広角画像の歪みを排除する
By Mark Peterson, VP Advanced Technology at Theia Technologies.
今日のメガピクセルカメラは、適切なレンズがあれば多くの利点があります。広い範囲をカバーしたり、カメラの設置数を減らしてコストを削減したりする場合、そのレンズは広角レンズです。最近までは、超広角の視野を提供するレンズとして魚眼レンズのみが利用可能でした。魚眼レンズは曲がった歪んだ画像を生成し、多くの人が好まないものです。この大きな歪みにより、画像の端で解像度が低下します。
過去一年で、バレル歪みや魚眼レンズの端での解像度の低下を伴わない異なる超広角ビューを提供する新しい直線レンズが開発されました。このレポートでは、広角レンズ技術の概要と、 Linear Optical Technology®. を使用して魚眼歪みを克服する方法について説明します。
広角レンズの設計
現実の世界は三次元の人々や物体で満ちています。この世界をカメラの二次元平面に表現すると、特に広角レンズを通して見ると、いくつかの光学的効果が生じます。
広角レンズを設計する際には、以下の二つのアプローチが使用されます：
- 等角スライス: 各ピクセルが同じ角度を受け取り、画像にバレル歪みを引き起こします。
- 等平面距離: 各ピクセルが平面上の同じ距離を画像化します。これは直線レンズです。
この二つの広角レンズのファミリーは、世界の見え方を大きく異なります。
直線広角レンズ
バレル歪み広角レンズ
ほとんどの広角レンズ、特に魚眼レンズは、世界をセンサーに等角スライスで画像化することでバレル歪みが生じます。類似の用途で異なる設計のレンズは、直線レンズを使用して現実世界の等平面距離を画像センサーに画像化します。最近まで、広角アプリケーション用の直線レンズは利用できませんでしたが、Theia Technologiesはこのタイプのレンズの開発に取り組んでいます。
直線レンズは、現実世界の直線を画像センサー上でも直線として保ちます。これにより、「3D伸び」や「傾き」効果が生じ、画像の端にある物体が伸びて見えることがあります。これは、物体がレンズからの接線角度に沿って平面に「平坦化」されるためです。視野が広いほど（直線レンズの場合）、この効果はより顕著になります。さらに、3D伸びにより画像の端で解像度が向上するという追加の利点があります。
以下の画像では、2台の車は同じ幅ですが、車Bは非常に斜めから見られているため、伸びて見えます。車両は同じ幅ですが、カメラに対して同じ平面上にあり、レンズはこれらの平面測定をセンサー上の等距離に画像化しています。長さが伸びて見えるのは、センサー平面に平坦化されるためです。
超広角直線レンズによる3D伸びを示す画像
直線レンズの広角タイプは、視野角が80度を超えるほとんどの広角レンズ、特に魚眼レンズで見られるよく知られたバレル歪みを持っています。この歪みにより、画像が曲がって見え、物体が画像の中心から遠くなるにつれて解像度が低下します。
歪みは、画像中心から遠くなるにつれて物体の幅を減少させます。
直線レンズで撮影された同じ画像では、画像の端に向かって解像度が向上しています
歪みの効果はソフトウェアで排除することができます（直線レンズ画像を作成することが可能です）が、時間や処理能力が必要となります。画像の端にある物体は圧縮され、詳細情報が失われます。情報はレンズを通過する際に既に失われており、どれだけソフトウェアを使用しても（ハリウッドのビデオ監視に対する見解とは異なり）情報を再取得することはできません。
広角レンズの自然な用途
広角レンズは万能ではありませんが、その使用から利益を得られる多くのアプリケーションがあります。広い範囲のカバレッジが必要なアプリケーションでは、メガピクセルカメラに超広角レンズを装着することでコスト削減の機会を提供します。広角レンズは次のように利用できます：reduce the number of cameras required to cover an area, reducing cost of installation, maintenance and monitoring,
- カメラの数を削減: 広いエリアをカバーするために必要なカメラの数を減らし、設置、保守、監視のコストを削減します。
- PTZカメラの代替: 事後のPTZ操作が望まれる場合に、PTZカメラの代わりに使用できます。
- 広いエリアの監視: 駐車場、学校、建設現場などの広いエリアを効果的に監視します。
- クローズアップアプリケーション: ATM、カードロック付きのガレージ入口、多ドア入口など、高い画像詳細と広い視野が必要な場所で使用します。
結論
メガピクセルカメラは、大面積の高解像度画像を表示できる高性能な広角レンズを必要とします。魚眼レンズはバレル歪みのある曲がった画像を作成し、ソフトウェアによる画像補正が必要です。一方、直線レンズはレンズ内で光学的に歪みを補正し、優雅かつ効率的な解決策を提供します。.
マーク・ピーターソンは、Theia Technologiesの先端技術担当副社長です。