レンジファインダ装置及びカメラ

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【発明の名称】	レンジファインダ装置及びカメラ
【発明者】	【氏名】魚森謙也【氏名】吾妻健夫【氏名】森村淳
【要約】	【課題】従来のレンジファインダ装置では変調可能な光源と光源掃引手段が必須であり、機械的な動作を含むため装置の信頼性が低く。【解決手段】光強度が３次元的に異なる投射光を複数個、光源２ａ，２ｂから時分割にて被写体に照射し、被写体からの反射光をカメラ１で撮像し、撮像画像の光強度を用いて計測を行う場合、予め光源中心とレンズ中心とを含む複数個の面のそれぞれに対して、各面内における、光源からの各投射光の角度と光強度比との関係を得、実際の距離測定時に、カメラ１の各画素の光強度を測定し、その測定された光強度と、測定された画素の座標位置に対応する所定の面における、前記角度と光強度比の関係とに基づいて、その測定した所定の画素の光強度に対応する角度を得、測定した光強度と、得られた角度と、所定の画素の画像上の２次元座標位置情報に基づいて被写体までの距離を算出する。

【特許請求の範囲】
【請求項１】光強度が３次元空間的に異なる輻射パターンを持つ投射光を複数個、光源から時分割にて被写体に照射し、前記投射光の被写体からの反射光をカメラで撮像し、撮像した画像の光強度を用いて距離計測を行うレンジファインダ装置であって、予め、光源中心とレンズ中心とを含む複数個の面のそれぞれに対して、各面内における、前記光源からの各投射光の角度と光強度との関係を得ておき、実際の距離測定時には、前記カメラの各画素の光強度を測定し、その測定された光強度と、前記測定された画素の座標位置に対応する所定の面における、前記角度と光強度の関係とに基づいて、その測定した所定の画素の光強度に対応する前記角度を得、これら測定した光強度と、得られた角度と、さらに前記所定の画素の画像上の２次元座標位置情報とに基づいて、前記被写体までの距離を算出することを特徴とするレンジファインダ装置。
【請求項２】前記複数個の投射光は２個であり、それらの投射方向は互いに位置的に一部重なった状態で異なる方向に投射され、前記光源からの各投射光の角度と光強度の関係とは、前記光源からの各投射光の角度と、その角度における前記２つの投射光の各光強度の比との関係であることを特徴とする請求項１記載のレンジファインダ装置。
【請求項３】前記投射光は、反射板を背後に備えた光源を２つ配置することにより生成されることを特徴とする請求項２記載のレンジファインダ装置。
【請求項４】前記撮像した画像の光強度は、前記投射光が存在する場合と存在しない場合の画像光強度の差分値であることを特徴とする請求項１又は２に記載のレンジファインダ装置。
【請求項５】前記複数個の投射光を同時に前記被写体に照射し、前記投射光の被写体からの反射光を前記カメラで撮像し、その撮像した画像を通常の画像とすることを特徴とする請求項１又は２記載のレンジファインダ装置。
【請求項６】前記カメラは、前記投射光の発光期間以下の露出時間に設定されることにより、背景光の影響を抑圧することを特徴とする請求項１又は２記載のレンジファインダ装置。
【請求項７】前記レンズと前記光源を、それらレンズと光源を結ぶ直線が撮像素子面の水平軸に対して平行になるように、配置することを特徴とする請求項１又は２記載のレンジファインダ装置。
【請求項８】前記複数個の投射光は、透過率が２次元的に異なる光透過板を前方に備えた光源により生成されることを特徴とする請求項２記載のレンジファインダ装置。
【請求項９】前記複数個の投射光は、光透過率パターンを切り替え可能な光学素子と光源を用いて実現されることを特徴とする請求項２記載のレンジファインダ装置。
【請求項１０】前記反射板あるいは光透過版が無い状態で、前記光源からの投射光の光強度を測定して補正量を得ておき、前記光源からの各投射光の角度と光強度との関係を得る際に、その補正量によって光強度を修正し、また、実際の距離測定時にも、測定した光強度を前記補正量によって修正することを特徴とする請求項３～９のいずれかに記載のレンジファインダ装置。
【請求項１１】光源と、前記光源から出射される光を導く第１光ファイバと、前記第１光ファイバから導かれた光を複数の経路に分岐する光分配手段と、前記光分配手段に一端が接続され、且つ他端の開口部から前記分岐された光を被写体に照射するための複数の第２光ファイバと、前記照射された光の反射光を受光して、前記被写体の画像データを取得する撮像手段と、前記画像データに基づいて前記被写体までの距離を計算する距離計算手段とを備え、前記複数の第２光ファイバーのそれぞれの前記他端から前記被写体に照射される光の強度が、いずれも場所的に異なる分布を有していることを特徴とするレンジファインダー装置。
【請求項１２】光源と、前記光源から出射される光を導く第１光ファイバと、前記第１光ファイバから導かれた光を複数の経路に分岐し、被写体に照射するための光分岐手段と、前記照射された光の反射光を受光して、前記被写体の画像データを取得する撮像手段と、前記画像データに基づいて前記被写体までの距離を計算する距離計算手段とを備え、前記光分岐手段から前記被写体に照射される何れの経路の光強度も、場所的に異なる分布を有していることを特徴とするレンジファインダ装置。
【請求項１３】複数の光源と、前記光源から出射される光を個別に被写体側に導き、前記被写体に照射するための複数の光ファイバと、前記照射された光の反射光を受光して、前記被写体の画像データを取得する撮像手段と、前記画像データに基づいて前記被写体までの距離を計算する距離計算手段とを備え、前記被写体に照射される何れの光ファイバからの光強度も、場所的に異なる分布を有していることを特徴とするレンジファインダ装置。
【請求項１４】前記被写体に光を照射する前記光ファイバの開口部の前面に配置されたレンズ系を備えたことを特徴とする請求項１１又は１３記載のレンジファインダ装置。
【請求項１５】前記光強度の場所的分布を得るために、前記光を照射する前記光ファイバの開口部の前面に、場所により光透過率の異なる光フィルタを備えたことを特徴とする請求項１１又は１３記載のレンジファインダ装置。
【請求項１６】前記被写体に光を照射する前記光分岐手段の開口部の前面に配置されたレンズ系を備えたことを特徴とする請求項１２記載のレンジファインダ装置。
【請求項１７】前記光の強度の場所的分布を得るために、前記光を照射する前記光分岐手段の開口部の前面に、場所により光透過率の異なる光フィルタを備えたことを特徴とする請求項１２記載のレンジファインダ装置。
【請求項１８】前記レンズ系が、コリメートレンズ、シリンドリカルレンズ、又はロッドレンズであることを特徴とする請求項１１～１７の何れか一つに記載のレンジファインダ装置。
【請求項１９】特定の輻射パターンを持つ投射光を被写体に照射する発光手段を有し、前記発光手段の被写体反射光を撮像し、撮像した画像の光強度を用いて奥行き画像を得る、形状計測用または被写体抽出用のカメラであって、前記発光手段と撮像レンズ間の距離が可変可能な構造を有し、使用時においては前記発光手段と撮像レンズ間隔が十分取れるようにできることを特徴とするカメラ。
【請求項２０】前記発光手段と撮像レンズ間の距離が可変可能な構造は、前記発光手段と、前記撮像レンズを含む本体とが相対的にスライド可能な構造により実現されており、使用時においては前記発光手段と前記本体とを互いに相対的に離れるようにスライドさせることによって、前記発光手段とカメラレンズ間隔が十分取れるように構成されている請求項１９記載のカメラ。
【請求項２１】前記発光手段と撮像レンズ間の距離が可変可能な構造は、前記発光手段と、撮像レンズを含む本体が互いに蝶番構造によって連結されることにより実現されており、使用時においては前記発光手段と前記本体との蝶番構造を開くことによって、前記発光手段とカメラレンズ間隔が十分取れるように構成されている請求項１９記載のカメラ。
【請求項２２】特定の輻射パターンを持つ投射光を被写体に照射する発光手段を有し、前記発光手段の被写体反射光を撮像し、撮像した画像の光強度を用いて奥行き画像を得る、形状計測用または被写体抽出用のカメラであって、前記発光手段は、配列された複数の直線状光源のそれぞれの前に、孔を有する遮光板が配置された構造を有し、それらの遮光板の各孔は互いに位置的にずれており、前記複数個の光源は時分割的に発光することを特徴とするカメラ。
【請求項２３】特定の輻射パターンを持つ投射光を被写体に照射する発光手段を有し、前記発光手段の被写体反射光を撮像し、撮像した画像の光強度を用いて奥行き画像を得る、形状計測用または被写体抽出用のカメラであって、前記発光手段は、一つの光源の前に、２次元的に光透過率が異なる光変調素子が配置され、その光透過率の２次元的変化分布が切り替え可能となっており、前記発光手段は、その光透過率の分布の切り替えに応じて、複数回発光することを特徴とするカメラ。
