる。妥当な画像品質は、画像表面3上に約100000個〜300000個の検出エレメントを使用して実現される。良好な画像品質は、約100万個〜200万個の検出エレメントを使用して実現される。完全な画像品質を必要とする場合は、検出エレメントの数は108程度の数になる。
【0049】
全半空間を見ることができる、図2に示すような画像表面3の記録角度が180°の、対応するディスプレイ装置を有するカメラでは、光軸Lの位置が人間の目の鋭視覚点に対応し、縁帯域が鋭さに欠ける周辺視覚に対応している。したがって、光軸上の領域すなわち解像度が高い領域で密度が最大になり、すなわち解像度が低い縁帯域に向かって密度が減少するように、画像表面3上の検出エレメントの密度を変化させることができる。例えば、検出エレメント密度のガウス分布は、画像が視聴されている間の情報の利用頻度に大まかに対応している。また、他の分布も可能である。可変検出エレメント密度は、例えば、ロボットに搭載された本発明によるカメラが実際のターゲットを写真撮影し、ロボットを制御する人間が、本発明によるディスプレイ装置を用いて、カメラによって作り出される画像を観察する遠隔制御アプリケーションでの使用に適している。画像表面3上の検出エレメント密度の分布は、例えば、次の関数
によって与えられる。
上式で、
I0=原点(主軸上の)における検出エレメント密度であり、
I(r)=原点から半径rにおける局部検出エレメント密度であり、
a=スケーリング係数である。
【0050】
カメラのシューティング周波数がセンサ周波数の1/2より高い場合、いわゆるエイリアシングの影響を受けることになり、その結果、周波数が増加すると、ゼロに低下したMTFは、より高い周波数で高い正の値を受け取ることになる。そのため、特に構造化被写体を写真撮影している場合、画像品質が著しく低下することになる。図3に示す配列を使用することにより、可変解像度カメラの高解像度部分のエイリアシングを回避することができる。光学系の点像分布関数PSFは、いくつかの隣接する検出エレメントにわたって統合するように適合されている。
【0051】
図4および図5は、広角度監視カメラとして図2に示す半空間記録カメラの使用法を示したものである。周囲を走査するためには動かす必要のある、従来知られているカメラとは異なり、この種のカメラは、図4に示すように、部屋の壁または天井に動かないよう、固定して取り付けることができる。例えば銀行における監視カメラとして使用する場合、このような固定カメラは人目を引くことがなく、また、発見が困難である。図5に示すように、反対の方向を見張る一対のカメラを使用することにより、周囲の全オープン・スペース(2×半空間)を監視することができる。1台のカメラを使用して、カメラを移動させることなく、1回のショットで幾何学的歪みのない半空間写真が生成される。同一方向に向けられた2台の半空間記録カメラを使用して立体写真を生成し、三次元視覚を作り出すことが可能である。
【0052】
本発明によるカメラで撮影された写真は、プレーナ・ディスプレイを使用することにより、通常のプレーナ・コピーとして見ることができ、あるいはプレーナ印刷することができる。また、図6ないし図9に示すように、カメラ1で撮影された写真を見るために、特殊ディスプレイ装置6を構成することも可能である。この種のディスプレイ装置6では、写真が投影されるディスプレイ表面7は、凹形球面である。
【0053】
図6は、ディスプレイ装置6がコンピュータ・モニタすなわちテレビジョンなどのモニタであり、そのディスプレイ・スクリーンが、凹形球面キャロット形状を有するディスプレイ表面7である実施形態を示したものである。この装置の場合、好ましい視聴距離は、球面キャロットの半径rの2倍である。最適視線が破線8で示されている。
【0054】
図7を参照すると、複数の視聴者のためのアプリケーションにおいて、ディスプレイ表面7は同様に、部屋(オムニ劇場)の半球状の壁または天井表面からなっており、その上に画像を投影し、複数の視聴者が同時に視聴することができる。
【0055】
図8および図9は、パーソナル・ディスプレイ・バイザー、ディスプレイ・ヘルメットまたはそのようなものであるディスプレイ装置6を示したもので、その中のディスプレイ表面7は半球ディスプレイ表面であり、その中心は目の焦点である。この装置は、例えば、娯楽およびゲーム・アプリケーションにおける仮想現実感のプレゼンテーション用として、また、例えば飛行パイロット用のディスプレイ・ヘルメットとして使用することができる。
