JPH04105476A

JPH04105476A - 全方向撮影装置

Info

Publication number: JPH04105476A
Application number: JP2224707A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Yoshida; 育弘吉田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1990-08-27
Filing date: 1990-08-27
Publication date: 1992-04-07
Anticipated expiration: 2012-09-24
Also published as: JP2656143B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、全方向を等しい解像度で撮影可能な全方向撮
影装置に関する。

［従来の技術］近年、知能移動ロボットを用いて目的地までの道程を自
律移動する研究が盛んに進められている。

上記の知能移動ロボットには、道路を認識し、道路から
外れることなく移動し、障害物を回避して目的地に到達
するということが要求されている。

この要求を満足するために知能移動ロボットは、全方位
の画像を同時に入力可能な画像入力装置を備えていなけ
ればならない。

上述の従来の画像入力装置としては、２つの種類の画像
入力装置が提案されている。

１つの種類の画像入力装置は、魚眼レンズと組み合わせ
たテレビカメラを垂直方向に配置したものであり、例え
ば「ガイダンス・オブ・ア・モービル・ロボット・ユー
ジング・アンーオムニダイレクショナル・ヴイジョン・
ナヴイゲーションφシステムＪ　　（Ｇｕｉｄａｎｃｅ
　ｏｆ　ａ　Ｍｏｂｉｌｅ　Ｒｏｂｏｔ　’Ｕｓｉｎｇ
ａｎ　０ｍｎ１ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　Ｖｉａｉｏｎ
　Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　Ｓ７Ｓ７５ｊｅ、エスージエ
ー・オウ、イー・エル・ホール（Ｓ、　Ｊ、　Ｏｈ　ａ
ｎｄ　Ｅ、　Ｌ、　Ｈａｌｌ　）　、　　ニス・ピー・
アイ・イー（ＳＰＩＥ）　　Ｖｏｌ、８５２．モービル
・ロボッッ（Ｍ。

ｂｉｌｅ　Ｒｏｂｏｔｓ　）　ＩＩ　　（１９８７）に
記載されている。

この画像入力装置では、魚眼レンズによりカメラが全方
位を撮像することができる。

しかし、観測する必要がない天井や空等をも撮像するの
で、実際に必要な水平方向の画像が不足している。

上述の画像入力装置の欠点を補うものとして、もう１つ
の種類の画像入力装置が提案された。

この画像入力装置は、円錐ミラー、インダストリアル・
テレヴィジョン・カメラ［（ＩｎｄｕＮｒｉａＴＶ　ｃ
ａｍｅｒａ）以後、ＩＴＶカメラと称する］及び画像処
理装置を組み合わせたものであり、例えば「八木、用戸
二円錐投影による全方位環境認識」。

儒学技法ＰＲＵ８９−４６．　　（１９８９）に記載さ
れている。

円錐ミラーを用いた従来の画像入力装置の構成を第１０
図に示す。

図中、円錐ミラー１１１は垂直方向に下向きに配置され
ており、円錐ミラー１１１により反射される視野領域は
水平面において垂直軸の回りに対して３６０度になる。

円錐ミラー１１１により反射された画像は、ＩＴＶカメ
ラ１１２により、第１２図に示すように、視野領域の水
平方向角度が極座標における角度θ方向に、また視野領
域の上下方向（垂直方向）か半径ｒにそれぞれ相当する
ように表される。

例えば、第１３図に示すように、文字「写」か水平方向
θ、と垂直方向に配置されている場合、文字「写」の縦
の長さに距離Δｒが相当し、文字「写」の横の長さが角
度Δθに相当する。

ここで、ＩＴＶカメラ１１２は直交座標系で動作するが
、ＩＴＶカメラ１１２により撮像された文字「写」の画
像は、第１４図に示すように扇形になり、極座標系の画
像になる。

画像処理装置１１３は、ＩＴＶカメラ１１２により撮像
された画像を第１４図に示すような扇形に切り取り、そ
の切り取った部分に対して座標系を極座標系から直行座
標系に変換して、第１３図に示すような画像に補正する
。

上述の方法により、本来観測する必要がない天井や空等
の画像が円錐ミラー１１１により除去されて、実際に必
要な水平方向の画像のみが全方位で撮影される。

また、極座標式撮影装置を用いた全方向撮影装置として
は、例えば「有賀、吉野、小郷、漕手、寺用二　極座標
方式ラインＣＣＤカメラの検討電気学会論文誌　Ｖｏｌ
、　１０９−Ｃ、Ｎｏ、　５、ｐｐ、　３９４−３９９
（Ｍｇ２．　１９８９）Ｊが知られている。