【請求項２４】特定の輻射パターンを持つ投射光を被写体に照射する発光手段を有し、前記発光手段の被写体反射光を撮像し、撮像した画像の光強度を用いて奥行き画像を得る、形状計測用または被写体抽出用のカメラであって、タッチパネル付きの平面ディスプレイを備え、そのタッチパネル上に前記撮影画像が表示されている際のそのタッチパネルに対する使用者によるタッチ動作によって、被写体中の複数個の点が指定された場合、その指定されたこれらの点間の実際の長さを、前記奥行き画像データから計算する距離計算部を有することを特徴とするカメラ。
【請求項２５】前記距離計算部は、使用者が指定する前記複数の点から得られた被写体各部の長さ情報から、その被写体の面積あるいは体積を計算することを特徴とする請求項２４記載のカメラ。
【請求項２６】特定の輻射パターンを持つ投射光を被写体に照射する発光手段を有し、前記発光手段の被写体反射光を撮像し、撮像した画像の光強度を用いて奥行き画像を得る、形状計測用または被写体抽出用のカメラであって、タッチパネル付きの平面ディスプレイを備え、そのタッチパネル上に前記撮影画像が表示されている際のそのタッチパネルに対する使用者によるタッチ動作によって、被写体中の複数個の点が指定された場合、使用者が指定する前記複数の点を通る円の直径、半径又は円弧の長さを、前記奥行き画像データから計算する距離計算部を有することを特徴とするカメラ。
【請求項２７】特定の輻射パターンを持つ投射光を被写体に照射する発光手段を有し、前記発光手段の被写体反射光を撮像し、撮像した画像の光強度を用いて奥行き画像を得る、形状計測用または被写体抽出用のカメラであって、使用者により指定された距離以下に存在する被写体のみ、または、使用者によって指定された距離の範囲に存在する被写体のみ、前記撮像された奥行き画像を用いて、切り出す被写体切り出し手段を有することを特徴とするカメラ。
【請求項２８】前記切り出し処理の誤動作により背景又は前景を間違えた部分を使用者が前記タッチパネルに触れることにより指定することにより、誤った背景または前景切り出し動作を修正できることを特徴とする請求項２７９記載のカメラ。
【請求項２９】前記タッチパネル付きの平面ディスプレイを指で操作する代わりに、ペン型のポインティングデバイスを用いて使用者が座標を入力することを特徴とする請求項２４～２７のいずれかに記載のカメラ。
【請求項３０】前記タッチパネル付きの平面ディスプレイを指で操作する代わりに、通常の平面ディスプレイ上に画像上の位置を表すカーソルを表示し、マウスや押しボタンを使用者が操作することによってカーソル位置を移動し、所望の座標を使用者が入力することを特徴とする請求項２４～２７のいずれかに記載のカメラ。
【請求項３１】前記撮像された画像データを利用して奥行き画像を得るための装置は、その撮像レンズを含む本体とは、通信手段を介して通信可能となっていることを特徴とする請求項１９～３０のいずれかに記載のカメラ。
【請求項３２】前記発光手段は、前記撮像レンズを含む本体と分離可能であり、通常の映像撮像時には前記発光手段が取り外されて使用され、奥行き画像撮像時には前記発光手段を取り付けて使用することを特徴とする請求項１９～３１のいずれかに記載のカメラ。
【請求項３３】特定の輻射パターンを持つ投射光を被写体に照射する発光手段を有し、前記発光手段の被写体反射光を撮像し、撮像した画像の光強度を用いて奥行き画像を得る、形状計測用または被写体抽出用のカメラであって、前記発光手段の発光なしの状態にて動画像を撮像し記録媒体に録画できるビデオカメラを兼ねており、前記発光手段が発光した時に撮像した画像データにインデックス信号を付加しておき、前記インデックス信号が付加された特定の画像のみを用いて奥行き画像を算出することを特徴とするカメラ。
【請求項３４】前記奥行き画像以外にもカラー画像も同時に生成し、奥行き画像とカラー画像を共に出力できることを特徴とする請求項１９～３３のいずれかに記載のカメラ。
【請求項３５】前記被写体切り出し部は、使用者によって指定された距離以下に存在する被写体のみ、または、使用者によって指定された距離の範囲に存在する被写体のみのカラー画像を切り出すことを特徴とする請求項２７記載のカメラ。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、物体の３次元形状の計測を行うレンジファインダ装置及びカメラに関する。
【０００２】
【従来の技術】投影光と観察画像の三角測量に基づいて３次元形状計測を行うレンジファインダ装置としては、例えば、図４０に示すような実時間動作可能なものが提案されている。
【０００３】図４０において、１０１Ａ、１０１Ｂは波長のわずかに異なるレーザ光源、１０２は前記波長の異なるレーザ光源からのレーザ光を合成するハーフミラー、１０３は前記レーザ光源の光強度を制御する光源制御部、１０４はレーザ光を走査する回転ミラー、１０５は回転ミラーを制御する回転制御部、１０６は被写体、１０７はＣＣＤ上に像を結ぶためのレンズ、１０８Ａ、１０８Ｂはレーザ光源の波長の光を分離する光波長分離フィルタ、１０９Ａ、１０９Ｂはモノクロ画像を撮像するＣＣＤ、１０９Ｃはカラー画像を撮像するＣＣＤ、１１０Ａ、１１０Ｂはモノクロカメラの信号処理部、１１１はカラーカメラの信号処理部、１１２はＣＣＤ１０９Ａ、１０９Ｂによって撮影したレーザ光の強度から被写体の距離もしくは形状を計算する距離計算部、１１３は装置全体の同期を調整する制御部である。以下、このように構成されたレンジファインダ装置の動作について説明する。
【０００４】レーザ光源１０１Ａ、１０１Ｂは、波長のわずかに異なるレーザ光を発する。このレーザ光は、後述の回転ミラーの走査方向と垂直な光断面を有するライン光であり、回転ミラーが水平方向に走査する場合は垂直方向のライン光となる。
【０００５】これら２つの光源の波長特性を図４１に示す。波長の近い２つの光源を用いるのは、被写体の反射率の波長依存性の影響を受けにくくするためである。レーザ光源１０１Ａ、１０１Ｂから発せられたレーザ光はハーフミラー１０２によって合成され、回転ミラー１０４によって被写体６に走査される。
【０００６】このレーザ光の走査は、回転制御部１０５がフィールド周期で回転ミラー１０４を駆動することにより行われる。その際に、双方の光源の光強度を１フィールド周期内で、図４２（ａ）に示すように変化させる。レーザ光強度の変化とミラー角の駆動とを同期させることにより、２つのレーザ光強度をＣＣＤ１０９Ａ、１０９Ｂによりモニタしてその光強度比を算出することにより、一走査周期における時刻を測定することができる。例えば、図４２（ｂ）に示すように、光強度がＩａ／Ｉｂの場合には、走査時刻はｔ０と測定され、その測定値から回転ミラー１０４の回転角（φ）が判明する。
【０００７】このように、２つのレーザ光強度の比とミラー角（すなわち、光源側から見た被写体の角度）とを１対１に対応させることにより、後述する距離計算部において、双方の光源の光を撮影した信号レベルの比から、三角測量の原理により被写体の距離もしくは形状が計算される。
【０００８】レンズ７はＣＣＤ１０９Ａ、１０９Ｂ、１０９Ｃ上に被写体の像を結ぶ。光波長分離フィルタ１０８Ａは、光源１０１Ａの波長の光を透過し、他の波長の光を反射する。光波長分離フィルタ１０８Ｂは、光源１０１Ｂの波長の光を透過し、他の波長の光を反射する。その結果、光源１０１Ａ、１０１Ｂの光の被写体からの反射光はＣＣＤ１０９Ａ、１０９Ｂにより撮影され、他の波長の光はカラー画像としてＣＣＤ１０９Ｃにより撮影される。
【０００９】光源Ａ信号処理部１１０Ａと光源Ｂ信号処理部１１０Ｂは、ＣＣＤ１０９Ａ、１０９Ｂの出力について通常のモノクロカメラと同様の信号処理を行う。カラーカメラ信号処理部１１１は、ＣＣＤ１０９Ｃの出力について通常のカラーカメラの信号処理を行う。
【００１０】距離計算部１１２は、各光源の波長についてＣＣＤ１０９Ａ、１０９Ｂにより撮影された信号レベルの比、基線長、画素の座標値から、各画素について距離計算を行う。
【００１１】図４３(ａ)，(ｂ)は、その距離計算を図形的に説明する図である。同図において、Ｏはレンズ１０７の中心、Ｐは被写体上の点、Ｑは回転ミラーの回転軸の位置である。また、説明を簡単にするため、ＣＣＤ１０９の位置を被写体側に折り返して示している。また、ＯＱの長さ（基線長）をＬ、ＸＺ平面内でＱから見たＰの角度をφ、ＯからみたＰの角度をθ、ＹＺ平面内でＯからみたＰの角度をωとすると、図計的な関係より、Ｐの３次元座標は以下の式（１）で計算される。
【００１２】
Ｚ＝Ｄtanθtanφ／(tanθ＋tanφ) Ｘ＝Ｚ／tanθ Ｙ＝Ｚ／tanω ・・・・・（１）
式（１）のφについては、前述のとおり、ＣＣＤ１０９Ａ、１０９Ｂによりモニタしたレーザ光源１０１Ａ、１０１Ｂの光強度比によって計算し、θ、ωについては画素の座標値から計算する。式（１）に示した値のうち、すべてを計算すると形状を求めることになり、Ｚのみであれば距離画像を求めることになる。