【0056】
図8では、ディスプレイ・バイザーまたはそのようなものは、目の焦点に中心を有する立体写真を見るための2つの半球ディスプレイ表面7を備えており、ディスプレイ表面は、それぞれの目に1つ設けられ、三次元の視覚的印象を作り出している。
【0057】
図9では、ディスプレイ・バイザーは、単一の半球ディスプレイ表面7を有するモノ・ディスプレイを備えている。
【0058】
ディスプレイ装置内のディスプレイ表面7は、個別の画素のマトリックスからなっている。画素の数は、妥当な画像品質を生成するためには104〜3×104個程度の数が選択され、良好な画像品質を生成するためには106〜2×106個程度の数が選択され、あるいは完全な画像品質を生成するためには108個程度の数が選択される。
【0059】
使用する入力装置が可変解像度カメラの場合、ディスプレイ装置は、可変解像度ディスプレイとして構成することができる。180°ディスプレイでは、周辺領域は、より小数の、しかしより大形の画素を用いて、画像エネルギー(=画素面積×最大輝度)に関して高解像度領域に対応するように実施される。
【0060】
可変解像度ディスプレイ装置6では、上記画素は、画素の密度が主軸L上で最大になり、主軸から縁帯域へ向かって密度が減少するようにディスプレイ表面7上に配列されている。ディスプレイ表面上の画素の密度分布は、関数
で表される。
上式で、
I0=原点(主軸上の)における画素密度であり、
I(r)=原点から半径rにおける局部画素密度であり、
a=スケーリング係数である。
【0061】
本発明は、上述の本発明の実施形態例に制限されることはなく、特許請求の範囲の各クレームで定義されている本発明の意図の範囲内において、多数の変形形態が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明によるカメラ・システムの第1の実施形態の略図である。
【図2】 本発明によるカメラ・システムの第2の実施形態の略図である。
【図3】 画素の密度が最大のポイントでの光学系によるエイリアシングの防止を示す図である。
【図4】 部屋の半空間を監視するための、本発明によるカメラ・システムの監視カメラ・アプリケーションを示す図である。
【図5】 オープン領域における全空間を監視するための、本発明によるカメラ・システムの監視カメラ・アプリケーションを示す図である。
【図6】 本発明によるディスプレイ装置の第1の実施形態、つまり球面キャロット型モニタすなわちテレビジョン、および該テレビジョンのための最適視線を示す図である。
【図7】 複数の視聴者に画像を表示することができる、本発明によるディスプレイ装置の第2の実施形態を示す図である。
【図8】 立体写真を表示するためのパーソナル・ディスプレイ装置である、本発明によるディスプレイ装置の第3の実施形態を示す図である。
【図9】 モノ写真を表示するためのパーソナル・ディスプレイ装置である、本発明によるディスプレイ装置の第4の実施形態を示す図である。
Claims (23)
- 光学系(2)と、前記光学系の近傍に、前記光学系の光軸(L)に対して対称的に配置された感光性画像表面(3)とを備えるカメラ(1)を具備するカメラ・システムであって、
前記光学系及び前記感光性画像表面は、ターゲット(K)の画像を前記画像表面上へ屈折させるように構成され、前記感光性画像表面(3)は、その曲率中心が前記光学系(2)の焦点にある凹形球面を有し、かつ、個別の感光性検出エレメントのマトリックスを更に備え、前記検出エレメントが、前記光軸(L)上で前記検出エレメントの密度が最大になり、前記光軸から縁帯域へ向かって前記密度が減少するように前記画像表面(3)上に配列されるカメラ・システムであって、
前記画像表面(3)上の前記検出エレメントの密度分布が、関数
と一致し、
上式で、
I0=原点(前記光軸上の)における検出エレメントの密度であり、
I(r)=前記原点から半径rにおける検出エレメントの局部密度であり、
a=スケーリング係数である
カメラ・システム。 - 前記感光性検出エレメントがCCDエレメントである請求項1に記載のカメラ・システム。