［発明が解決しようとする課題］しかし、円錐ミラーを用いた上記従来の全方向撮影装置
では、ＩＴＶカメラにより撮像された画像を扇形に切り
取るので、角度方向の画素数が外周から中心に向かって
少なくなり、解像度が外周から中心に向かって悪くなり
、角度方向のサンプリングレートが外周から中心に向か
って粗くなるという問題点がある。

また、外周と中心の画素数が等しくなるように内挿等に
より中心側の画素を補間した従来の全方向撮影装置では
、内挿等の方法が低周波数領域用フィルタ（ローパスフ
ィルタ）と等価であり、中心側の空間解像度が劣化する
という問題点がある。

更に、従来の全方向撮影装置では、画像処理装置が複雑
な処理を高速で行うので大型化し、ロボットのような移
動体に組み込むことが困難であるという問題点がある。

本発明の目的は、上記従来の全方向撮影装置の問題点に
鑑み、全画素にわたり空間解像度が鮮明であり、画像処
理が不要な小型化された全方向撮影装置を提供すること
にある。

［課題を解決するための手段］本発明の上述した目的は、全方位の画像を所定の方向に
反射する反射手段と、第１の端部から第２の端部に向か
って漸次配列された複数の画素を含む撮像素子を有し反
射手段により反射された画像を撮像素子により撮像する
撮像手段とを備えており、撮像手段は、反射手段の中心
軸に対して撮像素子を中心軸の回転方向及び径方向に走
査するように構成されている全方向撮影装置によって達
成される。

［作用コ反射手段は全方位の画像を、画像が入力された方向とは
異なる所定の方向に反射し、撮像手段は第１の端部から
第２の端部に向かって漸次配列された複数の画素を含む
撮像素子を反射手段の中心軸の回転方向及び径方向に走
査して、反射手段により反射された全方位の画像を鮮明
な解像度で撮像する。

［実施例］以下、本発明の全方向撮影装置における実施例を図面を
参照して説明する。

第１図は本発明の第１の実施例における全方向撮影装置
の構成を示す斜視図、第２図は第１図の実施例装置の構
成を示す模式図である。

第１図及び第２図に示す全方向撮影装置は、反射手段と
しての反射ミラー１１、撮像手段としての極座標式撮影
装置１２、集光レンズ１３、中心軸としての回転軸１４
を有するステッピングモータ１５、素子としての扇形撮
像素子１６により構成されている。

次に、本実施例の全方向撮影装置の動作を説明する。

反射ミラー１１は円錐形であり、Ｚ軸方向を垂直方向と
したときに、垂直方向に下向きに、即ち＝２軸方向に配
置されている。

本実施例では、反射ミラー冊は円錐形であるか、側面に
反射面を有する多角錐形、または半球形であってもよい
。

反射ミラー１１により反射された画像は、極座標系のお
ける半径方向の距離ｒと水平方向の角度θとにより表示
される（第１２図参照）。

反射ミラー１１により反射される垂直方向の光路には、
極座標式撮影装置１２が配置されている。

極座標式撮影装置１２により撮影された画像は、画像処
理装置を介さないで、そのままテレビカメラ等に出力さ
れる。

第３図に上記の極座標式撮影装置１２の構成を示す。

極座標式撮影装置１２は、集光レンズ１３、回転軸１４
を有するステッピングモータ１５、回転軸１４に半径方
向に伸びて取り付けられた扇形撮像素子１６により構成
されている。

また、上記の扇形撮像素子１６の構成を第４図に示す。

第４図に示すように、扇形撮像素子１６はステッピング
モータ１５の回転軸１４の中心から外側に向かって漸次
配列されている複数の画素を有する。

なお、扇形撮像素子１６の第１の端部は回転軸１４の中
心側に位置する端部を表わし、第２の端部は中心から半
径方向に延伸した端部を表わすものとする。

各画素は、回転軸１４の中心から半径方向に配置されて
いるほど角度方向（θ方向）の長さが長くなる。

従って、各画素の面積は、画素が回転軸１４の中心から
半径方向に向かって配置されているほど大きくなるよう
に、また半径方向の各画素の幅が一定になるように配列
されている。

なお本実施例では、画素として電荷結合素子（以後、Ｃ
ＣＤと称する）を用いている。

次に上述の極座標式撮影装置１２の動作を説明する。

扇形撮像素子１６がモータ１５の回転軸１４の半径方向
に走査する毎に、モータ１５が扇形撮像素子１６を角度
方向（θ方向）に微小回転させる。

第４図に示すように扇形撮像素子１６の画素の面積は中
心から外側に向かって大きくなるように構成されている
ので、扇形撮像素子１６により撮影された画像は、第５
図に示すように角度方向の解像度と半径方向の解像度が
同一になる。