【００１３】一方、光源からの光を、被写体に直接照射出来ない場所の撮影には、光ファイバを利用したカメラが知られている。例えば、人体の内部を診察する際に用いられる内視鏡の一つとして胃カメラ等がある。胃カメラの場合、通常光ファイバからの光照射により胃の内壁を照射して、この内壁部からの反射光を別の光ファイバで受光して外部のカメラ部に導き、これを２次元的に処理して通常の画像をモニタに映し出す構成である。
【００１４】また、従来の被写体抽出方法としては、放送局において用いられているクロマキーと呼ばれる技術が一般的である。これは、被写体を単色（青色）の背景で構成されたスタジオセットの前に配置して撮像し、青色部分は背景であると判断してそれ以外の部分が注目被写体であるとする方法である。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記のような従来の構成では、変調可能な光源と光源掃引手段が必須であり、機械的な動作を含むため装置の信頼性が低く、装置のコストが高いという問題があった。
【００１６】また、実質上レーザ素子を変調して用いるのが通常であるが、レーザー素子は温度によって出力や波長が変化するため、安定した測定を実現しにくいという問題があった。
【００１７】又、上記従来の内視鏡等の様に、光源からの光を、被写体に直接照射出来ない場所の撮影には、光ファイバを利用したカメラでは、画像が２次元的データであるため、突起部位の有無の診察等が難しいと言う課題が有った。
【００１８】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、機械的な動作のない、安定したレンジファインダ装置を低コストで提供することを目的とする。
【００１９】又、本発明は、光源からの光を、被写体に直接照射出来ない場所の被写体の距離を計測出来るレンジファインダを提供することを目的とする。
【００２０】また、本発明は、構造が簡単であり、またサイズがコンパクトなカメラを提供することを目的とするものである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】本発明は、光強度が３次元空間的に異なる輻射パターンを持つ投射光を複数個、光源から時分割にて被写体に照射し、前記投射光の被写体からの反射光をカメラで撮像し、撮像した画像の光強度を用いて距離計測を行うレンジファインダ装置であって、予め、光源中心とレンズ中心とを含む複数個の面のそれぞれに対して、各面内における、前記光源からの各投射光の角度と光強度との関係を得ておき、実際の距離測定時には、前記カメラの各画素の光強度を測定し、その測定された光強度と、前記測定された画素の座標位置に対応する所定の面における、前記角度と光強度の関係とに基づいて、その測定した所定の画素の光強度に対応する前記角度を得、これら測定した光強度と、得られた角度と、さらに前記所定の画素の画像上の２次元座標位置情報とに基づいて、前記被写体までの距離を算出することを特徴とするレンジファインダ装置である。
【００２２】また、本発明は、光源と、前記光源から出射される光を導く第１光ファイバと、前記第１光ファイバから導かれた光を複数の経路に分岐する光分配手段と、前記光分配手段に一端が接続され、且つ他端の開口部から前記分岐された光を被写体に照射するための複数の第２光ファイバと、前記照射された光の反射光を受光して、前記被写体の画像データを取得する撮像手段と、前記画像データに基づいて前記被写体までの距離を計算する距離計算手段とを備え、前記複数の第２光ファイバーのそれぞれの前記他端から前記被写体に照射される光の強度が、いずれも場所的に異なる分布を有していることを特徴とするレンジファインダー装置である。
【００２３】また、本発明は、特定の輻射パターンを持つ投射光を被写体に照射する発光手段を有し、前記発光手段の被写体反射光を撮像し、撮像した画像の光強度を用いて奥行き画像を得る、形状計測用または被写体抽出用のカメラであって、前記発光手段と撮像レンズ間の距離が可変可能な構造を有し、使用時においては前記発光手段と撮像レンズ間隔が十分取れるようにできることを特徴とするカメラである。
【００２４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態に係るレンジファインダ装置について、図面を用いて説明する。
【００２５】（第１の実施の形態）図１は、本発明の第１の実施の形態におけるレンジファインダの構成図である。図１において、１カメラ、２ａ，２ｂは光源、５は光源制御部、６は距離計算部である。以下に上記構成の動作について説明する。
【００２６】光源制御部５は、カメラ１の垂直同期信号に同期して、フィールド周期毎に光源２ａ，２ｂを交互に発光させる。光源２ａ，２ｂとしては、例えば図２（ａ）に示すように、キセノンフラッシュランプ等の閃光光源７、８を縦に配置し、後方の反射板の方向を左右にずらしたものを用いることができる。図２（ｂ）は、図２（ａ）の平面図である。光源２ａ、２ｂはそれぞれＡ、Ｂの範囲に光を輻射する。このキセノンランプは発光部分が小型のもので、上から見て点光源と見なせるものが望ましい。さらには、光源２ａ、２７ｂは縦方向に配置されているがその距離は１cm程度であり、ほとんど一点から光が発光されているとみなせる。
【００２７】このような光源から輻射される光パタンは図３のようになる。これは仮のスクリーンに光を投射した場合、そのスクリーン面の明るさの大きさを図中の→方向で示したものである。即ち、各々の光源は中心軸上が最も明るく、周辺になるほど暗くなる特性を持つ。このような中央が明るく周辺が暗いのは半円筒状の反射板９，１０が閃光光源７，８の背後に配置されているからである。また、その半円筒状の反射板９，１０の向きがずれており、それぞれの投射光は一部が重なるように発光されている。
【００２８】図４は、図３のＨ方向の面における、光源からの投射光の角度と光強度の関係を示したものである。このＨ方向とは、光源中心とレンズ中心とを含む複数個の面のうち、任意の面Ｓと前記仮のスクリーンとの交叉線の方向である。この光パタンのうちα部分においては、２つの光源から被写体空間に照射される光は、各光源から見て一方は右側が明るく、他方は左側が明るい光となる。但し、このパタンは高さ方向（Ｙ方向）に対しても異なっている。
【００２９】図５は、図４のα部分における、上記２つの投射光での被写体照明での光強度比と、投射光をＸＺ平面に投影したものがＸ軸に対してなす角度φとの関係を示したものである。α部分においては、光強度比と角度φの関係は１対１対応である。距離の測定のためには、事前に２種類の光パタンを、光源から所定距離離れ、垂直に立てられた平面に交互に投射し、この反射光をカメラ１で撮像した結果から、各Ｙ座標（ＣＣＤ上のＹ座標に対応する）毎に図５のような光強度比と投射光の角度との関係のデータを得ておく。Ｙ座標毎とは、光源中心とレンズ中心とを含む複数個の面毎にということである。
【００３０】また、カメラ１のレンズ中心と光源を結ぶ線分が、ＣＣＤ撮像面のＸ軸と平行になるように光源を配置すれば、各Ｙ座標毎に決定された光強度比と投射光の角度の関係のデータを用いることにより正確に距離計算を行うことができる。以下に、光強度比を用いた距離計算の方法について説明する。
【００３１】図１の点Ｐを着目点とする時、カメラ１によって撮像した映像の点Ｐについての２種類の光パタン照射時の撮像データから得られた輝度比と、点ＰのＹ座標値に対応した図５の関係を用いることにより、光源から見た点Ｐの角度φを計測する。なお、図５の関係は前述のように、Ｙ座標値によって異なる特性を持ち、各Ｙ座標毎に光強度比と、光源からの水平方向の角度φの関係が事前の測定によって用意されているものとする。また、カメラから見た点Ｐに対する角度θは、画像中での位置（すなわち点Ｐの画素座標値）とカメラパラメータ（焦点距離、レンズ系の光学中心位置）から決定する。そして、上記２つの角度と、光源位置とカメラの光学中心位置間の距離（基線長）とから、三角測量の原理により距離を計算する。
【００３２】カメラの光学中心を原点とし、カメラの光軸方向をＺ軸、水平方向にＸ軸、垂直方向にＹ軸を設定し、光源からみた着目点の方向がＸ軸となす角をφ、カメラから見た着目点の方向とＸ軸がなす角をθ、光源位置を（０，－Ｄ）すなわち基線長をＤとすると、着目点Ｐの奥行き値Ｚは前述の式（１）
Ｚ＝Ｄtanθtanφ／(tanθ－tanφ)として計算できる。
【００３３】以上のように本実施の形態によれば、光強度を用いたレンジファインダによる距離測定時に、光源や光学系により生じる光強度の変化を補正して距離計測を行うことにより、全て電子的な動作で実現できる、安定した精度のよいレンジファインダ装置を実現することができる。