- 前記検出エレメントの数が100000個以上の数である請求項1に記載のカメラ・システム。
- 前記検出エレメントの数は、104〜3×104、106〜2×106又は約108の範囲内の数である請求項1に記載のカメラ・システム。
- 前記光学系(2)が、エイリアシングを防止するために、前記光軸(L)に近い高解像度領域において、複数の前記検出エレメントにわたって点像分布関数(PSF)を統合するように構成されている請求項1に記載のカメラ・システム。
- 前記光学系(2)が、通常焦点距離を使用するように構成され、前記画像表面(3)が、約60°の記録角度(α)を有する球面キャロットを備え、かつ、前記カメラが、前記光学系と前記画像表面との間に配置された、調整可能な絞りを備えるシャッタ(4)を具備する請求項1に記載のカメラ・システム。
- 前記画像表面(3)の前記記録角度が180°以下である請求項1に記載のカメラ・システム。
- 前記光学系(2)が、魚眼レンズを具備し、前記画像表面(3)が半球形状であり、前記記録角度が180°である請求項1に記載のカメラ・システム。
- 前記カメラ(1)が、前記検出エレメントから受け取った信号をデジタル化するための手段と、デジタル化された画像をコンピュータに転送するための手段とを備えるデジタル・カメラである請求項1に記載のカメラ・システム。
- 前記カメラ(1)が、映画を記録するように構成されている請求項1に記載のカメラ・システム。
- 前記カメラ(1)が、スチール写真を記録するように構成されている請求項1に記載のカメラ・システム。
- 前記カメラ(1)が監視カメラである請求項1に記載のカメラ・システム。
- 前記カメラ・システムが、反対方向に向けられ、空間全体を記録するように構成されている2台の半空間記録カメラ(1)を具備する請求項1に記載のカメラ・システム。
- 前記カメラ・システムが、同一方向に向けられ、半空間の立体画像を記録するように構成されている2台の隣接する半空間記録カメラ(1)を具備する請求項1に記載のカメラ・システム。
- ディスプレイ装置(6)であって、請求項1から14のいずれか一項に記載のカメラ・システムによって記録された画像を、ディスプレイ装置のディスプレイ表面(7)上に表示するように構成されているディスプレイ装置で、前記ディスプレイ表面(7)が凹形球面を有するディスプレイ装置であって、
前記ディスプレイ表面(7)が、個別の画素のマトリックスを備え、
前記画素が、前記光軸(L)上で前記画素の密度が最大になり、前記光軸から縁帯域へ向かって前記密度が減少するように前記ディスプレイ表面(7)上に配列され、
前記ディスプレイ表面上の前記画素の密度分布が、関数
と一致し、
上式で、
I 0 =原点(前記光軸上の)における画素密度であり、
I(r)=前記原点から半径rにおける局部画素密度であり、
a=スケーリング係数である
ディスプレイ装置。 - 前記ディスプレイ装置(6)が、凹形球面キャロット形状を有するディスプレイ表面(7)を有するモニタである請求項15に記載のディスプレイ装置。
- 前記ディスプレイ表面(7)が部屋の壁または天井表面であり、その表面上に前記画像を投影することができ、それにより複数の視聴者が同時に前記画像を見ることができる請求項15に記載のディスプレイ装置。
- 前記ディスプレイ装置がパーソナル・ディスプレイ・バイザーであり、前記パーソナル・ディスプレイ・バイザーが、当該パーソナル・ディスプレイ・バイザーを装着する人間の目のほぼ焦点に中心を有する半球ディスプレイ表面である請求項15に記載のディスプレイ装置。
- 前記ディスプレイ・バイザーは、立体画像を表示するために構成されている2つの半球ディスプレイ表面(7)を備える請求項18に記載のディスプレイ装置。
- 前記画素の数が100000個以上の数である請求項15に記載のディスプレイ装置。
- 前記画素の数が、104〜3×104、106〜2×106又は約108の範囲内の数である請求項15に記載のディスプレイ装置。
- 前記半球ディスプレイ表面(7)の前記縁帯域の表面領域の前記画素が、前記光軸(L)に近い表面領域の前記画素よりも大きい請求項15に記載のディスプレイ装置。
- 前記画素が、光ファイバを使用して実施される請求項15に記載のディスプレイ装置。
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