この場合、扇形撮像素子Ｉ６により撮影された電気信号
をスリップリングやロータリートランス等によって取り
出すことにより、極座標系で表された画像が直交座標系
の画像に変換されるので画像処理装置を用いる必要がな
い。

極座標式撮影装置１２により撮影した場合、扇形撮像素
子１６の撮影面にサンプル格子が、極座標状に発生する
。

以下、発生したサンプル格子が、実際の視野をどのよう
にサンプルするのか、その動作を説明する。なおサンプ
ル格子の動作については、サンプルレートとアパーチャ
開口率との両面から述べる。

まず撮影面の半径方向に関して説明する。

撮影面の中心（即ちモータ１５の回転軸１４の中心）か
らの距離は、実際の視野では上下方向（垂直方向）の角
度に比例する。

従って、視野領域内の上下角度方向のサンプルは、ＣＣ
Ｄの画素の配置によって決まる。

ところで、ＣＣＤの画素の配置は、ＣＣＤの機械的な定
数によって決まり一様である。

従って、実際の視野に対してサンプル格子が一様になる
ように扇形撮像素子１６は動作するので、各場所におい
てサンプルレート及びアパーチャ開口率は同一である。

また、角度方向のサンプルレートは、撮影面では、ステ
ップモータ１５の単位回転角に相当するので一定である
。画像も極座標状に投影されているので、実際の視野に
対して水平方向に等しいステップでサンプルするよう動
作するので、各場所において同一である。

更に、ＣＣＤの画素の面積は、中心から外周方向に配置
されている程大きくなるので、各画素からＣＣＤの中心
を見込む角度も一定である。即ち、角度方向のサンプル
のアパーチャ開口率もＣＣＤの中心部からと外周部に向
かって同一である。

二の結果、第５図に示すように、画面の上下で等しいア
パーチャ開口率を有するサンプルパターン１７を生ずる
ように、サンプル格子が発生すべく扇形撮像素子１６は
動作する。

上述の実施例によれば、極座標式撮影装置１２のサンプ
リングレートとアパーチャ開口率とは、撮影面の半径方
向及び角度方向の両方向に対して一定になる。従って、
視野領域の総てにわたって振幅特性［モデュレーション
・トランスファー・ファンクション（Ｍｏｄｕｌａｔｉ
ｏｎ　Ｔ＋ａｎｓ［ｅ＋　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）以後、Ｍ
ＴＦと称する］が一定である。

第６図は、本発明の極座標式撮影装置における第２の実
施例の構成を示す。

第６図において、第１図及び第２図に示す第１の実施例
と同様な反射ミラー１１の光路には、空間解像度を補償
するための光学手段としてのフィルタ１８及び撮影手段
としての極座標式撮影装置１９が配置されている。

フィルタ１８は、第７図に示すように中心から離れるに
つれて振幅特性（ＭＴＦ）が低下するように構成されて
いる。フィルタ１８としては、市販の光学フィルタを用
いることができる。なお、市販の光学フィルタの代わり
に、ガラス板やプラスチック板等に細かいきす、微小な
突起、へこみ、凹凸等を付けてもよく、また、集光レン
ズ＋３（第３図参照）に同様な処理を施してもよい。

第８図に示す極座標式撮影装置１９は、第３図に示した
集光レンズ１３、中心軸としての回転軸１４を有するス
テッピイングモータ１５、そして扇形撮像素子１６の代
りに回転軸１４の半径方向に伸びて取り付けられたライ
ン式撮像素子２０を有する。

ライン式撮像素子２０は、第４図に示す扇形撮像素子１
６と同様に、第１の端部としての回転軸１４の中心に近
い方の端部から、第２の端部としての半径方向で最も中
心から離れた端部に向かって複数の画素を順次配置して
いる。

しかし、ライン式撮像素子２０では、各画素の面積は、
中心から外側に向かって同一であり、また、半径方向に
おける長さも一定である。

ライン式撮像素子２０の出力信号は、回転時に画素が重
なる中心領域については無視される。

極座標式撮影装置１１１９で撮影した場合、ライン式撮
像素子２０の撮影面には、第４図に示す扇形撮像素子１
６と同様に、極座標状のサンプル格子が発生する。

まず撮影面の半径方向に関して説明する。

撮影面の中心からの距離は、実際の視野では上下方向（
垂直方向）の角度に比例する。

従って、視野領域内の上下角度方向のサンプルは、ＣＯ
Ｄの画素の配置によって決まる。

ところで、ＣＯＤの画素の配置は、ＣＣＤの機械的な定
数によって決まり一様なので、サンプルレート、アパー
チャ開口率とも実際の視野に対して一様になるようにサ
ンプル格子が発生すべくライン式撮像素子２θは動作す
る。