【００３４】なお、本実施の形態によるレンジファインダの赤外カメラの前面にハーフミラーもしくはダイクロイックミラーとカラーカメラを配置することにより、距離画像と同時に同一視点のカラー画像も得ることができ、本発明に含まれる。
【００３５】なお、本実施の形態における距離計算部では、距離Ｚのみを計算し計算結果を距離画像として出力するものとしたが、図６に示す角度ωを用いて式（１），式（２）より三次元座標値Ｘ，Ｙ，Ｚを全て計算し三次元座標データを出力してもよく、本発明に含まれる。
【００３６】
Ｘ＝Ｚ／tanθＹ＝Ｚ／tanω ・・・・・（２）
なお、本実施の形態において、光源２ａ、２ｂを同時に発光させ、図４の点線のように１つの中心の明るさが大きく、周辺が暗くなる通常のフラッシュランプとして使用すれば、通常の２次元画像を撮像することができる。
【００３７】また、本実施の形態において、光源２の前面に赤外通過型フィルタを挿入し、カメラ１に赤外波長領域に感度のあるものを用いればフラッシュ光の点灯が使用者や他のカメラ撮影画像に妨害を与えないようにすることができる。また、ハーフミラーやダイクロイックミラー等で赤外カメラと同軸で同時に通常のカラーカメラで画像を撮像すれば、奥行き画像とそれに対応したテクスチャ画像を同時に撮像することもできる。
【００３８】また、本実施の形態において、フラッシュ光は数百マイクロ秒の時間閃光するので、その期間のみカメラ１はシャッタ動作によって露出を行うように設定すれば、背景光が距離測定に影響を及ぼすことを抑圧することが出来、ある程度明るい場所でも距離画像を撮像することができる。
【００３９】また、本実施の形態においては、２種類の光パタンを被写体に照射し、それぞれの場合の撮像画像を用いて各画素での光強度比を計算したが、光パタンを照射しない場合の画像も撮像して合計３種類（光パタン２種類、光パタン無し１種類）の画像を得て計算しても良い。この場合、各画素の光強度比を計算する際に、各々の光パタン照射時の光強度の値から光パタン無しの場合の光強度を差し引いた差分値を計算する。そしてこれらの差分値の比を計算して光強度比とする。このようにすれば明るい場所での撮像の場合、背景光による距離計算誤差を抑圧することが出来る。
【００４０】（第２の実施の形態）図７は、本発明の第１の実施の形態におけるレンジファインダの構成図である。図７において、１ａは赤外光に感度を有するカメラ、２ａ，２ｂは光源、３ａ，３ｂは赤外透過フィルタ、４ａ，４ｂは水平方向に透過率が変化するＮＤフィルタ、５は光源制御部、６は距離計算部である。以下に上記構成の動作について説明する。
【００４１】光源制御部５は、赤外カメラ１ａの垂直同期信号に同期して、フィールド周期毎に光源２ａ，２ｂを発光させる。光源２ａ，２ｂとしては、キセノンランプ等の閃光を発するもので、発光部分が小型のもの（点光源と見なせるもの）が望ましい。また、光源２ａ，２ｂは垂直方向に配置する。
【００４２】各光源の前面には、赤外透過フィルタ３ａ，３ｂとＮＤフィルタ４ａ，４ｂとを配置する。ＮＤフィルタ４ａ，４ｂは水平方向に透過率が変化する。図２は水平方向の光源からの角度と、ＮＤフィルタ４ａ，４ｂの透過率の関係を示す。
【００４３】これらのＮＤフィルタにより、２つの光源から被写体空間に照射される光は、光源から見て一方は右側が明るく、他方は左側が明るい光となる。その結果、被写体にはフィールド周期毎に、上記右側もしくは左側が明るい光が交互に投射される。
【００４４】図５は、上記２つの投射光の光強度比と、光源からの水平方向の角度との関係を示す。以下に、光強度比を用いた距離計算の方法について説明する。
【００４５】図７の点Ｐを着目点とする時、図５の関係を用いることにより、カメラ１ａによって撮像した映像の点Ｐについてのフィールド間での輝度比から、光源から見た点Ｐの角度を計測する。また、カメラから見た点Ｐに対する角度は、画像中での位置（すなわち点Ｐの画素座標値）とカメラパラメータ（焦点距離、レンズ系の光学中心位置）から決定する。そして、上記２つの角度と、光源位置とカメラの光学中心位置間の距離（基線長）とから、三角測量の原理により距離を計算する。
【００４６】カメラの光学中心を原点とし、カメラの光軸方向をＺ軸、水平方向にＸ軸、垂直方向にＹ軸を設定し、光源からみた着目点の方向がＸ軸となす角をφ、カメラから見た着目点の方向とＸ軸がなす角をθ、光源位置を（０，－Ｄ）すなわち基線長をＤとすると、着目点Ｐの奥行き値ＺはＺ＝Ｄtanθtanφ／(tanθ－tanφ)として計算できる。
【００４７】距離計算部６はカメラ１ａの映像信号から距離画像を計算する。そのやり方は実施の形態１と同じでよいが、次に示すような別のより正確な測定が可能な方法がある。図８は、距離計算部６の構成図である。図８において、７１１，１１ｂはフィールドメモリ、１２ａ，１２ｂは光強度補正手段、１３は光強度比計算手段、１４は距離変換手段である。以下に各構成要素の動作について説明する。
【００４８】カメラ１ａにより撮像された画像はフィールド毎にフィールドメモリ１１ａ、１１ｂに書き込まれる。
【００４９】光強度補正手段１２ａ，１２ｂはフィールドメモリに書き込まれた光強度を補正する手段である。その補正の理由を次に説明する。図９は、距離Ｚが一定のスクリーンに点光源から光を（ＮＤフィルタが無い状態で）照射し、面からの反射光を撮像した場合に、撮像される光強度と画素座標値の関係を示す。図９では簡単のために横方向についてのみ１次元的に示しているが、垂直方向についても同様に光強度は曲線的な分布を示す。
【００５０】この分布の要因としては、カメラのレンズ系による周辺減光、被写体面に対する光線の入射角の変化による反射光強度の変化、光源からの角度による光強度の変化等が考えられる。これらの要因により生じる光強度の変化は、光強度比観測時の誤差すなわち距離計測時の誤差となるため、距離計測精度を改善するためには光強度の変換が必要となる。この誤差があると、場合によっては図５の特性曲線中に単調増加曲線でない部分が生じる。そのような部分では、光強度と、上記角度とが一対一対応しなくなる。その結果、測定結果が狂ってしまうことになる。また、この誤差がなければ光強度（比）はＹ軸方向で一定となり、図５の変換テーブルが１つですむという利点がある（実施の形態１ではＹ座標値の個数分変換テーブルが必要となる）。
【００５１】そこで、光強度変換手段１２ａ，１２ｂは、上記計測誤差を低減させるために、ＮＤフィルタが無い場合の、基準となる距離だけ離れたスクリーン上の画像での２次元的な光強度の曲線分布を予め測定しておき、上記光強度と投射光の角度との関係（図５対応）を得る際、また、実際の被写体の距離を測定する際に、その予め測定した光強度の曲線分布に従って、フィールドメモリの光強度を補正変換する。補正変換は、上記光強度の曲線分布を一定値に補正する係数（すなわち、ピーク値又はある任意の値に対する各画素において撮像された光強度の比）を２次元ＬＵＴ（ルックアップテーブル）として保持し、フィールドメモリのデータに画素毎に補正計数を乗じて行う。
【００５２】上記基準距離は、被写体を配置する距離が予めわかる場合は、その距離の付近にすることで、距離計測時の精度を改善できる。
【００５３】以上のように本実施の形態によれば、光強度を用いたレンジファインダによる距離測定時に、光源や光学系により生じる光強度の誤差を補正して距離計測を行うことにより、全て電子的な動作で実現できる、安定した精度のよいレンジファインダ装置実現することができる。
【００５４】なお、本実施の形態によるレンジファインダの赤外カメラの前面にハーフミラーもしくはダイクロイックミラーとカラーカメラを配置することにより、距離画像と同時に同一視点のカラー画像も得ることができる。
【００５５】なお、本実施の形態における距離計算部の説明では、距離Ｚのみを計算し計算結果を距離画像として出力するものとしたが、図６に示す角度ωを用いて、下記の式Ｚ＝Ｄtanθtanφ／(tanθ－tanφ)Ｘ＝Ｚ／tanθＹ＝Ｚ／tanωより三次元座標値Ｘ，Ｙ，Ｚを全て計算し三次元座標データを出力することができる。
【００５６】尚、本実施の形態の距離計算部における光強度補正では、被写体が上述した基準距離から離れた場合、撮像される画素の位置がずれる（すなわち視差が生じる）ため、距離計測精度が低下する。そのような場合、予め複数の基準距離についての光強度補正量を用意しておき、最初、ある１つの基準距離での補正を行って距離を計算し、次にそれに近い基準距離での補正量を用いて再度距離を計算することによって計測精度を改善できる。
【００５７】なお、本実施の形態において、光源２ａ、２ｂを同時に発光させ、図４の点線のように１つの中心の明るさが大きく、周辺が暗くなる通常のフラッシュランプとして使用すれば、通常の２次元画像を撮像することができる。
【００５８】また、本実施の形態において、ハーフミラーやダイクロイックミラー等で赤外カメラと同軸で同時に通常のカラーカメラで画像を撮像すれば、奥行き画像とそれに対応したテクスチャ画像を同時に撮像することもできる。
【００５９】また、本実施の形態において、フラッシュ光は数百マイクロ秒の時間閃光するので、その期間のみカメラ１はシャッタ動作によって露出を行うように設定すれば、背景光が距離測定に影響を及ぼすことを抑圧することが出来、ある程度明るい場所でも距離画像を撮像することができる。
【００６０】また、本実施の形態においては、２種類の光パタンを被写体に照射し、それぞれの場合の撮像画像を用いて各画素での光強度比を計算したが、光パタンを照射しない場合の画像も撮像して、合計３種類（光パタン２種類、光パタン無し１種類）の画像を得て計算しても良い。
【００６１】この場合、各画素の光強度比を計算する際に、各々の光パタン照射時の光強度の値から光パタン無しの場合の光強度を差し引いた差分値を計算する。そしてこれらの差分値の比を計算して光強度比とする。このようにすれば明るい場所での撮像の場合、背景光による距離計算誤差を抑圧することが出来る。
【００６２】また、本実施の形態において被写体に投光する光パターンを、横方向に透過率が変化するＮＤフィルタ４ａ，４ｂと光源２ａ，２ｂの代わりに、光透過型液晶表示素子（通常の液晶映像プロジェクタに使われるようなもの）と光源１つを用いてもよい。光透過型液晶表示素子の光透過パターンを切り替えて光源を２回発光させることによって、あるいは、光源を点灯しておいて光透過型液晶表示素子の２種類の光パターンを切り替えることによって、本実施の形態と同様に２種類の光パターンを被写体に時分割にて照射することができる。
【００６３】（第３の実施の形態）図１０（ａ）は、本発明のレンジファインダの第３の実施の形態の構成を示す概略斜視図である。同図を参照しながら、以下に本実施の形態の構成を説明する。
【００６４】図１０（ａ）に示す様に、半導体レーザ２０１は、波長λの光を出射する光源手段である。第１光ファイバ２０２は、半導体レーザ２０１から出射される光を光分配器２０３に導く手段である。又、第１光ファイバ２０２と半導体レーザ２０１の間には、コリメータレンズ２０４が配置されている。光分配器２０３は、第１光ファイバ２０２から導かれた光を２つの経路に分岐する光分配手段である。又、光分配器２０３は、シャッター機構を備えており、分岐した光を時分割で第２光ファイバａ，ｂに送り出す手段である。第２光ファイバａ（２０５ａ）及び第２光ファイバｂ（２０５ｂ）は、それぞれ光分配器２０３に一端が接続され、且つ他端の開口部から分岐された光を被写体（例えば、胃の内壁など）に照射するための光ファイバである。カメラ部２０６は、受光用光ファイバ束２０７により受光された、被写体からの反射光により、被写体の画像データを取得する撮像手段である。尚、受光用光ファイバ束２０７の先端には、レンズ２１０が近接配置されている。ＣＣＤ２０９は、受光用光ファイバ束２０７からの光を受光出来るように、カメラ部２０６に取り付けられた撮像素子である。又、第２光ファイバａ（２０５ａ）の開口部２０８ａから照射される光は、上記実施の形態で説明した図４に示す様な光強度分布を示す。第２光ファイバｂ（２０５ｂ）の開口部２０８ｂから照射される光も同様である。これらの光が、この様に水平方向の位置によって、光強度の分布が異なるのは、光ファイバの開口部から出る光が、開口角に基づいて拡散するからである。従って、開口角を調整することにより、光強度の分布の形状を変えることが出来る。尚、この開口角は、光ファイバの直径方向の屈折率を所定の値に設定することによりある程度の調整が可能である。
【００６５】尚、本実施の形態のレンジファインダは、上記実施の形態で述べた距離計算部６と同様の機能を備えた、カメラ部２０６からの画像データに基づいて被写体までの距離を計算する距離計算手段（図示省略）を備えている。又、上記第１光ファイバ２０２、及び第２光ファイバａ，ｂ（２０５ａ，２０５ｂ）の双方又は一方に、光ファイバ束を用いても勿論良い。
【００６６】以上の構成により、次に本実施の形態の動作を図１０（ａ）を用いて説明する。
【００６７】本実施の形態のレンジファインダは、胃カメラなどの内視鏡として利用することが出来るものである。
【００６８】即ち、第２光ファイバａ、ｂ（２０５ａ、２０５ｂ）の先端と、受光用光ファイバ２０７の先端とを、患者の胃の中に挿入する。
【００６９】第２光ファイバａ，ｂの開口部からは、図４に示す様な光強度の分布特性を有する光が、上記実施の形態１と同様、時分割で照射される。受光用光ファイバ２０７が、これらの光の反射光を受光する。更に、カメラ部２０６が、これら反射光から得た胃の内壁の画像データを距離計算部に送る。距離計算部は、上記実施の形態１と同様にして、胃の内壁の３次元距離データを計算して出力する。出力された距離データは、モニター（図示省略）に送られて３次元表示される。医師は、そのモニターを見ながら、第２光ファイバの先端を移動させ、３次元的に映し出された患部の画像を見ることが出来る。これにより、従来に比べてより一層正確な診察が出来る。
【００７０】尚、上記実施の形態では、光源部としての半導体レーザを一つ備えた構成のレンジファインダーについて説明したが、これに限らず例えば、図１０（ｂ）に示す様に、光源部を２つ備えた構成であっても良い。即ち、この場合、光源部としての半導体レーザ２０１ａ,２０１ｂには、それらの出射光を個別に被写体側に導き、被写体に照射するための光ファイバ２０５ａ、２０５ｂが設けられている。又、これら各光ファイバ２０５ａ，２０５ｂと半導体レーザ２０１ａ，２０１ｂの間には、コリメータレンズ２０４ａ，２０４ｂが配置されている。この様な構成により、上記と同様の効果を発揮する。
【００７１】又、上記実施の形態では、第１光ファイバ２０２と、２つの第２ファイバ２０５ａ，２０５ｂの間に、光分配器２０３を備えた構成について説明したが、これに限らず例えば、光分配器２０３及び第２光ファイバ２０５ａ，２０５ｂに代えて、第１光ファイバから導かれた光をファイバの先端部で２つの経路に分岐し、被写体に照射するための光分岐手段（図示省略）を備えた構成でも良い。この場合、第２の光ファイバを省略出来、しかも上記と同様の効果を発揮する。
【００７２】又、上記実施の形態では、図１１（ａ）に示す様に、光ファイバ２０５ａ，２０５ｂの前には、何も配置していない構成について説明したが、これに限らず例えば、各光ファイバ２０５ａ，２０５ｂの開口部２０８ａ，２０８ｂの前面にコリメートレンズ３０１（図１１（ｂ）参照）や、シリンドリカルレンズ（又は、ロッドレンズ）３０２（図１１（ｃ）参照）を、各開口部２０８ａ，２０８ｂの前面に配置する構成でも良い。これにより、開口部から照射される光の強度を、より一層効率よく位置的に一様に変化させることが可能となる。なお、各開口部２０８ａ，２０８ｂの前面からは場所的に光強度の異なること無い光を出力させ、そのかわり、光透過率が位置的に異なる透過率変化フィルタ１（３０３ａ）と、透過率変化フィルタ２（３０３ｂ）とを各開口部２０８ａ，２０８ｂの前面に配置することも可能である。
【００７３】ここで、図１１（ｄ）に示したフィルタの特性を、図１２（ａ）、（ｂ）を参照しながら、更に説明する。
【００７４】例えば、図１２（ａ）に示した透過率変化フィルタ１（３０３ａ）を透過した光の強度分布は、図１２（ｂ）中の符号４０１ａを付したものとなる様に設定されている。これに対して、透過率変化フィルタ２（３０３ｂ）を透過した光の強度分布は、同図中の符号４０１ｂを付したものとなる様に設定されている。図１２（ｂ）は、図４に示したαの範囲についての光強度分布を表した図である。このような透過率変化フィルタを用いても本発明を実現できる。
【００７５】又、上記実施の形態では、光分配器にシャッター機構が設けられており、時分割で光が被写体に照射される構成の場合について述べたが、これに限らず例えば、光源からの光に複数の周波数の光が含まれており、光分配器にフィルタを設けることにより、異なる波長の光が開口部から照射される。そして、カメラ部にこれらの２種類の波長を区別して受光出来るフィルタと受光素子とを備える構成とすることにより、被写体の対して、２種類の波長の各光を同時に照射することが可能となる。これにより測定時間の短縮が可能となる。図１０（ｂ）に示した構成についても、半導体レーザ２０１ａ，２０１ｂの波長を異ならせて、カメラ部２０６を、２種類の波長を区別して受光出来るフィルタと受光素子とを備える構成とすれば、上記と同様に、測定時間の短縮が可能となる。
【００７６】又、上記実施の形態では光源として半導体レーザを用いたが、これに限らず例えば、ＬＥＤやランプなどを用いても良い。
【００７７】次に、上述した本発明にかかるレンジファインダ装置をよりコンパクトに、またシンプルな構造とする工夫を実現した本発明のカメラを説明する。
【００７８】つまり、上述したレンジファインダ装置においては、光源２ａ，２ｂを図２に示すように光反射板をずらしておいたり、発光管の前に水平場所によって光透過率の異なった光フィルタを装着する必要があり、構造が複雑であるといえる。