角度方向のサンプリングレートは、撮影面ではステップ
モータ１５の単位回転角に相当するので一定である。

画像も極座標状に投影されているので、実際の視野に対
しては、水平方向に等ステップでサンプルするようにラ
イン式撮像素子２０は動作する。従ってサンプルは、ど
の場所においても一様である。

一方、ＣＯＤの画素の大きさは一定であるので、ＣＯＤ
の中心部と外周部とでは画素から中心を見込む角度が変
化する。即ち、角度方向のサンプルのアパーチャ開口率
は、ＣＯＤの中心部と外周部とでは異なっている。この
結果、第９図に示すように、画面の上下でアパーチャ開
口率の異なるサンプルパターン２１２２２３を生ずるよ
うに、ライン式撮像素子２０は動作する。

このことは、極座標式撮影装置１９のＭＴＦが画像の部
分毎に異なることを意味する。アパーチャ開口率は、画
面下方はど上昇するので、画面下方はどＭＴＦが低下す
る。なおサンプルレートは一定である。

フィルタ１８が配置されていない場合、第９図に示すよ
うに、撮影画面の上下でアパーチャ開口率が異なるサン
プルパターンか発生するか、フィルタ１８かこの振幅特
性（ＭＴＦ）を逆補正するので、視野領域の総てにおい
て振幅特性（ＭＴＦ）か−定になる。

上述の２つの実施例では、扇形撮像素子１６またはライ
ン式撮像素子２０が、モータ１５の回転軸１４に、回転
軸１４から半径方向に伸びて取り付けられている。

しかし、扇形撮像素子１６またはライン式撮像素子２０
に代えて、半径方向に直角に伸びた十字形の撮像素子ま
たは半径方向にへ方に伸びた＊形の撮像素子等を用いて
もよい。

また、扇形撮像素子１６またはライン式撮像素子２０を
モータ１５の回転軸１４から半径方向に直角に配置しな
くてもよく、例えば円錐形、多角錐形の反射ミラーと同
一の角度で回転するように配置してもよい。更に、扇形
撮像素子１６またはライン式撮像素子２０を回転させな
いで、第１０図に示すように極座標のアドレスを有する
二次元の撮影素子を用いてもよい。

［発明の効果コ全方位の画像を所定の方向に反射する反射手段と、第１
の端部から第２の端部に向かって漸次配列された複数の
画素を含む撮像素子を有し反射手段により反射された画
像を撮像素子により撮像する撮像手段とを備えており、
撮像手段は、反射手段の中心軸に対して撮像素子を中心
軸の回転方向及び径方向に走査するように構成されてい
るので、素子の中心の解像度と外側の解像度か同一にな
る。

その結果、特定の座標系で撮像された画像を他の座標系
に変換する画像処理装置が不要となり、小型化された全
方向撮影装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例における全方向撮影装置
の概略構成を示す斜視図、第２図は第１図の実施例装置
の概略構成を示す模式図、第３図は第１の実施例におけ
る極座標式撮影装置の概略構成を示す斜視図、第４図は
第３図の扇形撮像素子の概略構成を示す説明図、第５図
は第１の実施例における極座標式撮影装置の解像度を示
す説明図、第６図は本発明の第２の実施例における全方
向撮影装置の概略構成を示す模式図、第７図は第６図中
のフィルタの特性を示すグラフ、第８図は第６図の極座
標式撮影装置のライン式撮像素子の構成を示す説明図、
第９図は第６図の極座標式撮影装置のフィルタがない場
合の解像度を示す説明図、第１０図は二次元撮像素子の
画素を示す説明図、第１１図は従来の全方向撮影装置を
示す概略構成図、第１２図は極座標式撮影装置における
極座標系の各変数の説明図、第１３図は第１１図の円錐
ミラーの反射画像を示す説明図、第１４図は第１１図の
画像処理装置の動作を示す説明図、第１５図は第１１図
の全方向撮影装置の解像度を示す説明図である。１１・・・反射ミラー、１２．１９・・・極座標式撮影
装置、１３・・・集光レンズ、１４・・・回転軸、１５
・・・ステッピングモータ、１６・・・扇形撮像素子、
１８・・・フィルタ、２０・・・ライン式撮像素子。第２図第３１預オｇ対しス庄ζノス ↑ 第８図第１５図

Claims

【特許請求の範囲】

全方位の画像を所定の方向に反射する反射手段と、第１
の端部から第２の端部に向かって漸次配列された複数の
画素を含む撮像素子を有し前記反射手段により反射され
た前記画像を前記撮像素子により撮像する撮像手段とを
備えており、前記撮像手段は、前記反射手段の中心軸に
対して前記撮像素子を当該中心軸の回転方向及び径方向
に走査するように構成されていることを特徴とする全方
向撮影装置。