【００７９】また、カメラのレンズと光源の距離を数十センチ以上離さないと三角測量を用いるため測定精度が出ないと面もあり、これをカメラの筐体に収めようとしてもカメラがかなり大きくなる。
【００８０】また、従来公知のカメラで撮像した物体の大きさや寸法を測定することは被写体までの距離が分からないと簡単には計算できないという欠点があった。また、一旦撮影されたカラー画像から被写体の大きさを知ることは不可能であった。
【００８１】また、従来公知のカメラで撮像された画像から被写体を抽出しようとすると、背景が単一色の環境を予め用意しなくてはならず、大がかりな準備が必要であった。
【００８２】以下にそれらの不都合などを解決できる本発明の一実施の形態に係る形状計測用のカメラ及び被写体抽出用のカメラについて、図面を用いて説明する。
（第４の実施の形態）図１（ａ）は、本発明の第４の実施の形態における形状計測カメラ及び被写体抽出カメラの構成図である。また、図２０はこのカメラのブロック図である。
【００８３】図１３において、５０１，５０２はカメラ筐体、５０３は撮影レンズ、５０４は記録メディア、５０５，５０６はそれぞれ光源部を形成する第１，第２ストロボ、５０７はファインダである。図２０において、５３２は表示部、５３３は撮像部、５３４は光源制御部、５３５は距離計算部、５３６はカラー画像計算部、５３８はメディア記録・再生部、５５０は画像メモリである。
【００８４】この形状計測カメラの構造は、図１３（ａ）に示すようにカメラ部の入っている筐体５０１と発光部の入っている筐体５０２が、互いに厚みが異なって互いに重なってはめ込むことが出来る構造になっており、更に図１３（ａ）の状態と（ｂ）の状態を、使用者が筐体５０１、５０２をスライドさせることによって選ぶことが出来る。携帯時には（ａ）の状態で小型の状態にしておき、撮影時には（ｂ）のような状態に筐体を延ばして使用する。これにより、使用時にレンズ５０３の中心と光源部のストロボ５０５、５０６との間隔Ｄを大きく設定することが出来る。図２０（ａ）は、画像メモリ５５０を用いない簡易方式、（ｂ）は画像メモリを持ち高速に撮像・表示することのできるタイプである。
【００８５】光源部のストロボ５０５、５０６は、例えば図２のように構成されており、ストロボ発光管５３０と中心位置をずらした孔を有する遮光板５２８により構成されている。この時、図１５の平面図に示すように発光管５３０の線分から出た光は、遮光板５２８により、その場所によって光の遮られ方が変化しながら出射される。この時、遮光板５２８の孔の位置がストロボ発光管５３０とずれており、直線ｌ上での点ＡからＢの間に光がだんだん強くなるような光が生成される。これによって、図１６のように、２つのストロボ発光管から互いに反対方向に光強度が変化するような光パタンが生成される。次に、このような光を用いて奥行き距離を計算する方法を説明する。なお、その内容は、既に述べた奥行き距離の計算方法とおおむね同様である。
【００８６】このようにして得られる光パタンは、図１７のように、光強度が変化するパタンになっている。この光強度の変化を横Ｘ方向に一次元的に示したのが図１８である。この光パタンのうちα部分においては、２つの光源から被写体空間に照射される光は、光源から見て一方は右側が明るく、他方は左側が明るい光となる。但し、このパタンは高さ方向（Ｙ方向）に対しても変化する。
【００８７】図１９は、図１８のα部分における、上記２つの投射光での被写体照明での光強度比と、光源からの水平方向の角度φとの関係を示したものである。α部分においては、光強度比と光源からの水平方向の角度φの関係は１対１対応である。距離の測定のためには、事前に２種類の光パタンを垂直に立てられた平面に交互に投射し、この反射光をカメラ５０１で撮像した結果から、各Ｙ座標毎に図１７のような光強度比と水平方向の光源からの位置の関係のデータを得ておく必要がある。
【００８８】また、カメラ５０１のレンズ中心と光源を結ぶ線分が、撮像面のＸ軸と水平になるように光源を配置すれば、各Ｙ座標毎に決定された光強度比と水平方向の光源からの位置の関係のデータを用いることにより正確に距離計算を行うことができる。これは、図２０（ａ）の距離計算部によって算出される。以下に、光強度比を用いた距離計算の方法について説明する。
【００８９】図２０（ａ）の点Ｐを着目点とする時、使用者の撮像意図に基づいて撮像部５３３によって撮像した映像の点Ｐについての光源のストロボ５０５、５０６それぞれからの２種類の光パタンが時分割で光源制御部５３４によって投射された時の、撮像部５３３の出力である撮像データから得られた輝度比と、点ＰのＹ座標値に対応した図１９の関係を用いることにより、光源から見た点Ｐの角度φを計測する。
【００９０】なお、図１９の関係は前述のように、Ｙ座標値によって異なる特性を持ち、各Ｙ座標毎に光強度比と、光源からの水平方向の角度φの関係が事前の測定によって用意されているものとする。また、カメラから見た点Ｐに対する角度θは、画像中での位置（すなわち点Ｐの画素座標値）とカメラパラメータ（焦点距離、レンズ系の光学中心位置）から決定する。そして、上記２つの角度と、光源位置とカメラの光学中心位置間の距離（基線長Ｄ）とから、三角測量の原理により距離を計算する。
【００９１】カメラの光学中心を原点とし、カメラの光軸方向をＺ軸、水平方向にＸ軸、垂直方向にＹ軸を設定し、光源からみた着目点の方向がＸ軸となす角をφ、カメラから見た着目点の方向とＸ軸がなす角をθ、光源位置を（０，－Ｄ）すなわち基線長をＤとすると、着目点Ｐの奥行き値Ｚは式Ｚ＝Ｄtanθtanφ／(tanθ－tanφ)として計算できる。この時、Ｄの値（レンズと光源部の距離）が小さいと、計測された奥行き値Ｚの値の精度が悪くなる。例えば、３ｍ程度の距離までの被写体であれば、Ｄの値を２０～３０ｃｍにすれば、計測距離の約１％の誤差で奥行きが計測できる。これより小さなＤの値になるに従って、計測誤差はこれよりも大きくなっていく。また、着目点ＰのＸ、Ｙ座標は以下の式によって与えられる。
【００９２】Ｘ＝Ｚ／tanθＹ＝Ｚ／tanωまた、カラー画像計算部５３６は、前述の２種類の光パタン照射時の撮像データを加算平均した画像を計算し、これをカラー画像とする。２種類の光パタンは、図１８のように、お互いに相補的に明るさが変化する特性を持っており、これらを加算平均することによって一様な明るさのストロボで撮像したのと同等なカラー画像を得ることが出来る。
【００９３】以上のようにして得られたカラー画像と奥行き画像は、表示部５３２に表示されるとともに、メディア記録・再生部５３８を通して記録メディア５０４に記録される。もちろん、一旦記録されたカラー画像及び奥行き画像をメディア記録・再生部５３８により読み出して表示部５３２に表示することも出来る。
【００９４】また、図２０（ｂ）のように、撮像部５３３からの画像データを一旦画像メモリ５５０に蓄積するようにすれば、連続して画像を入力することもできる。また、一旦記録メディア５０４に記録した画像を画像メモリ５５０に複数読み出して、高速に再生表示することもできる。
【００９５】以上のように本実施の形態によれば、光強度の変化パターンを直線状のストロボ発光管と孔の空いた遮光板を用いるだけで、簡単な構造で複数の光パターンを生成でき、構造の安定した形状計測カメラを実現することができる。
【００９６】また、携帯時には小型で、撮影時には本体を引き延ばしてレンズ５０３と光源部のストロボ５０５，５０６の間隔Ｄを大きく取ることが出来、精度の高い奥行き画像を計測できる形状計測カメラを実現することが出来る。
【００９７】（第５の実施の形態）図２８は、本発明の第５の実施の形態における形状計測カメラ及び被写体抽出カメラの構成図である。図２８において、５０１，５０２はカメラの筐体、５０５，５０６はそれぞれ光源部を形成する第１、第２ストロボ、５１８は表示パネル、５１９はタッチパネル、５３２は表示部、５３３は撮像部、５３５は距離計算部、５３６はカラー画像計算部、５３８はメディア記録・再生部、５３７は制御部である。以下に上記構成の形状計測カメラ及び被写体抽出カメラの動作について説明する。
【００９８】図２７は、形状測定カメラの裏面を示したものである。裏面には、表示パネル５１８と、タッチパネル５１９が重ねて配置してあり、撮像されたカラー画像や奥行き画像を表示し、使用者が指や棒状のもので、その画像中の注目位置（座標）を指定できるようになっている。
【００９９】図２８は、表示・距離計測のブロック図を示したものであり、撮像された距離画像とカラー画像は制御部５３７に入力され、使用者の注目位置指定座標も制御部５３７に入力される。制御部５３７は、撮影されたカラー画像を表示パネル５１８に表示し、タッチパネル５１９によって入力された複数の注目指定座標と、奥行き画像から、実際の距離などを計算して表示パネル５１８に表示する。
【０１００】図２５は、注目位置指定の様子を示したものである。まず、表示部５１８に、使用者が撮影した机のカラー画像が表示されているとする。使用者は、指定点Ａ５２３、Ｂ５２４を指または棒状のもので指定する。
【０１０１】指定すると、形状計測カメラは、得られている奥行き画像のそれぞれの座標位置の実際の座標Ａ（Ｘａ，Ｙａ，Ｚａ）とＢ（Ｘｂ，Ｙｂ，Ｚｂ）の値を用いて、点Ａ、Ｂを結ぶ線分ＡＢの距離Lab即ち【０１０２】
【数１】

【０１０３】を計算し、表示パネル５１８の別の部分に表示する。この例では、ＡＢの長さが２５ｃｍであると表示されている。このようにして、使用者は、撮影された被写体の測りたい点間の距離を、被写体に触れることなく、これが奥行き方向の長さであっても測定することが出来る。
【０１０４】また、同様にして直線ではなく、円状の被写体の大きさを測定することができる。図２６は、円形のテーブルを撮像した場合の例である。例えば、使用者は撮像され表示パネル５１８に表示されたカラー画像を見ながら、測りたい円形の円周の部分の適当な位置３点Ａ５２３、Ｂ５２４、Ｃ５２６をタッチパネルに指または棒状のものを触れることによって指定する。
【０１０５】その後、形状計測カメラは、これらの３点の空間座標値Ａ（Ｘａ，Ｙａ，Ｚａ），Ｂ（Ｘｂ，Ｙｂ，Ｚｂ），Ｃ（Ｘｃ，Ｙｃ，Ｚｃ）から、これらを通る円の方程式を求める。求める方法は色々あるが、例えば、線分ＡＢとＢＣの垂直二等分線を求め、それの交点が円の中心Ｇ（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）であるする。次に、線分ＧＡ、ＧＢ、ＧＣの長さの平均値を円の半径とすればよい。
【０１０６】このようにして得られた半径を図２６では５０ｃｍとして表示して使用者に知らせている。このようにすることによって、円形のような複雑な形の大きさも、被写体に触れることなく測定することが出来る。他にも、正三角形や楕円など、形状を規定する数式が存在する形であれば、複数の点を使用者が指定することによって奥行き画像から、その大きさを被写体に触れることなく測定することができる。また、この場合は、タッチパネルを用いて使用者が注目点の座標を入力したが、上下左右に動くカーソル（十字事模様など）を表示パネル５１８に表示し、押しボタンによってその位置を動かして指定して注目点の座標を入力してもよい。
【０１０７】また、被写体の大きさ計算結果を、メディア記録・再生部５３８を通して記録メディア５０４に記録すれば、使用者が測定結果を覚えておく必要はなく、記録メディア５０４を取り出して、これを読み書きできるメディア記録・再生部５３８と同等の機能を有する機器（パーソナルコンピュータなど）で使用することも出来、便利である。もちろん、測定結果を撮影されたカラー画像中にスーパーインポーズし、画像として保存しても良い。
【０１０８】また、以上の例では被写体の長さを測定したが、長さを複数測定し、それを元にして面積や体積を求めることもできる。
【０１０９】更に、撮影データの他の表示・利用例を述べる。
【０１１０】図２７に示したように、カメラ裏面には、表示部５１８と、タッチパネル５１９が重ねて配置してあり、撮像されたカラー画像や奥行き画像を表示し、使用者が指や棒状のもので、その画像中の注目位置（座標）を指定できるようになっている。これを利用して、使用者が注目した被写体のみを切り出した画像を得ることのできる被写体抽出カメラを実現することが出来る。
【０１１１】図２８は、表示・切り出し動作のブロック図を示したものであり、基本的には前述の形状測定カメラと同じ構造である。撮像された距離画像とカラー画像は制御部５３７に入力され、使用者の注目位置指定座標も制御部５３７に入力される。
【０１１２】制御部５３７は、撮影されたカラー画像を表示パネル５１８に表示し、タッチパネル５１９によって入力された複数の注目指定座標と、奥行き画像から、使用者が意図する被写体のみを切り出して表示部５１８に表示し、記録メディア５０４に記録することが出来る。この動作を図２９を用いて説明する。
【０１１３】まず、使用者は被写体５２０を切り出したいとする。使用者は被写体５２０の一部をタッチパネル５１９にて指定する。制御部５３７は、この座標の含まれる部分の奥行き値を奥行き画像から得て、それと連続的に連結された奥行きを有する部分を使用者の注目する被写体と判断し、その部分のみを表示して、それ以外の部分をある特定の色に塗りつぶして、表示パネル５１８に表示する。
【０１１４】連結部分の判断は、指定された座標を始点として、奥行き値が連続的に変化する限りその領域を上下左右に広げていき、奥行き不連続部分があればそこで停止するような、いわゆる画像処理を行えばよい。
【０１１５】また、使用者が切り出したいと思う被写体のカメラからの距離よりも少し遠い距離、または切り出したいと思う距離の範囲をタッチパネルまたは押しボタンによって指定し、制御部５３７はその値によって指定された距離よりも近い値を持つカラー画像の部分、または指定された距離の範囲の部分のみに含まれるカラー画像を表示し、その他の部分はある特定の色に塗りつぶし、表示パネル５１８に表示し、記録メディア５０４に記録する。
【０１１６】このようにすることによって、使用者が注目する被写体のみをカメラが判断して切りだし、これを表示・記録することが出来る。また、この場合、画像処理によっては、図３０に示したように、背景部分であるにもかかわらず、誤動作によって前景と判断されてしまう部分が発生する可能性がある。
【０１１７】この場合は、使用者がタッチパネル５１９によって誤動作したと思われる部分（図２９）を指定して、これは背景であるように、表示結果を修正するようにすれば、品質の高い被写体の切り出しカラー画像を得ることが出来る。もちろんこの場合、誤動作によって背景と判断された部分を使用者が指定して、この部分が前景になるように修正動作を行っても良い。
【０１１８】以上のようにすれば、奥行き画像の情報を用いて、距離によってカラー画像を切り出すことによって、使用者が注目する被写体のみを切り出した画像を簡単に得て、保存することが出来る。
【０１１９】また、図２８において、制御部５３７内に画像メモリを配置し、再生・操作する画像を一旦画像メモリ上に置くことによって、画像のアクセス速度を速くしたり、複数の画像を高速に切り替えて表示・操作することもできる。
【０１２０】以上のように本実施の形態によれば、被写体に触れることなく、それの実際の大きさを測定することも出来る。また、使用者が注目している被写体のみを、その奥行き情報を元に簡単に切り出して保存することも出来る形状計測カメラ及び被写体抽出カメラを実現することが出来る。
【０１２１】また、第４の実施の形態において、形状計測カメラの筐体が、図２１のように構成されていても、同様の効果が得られる。即ち、撮像部５３３が配置されるカメラ部９と、光源を形成する第１，第２ストロボ５０５，５０６が配置されるストロボ部５０８が、蝶番のような構造を有する接続部５１０によって接続され、使用者が自由に図２１（ａ）のように折り畳んだり、（ｂ）のように延ばしたりできる構造である。携帯時には、（ａ）のようにすれば小型であり、撮影時には（ｂ）のように広げて使えば、レンズ５０３と光源の第１，第２ストロボ５０５，５０６の間隔Ｄを大きくすることが出来る。
【０１２２】また、図２１（ｃ）のように、レンズと第１、第２ストロボ５０５，５０６が垂直に配置されるような構造にすることもできる。この場合、奥行き画像計算は前述では角度φ、θが水平方向の変化であったのに対して、垂直方向に変化になるだけで、あとは同様の計算で奥行き画像を算出できる。縦方向の光強度の変化を生成するために、光源は図２１（ｄ）に示したように縦置きの発光管の構成となる。
【０１２３】この場合、図２３に示したように、図２１のようなカメラ部の入っている筐体５０１と発光部の入っている筐体５０２が、互いに厚みが異なって互いに垂直方向に重なってはめ込むことが出来る構造としても、同様な効果が得られる。この時の光源部の構成は図２３（ｄ）のようになる。
【０１２４】また、第４の実施の形態において、形状計測用カメラの筐体が、図２２のように構成されていても、同様の効果が得られる。即ち、光源部の第１、第２ストロボ５０５、５０６を含む部分の筐体５１７を小型とし、カメラ筐体５０１に蝶番構造で接続される。使用時には筐体５１７を使用者が回して光源部の第１、第２ストロボ５０５，５０６を露出させることによって、通常は光源部の第１、第２ストロボ５０５，５０６が露出せず不用意な接触によって破損することを防ぎつつ筐体を小さくでき、同時に撮影時にはこれらとレンズの間隔Ｄを大きく取ることが出来る。
【０１２５】また、第４の実施の形態において、光源は図２のように構成されるとしたが、図２４（ａ）のように、発光管５２９が一つであり、その前に液晶バリア５３１を置いた構造にしても同様の光パタン生成機能を有することが出来る。
【０１２６】この場合、図２４（ｂ）のように発光管５２９に対して左側、（ｃ）のように右側に光透過部が順次設定されるようにし、それぞれの状態において一回づつ順番に発光管５２９が発光するようにして、図２のように２つの発光管を用いることなく、一つの発光管を２回順次発光させることで、図１８と同様な光パターンを生成することができる。
【０１２７】これによって、発光管の本数が少なく、発光パタンの出射位置が図２のように上下に少しずれた位置から出るのではなく、あたかも同じ位置から光が出射されたようにすることが出来、奥行き計測誤差を小さくすることが出来る。
【０１２８】これは図２０において、光パタンの出射点Ｑの位置が本実施の形態では垂直方向にずれていたのに対し、この場合は同じ位置になるので、直線ＰＱが１本の線となり、垂直位置の異なった直線を用いて奥行き計算するよりも誤差が発生しないからである。
【０１２９】また、この場合、図２４（ｄ）のように液晶バリア５３２の全面を光透過状態にすることによって、通常の２次元画像を撮像するカメラのストロボとしても利用することができる。
【０１３０】また、第４の実施の形態では、形状計測カメラ及び被写体抽出カメラ本体において、奥行き画像とカラー画像を計算し、これを記録メディアにて記録したが、図３１に示すように、カメラ本体では、光源の第１、第２ストロボ５０５・５０６に同期して撮像された画像データをメディア記録・再生部５３８を通して記録メディア５０４に記録し、これをパーソナルコンピュータなどで構成された解析装置３９により画像データを読み出して、距離計算部５３５・カラー画像計算部５３６により所望の解析結果を出し、これを表示部５３２を用いて被写体を切り出したり、形状を測定しても良い。
【０１３１】また、記録メディア５０４を介さずに画像データを解析装置５３９に転送することもできる。例えば、カメラ本体と解析装置５３９をデータ現行の通信手段を用いて接続する。例えば有線通信ではパラレルデータインタフェース、シリアルデータインタフェース、電話回線を用いることが出きる。無線通信では、光通信・赤外線通信・携帯電話網通信・電波通信を用いることが出来る。さらに、解析結果を記録媒体に記録することもできる。
【０１３２】また、この場合、撮像部５３３は動画撮影用ビデオカメラであり、記録メディア５０４がテープなどの記録媒体の場合、通常はカラー動画像を撮影するカメラとして利用し、使用者が必要なときだけ押しボタンなどを押すことによって、フラッシュを点灯させ、その部分の映像（フレーム、フィールドなど）のみ識別できるようなインデックス信号を記録媒体に記憶しておけば、解析装置５３９において、インデックス信号を有する部分の映像のみを抽出し、その部分のみカラー画像・奥行き画像を計算して出力することができる。
【０１３３】また、第４の実施の形態では、カメラ筐体５０１に最初から光源部が付属していたが、光源部のみを取り外し可能にすることによって、通常のカラー画像撮像時には小型で携帯しやすい形状であり、奥行き画像撮像時のみに光源部を取り付けて使用する方法も考えられる。
【０１３４】図３７（ａ）は、写真用の外部ストロボ装置のような構造であり、図２、図２４のような光源を搭載した外部光源である。カメラとの接続部５４９を介して、図３７（ｂ）のようにカメラ筐体５０１と接続して使用する。図３８は、図３５、図３６に示したような被写体の影をなくすための光源の例である。
【０１３５】図３８（ａ）では、接続部５４９の両側に対称に光源が配置されている。カメラに接続した様子を図３８（ｂ）に示す。また、図３７、図３８では、フイルムカメラのストロボシューのような構造でカメラ本体と光源を接続したが、図３９（ａ）のように、カメラの三脚取り付けネジを利用して取り付ける方法も考えられる。
【０１３６】この場合、図３９（ｂ）のように、カメラ筐体５０１の底部のネジを用いて取り付ける構造となる。このような、取り外し可能な外部光源装置として光源を分離すれば、奥行き画像撮像時のみ、カメラが大きくなり、通常のカメラとして使用する場合には小型軽量という利便性を出すことが出来る。
【０１３７】また、第５の実施の形態において、図３１の構成ではタッチパネルを用いた構成で使用者の座標指定を行うことが出来るが、他の手段で使用者が指定を行っても良い。例えば、パーソナルコンピュータで実現する場合はマウスやキーボードの入力装置を用いることができる。他にもトラックボール、スイッチ、ボリュームなどを応用することも出来る。
【０１３８】また、第４、・第５の実施の形態においては、図１３、図２１、図２２、図２３に示したように、撮像部５３３に対して２つの光源部の第１、第２ストロボ５０５・５０６を片方に配置したが、この場合、図３２に示したような配置で被写体５４０、背景５４１を撮像すると、得られる画像は図３３に示したように光源からの光が被写体５４０によって遮られ、影５４２が発生する。
【０１３９】この部分は光源からの光が届かない領域であり、距離画像としての情報を得ることが出来ない領域である。この場合は、図３４に示すように光源の第１、第２ストロボ５０５・５０６と同じ構成の光源５４３・５４４をレンズを中心として光源の第１、第２ストロボ５０５・５０６の反対側に設置することにより、この影の領域をなくすことが出来る。その方法を以下に示す。
【０１４０】光源の第１、第２ストロボ５０５・５０６を用いた場合は領域β、光源５４３・５４４を用いたときは領域γの部分が距離画像としての情報を得られない部分である。前述の計算と同様にして、光源の第１、第２ストロボ５０５・５０６を用いたときの距離画像Ａ及びカラー画像Ａ、光源５４３・５４４を用いた時の距離画像Ｂ及びカラー画像Ｂをそれぞれ独立に計算しておく。この時、それぞれの画像において、領域β、γの部分を得られた画像データから、輝度の小さい部分として判断しておく。
【０１４１】次に、距離画像Ａ、Ｂを合成して影領域のない距離画像を新たに生成する。これは、距離画像Ａ、Ｂでどちらか一方において前述の輝度の小さい部分として判断されていない領域が存在した場合は、その値を採用し、どちらも影領域でない場合は、両方の画像データの平均値を用いることによって実現できる。
【０１４２】カラー画像についても同様であり、少なくともカラー画像Ａ・Ｂどちらか一方が影部分でないデータを有していれば、影領域の無い新しいカラー画像を合成することができる。
【０１４３】以上の構成の場合、光源がレンズの左右または上下に配置されている必要がある。その場合、図３５に示したように、カメラ本体５１１の左右に、光源部を有した筐体５１２・５１３を反対方向にスライドして延ばすような筐体の構成にすれば、使用者が携帯時には小さくして図３５（ａ）の状態にして持ち運び、使用する場合は図３５（ｂ）のように延ばして基線長Ｄを大きく取り、奥行き画像計測精度が低下するのを防ぐことが出来る。
【０１４４】また、図３６に示すように、３段に折り畳めるような構造にしても同様の効果を得ることが出来る。図３６（ａ）のように携帯時には折り畳んで小さくして持ち運び、使用時には図３６（ｂ）のように広げればレンズと光源の間隔である基線長Ｄを大きく取ることが出来る。
【０１４５】また、図２１（ｃ）のように、レンズと光源の配置を垂直にするために、図３５の筐体５１２・５１３を筐体１１の上下に配置したり、図３６において筐体５１２・５１３を筐体１１の上下に配置してもよい。産業上の利用可能性【０１４６】
【発明の効果】以上述べたところから明らかな様に本発明のレンジファインダ装置によれば、機械的な動作を含まず、全て電子的な動作で実現出来る、低コストで、信頼性の高い装置を提供することが出来る。
【０１４７】又、本発明のレンジファインダ装置によれば、光源からの光が２次元的なパターンを有する場合においても、精度良く距離測定を行うことが出来る。
【０１４８】又、本発明レンジファインダ装置によれば、光源からの光を、被写体に直接照射出来ない場所の被写体の距離を計測出来る。
【０１４９】さらに、以上のように本発明のカメラによれば、構造が簡単で実用性の高い光源部を実現できる。また、携帯時には小型であるが使用時にはカメラレンズと光源の距離を数十センチ以上確保でき、奥行き画像測定精度を低下させない効果を有する。また、非接触で被写体の長さや大きさを簡単に測定でき、また、一旦撮影されたカラー画像から被写体の大きさを知ることができ、また、撮像された画像から注目する被写体を簡単に抽出することができる形状計測用、被写体抽出用のカメラを提供することが出来る。

【出願人】	【識別番号】０００００５８２１【氏名又は名称】松下電器産業株式会社
【出願日】	平成１１年５月２４日（１９９９．５．２４）
【代理人】	【識別番号】１０００９２７９４【弁理士】【氏名又は名称】松田正道
【公開番号】	特開２００１－１２９０９（Ｐ２００１－１２９０９Ａ）
【公開日】	平成１３年１月１９日（２００１．１．１９）
【出願番号】	特願平１１－１４４０９７