(57)【要約】【課題】  外乱光の強度変化にかかわらず、安定して同期検波領域を抽出できる物体検出装置を提供する。【解決手段】  撮像部2の撮像画像から投光部1の照射範囲の各画素の輝度値を検出する輝度検出部7と、光入力と輝度出力とを座標軸とする座標上に撮像部2の光入力に対する輝度出力値が低い領域と高い領域との間の領域における光入力と輝度出力との関係を表す輝度出力特性を設定し、照射範囲の各画素の輝度値に応じて、輝度出力特性の傾きを維持しつつ光入力軸方向の位置を変更するオフセット回路22と、を備えた。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段の露光時間に同期して前記撮像手段の撮像範囲内に強度変調された照射光を照射する投光手段と、
前記投光手段の照射光の発光強度を制御する投光制御手段と、
前記撮像手段の撮像画像から、前記投光手段の照射光の強度変調と同期して輝度変動する同期検波領域を抽出する同期検波処理手段と、
前記同期検波領域から前記撮像範囲内の物体検出を行う物体検出手段と、
を有する物体検出装置において、
前記撮像手段の撮像画像から前記投光手段の照射範囲の各画素の輝度を検出する輝度検出手段と、
光入力と輝度出力とを座標軸とする座標上に、前記撮像手段の光入力に対する輝度出力値が低い領域と高い領域との間の領域における光入力と輝度出力との関係を表す輝度出力特性を設定し、前記照射範囲の各画素の輝度に応じて、前記輝度出力特性の傾きを維持しつつ光入力軸方向の位置を変更する輝度出力特性変更手段と、
を備えたことを特徴とする物体検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の物体検出装置において、
前記輝度出力特性変更手段は、前記照射範囲の輝度が高いほど大きくなる輝度出力オフセットに基づき、前記撮像手段の輝度出力特性を前記光入力軸正方向へオフセットすることを特徴とする物体検出装置。
【請求項３】
請求項２に記載の物体検出装置において、
前記輝度出力特性変更手段は、前記投光手段の照射光が観測される撮像範囲の平均輝度と標準偏差σを算出し、平均値-3σの最小輝度が、前記輝度出力特性の最低となるように前記撮像手段の輝度出力特性を前記光入力軸正方向へオフセットすることを特徴とする物体検出装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載の物体検出装置において、
前記輝度出力特性変更手段は、前記撮像手段から出力されたアナログ信号に対し、前記輝度出力オフセットに応じた直流オフセット量を付与することを特徴とする物体検出装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の物体検出装置において、
前記撮像手段の露光時間を制御する露光制御手段を備え、
前記露光制御手段は、前記投光手段の照射光が観測される撮像領域の最大輝度が、前記輝度出力特性の最高を超えないように露光時間を設定することを特徴とする物体検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、CCD等の撮像素子の撮像範囲内に強度変調された照射光を照射し、その反射光を撮像して得られた撮像画像から照射光の強度変調と同期して輝度変動する同期検波領域を抽出し、同期検波領域に基づいて撮像範囲内の物体を検出する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2008-128792号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術にあっては、太陽光等の外乱光が弱い状況から強い状況へと変化した際、撮像画像の出力信号の飽和を抑制するためにレンズ絞り値や露光時間の調整により撮像素子の光入力に対する輝度出力を小さくした場合、照射光に対する感度分解能が低下するため、同期検波領域の抽出が不安定になるという問題があった。
本発明の目的は、外乱光の強度変化にかかわらず、安定して同期検波領域を抽出できる物体検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明では、光入力と輝度出力とを座標軸とする座標上に、撮像手段の光入力に対する輝度出力値が低い領域と高い領域との間の領域における光入力と輝度出力との関係を表す輝度出力特性を設定し、投光手段の照射範囲の各画素の輝度に応じて、輝度出力特性の傾きを維持しつつ光入力軸方向の位置を変更する。
【発明の効果】
【０００６】
よって、照射光に対する感度分解能が一定に維持されるため、外乱光の強度変化にかかわらず、安定して同期検波領域を抽出できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施例１の物体検出装置の構成を示すブロック図である。
【図２】実施例１の物体検出装置による物体検出処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】外乱光の強弱による撮像素子の感度分解能の変化を示す図である。
【図４】外乱光の強弱に応じてレンズの絞り値や露光時間を調整した場合の撮像素子の輝度出力特性の変化を示す図である。
【図５】実施例１において、投光部1の照射領域内の輝度値に応じて、撮像素子の光入力に対する輝度出力特性を光入力軸正方向にオフセットさせた状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
〔実施例１〕
図１は、実施例１の物体検出装置の構成を示すブロック図である。実施例１の物体検出装置は、車両に搭載され、車両前方の物体を検出する。
投光部（投光手段）1は、例えば、プロジェクタヘッドライトやリフレクタを備えたヘッドライトであり、水平方向に発光領域を形成する配光特性を有する照射光を車両前方に向けて照射する。投光部1の発光源としては、可視光、赤外光または紫外光を用いることができる。
【０００９】
撮像部（撮像手段）2は、カメラ21と、オフセット回路22と、A-Dコンバータ23とを有する。
カメラ21は、CCDイメージセンサーやCMOSイメージセンサー等の撮像素子を備える。カメラ21は、車両前方を撮像し、これに加えて、投光部1により照射された照射光の反射光を受光する。
オフセット回路（輝度出力特性変更手段）22は、カメラ21から出力されたアナログ信号に対し、後述するオフセット制御信号（輝度出力オフセット値）に応じた直流オフセット量を付与する。
A-Dコンバータ23は、オフセット回路22から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。
【００１０】
変調制御部（投光制御手段，露光制御手段）3は、カメラ21による撮像タイミングのトリガ信号と露光時間（シャッター時間）の制御信号を出力すると共に、投光部1の照射光をPWM制御する際のパルス点灯および消灯タイミングのトリガ信号を出力する。また、PWM制御で使用した搬送波（キャリア周波数）信号を出力する。
【００１１】
同期検波処理部（同期検波処理手段）4は、A-Dコンバータ23により出力されたデジタル信号、すなわち、カメラ21の撮像画像を順次記憶し、記憶した画像中の全画素（または画像中に処理領域を制限した場合は、画像処理領域中の全画素）において、変調制御部3から出力される照射光に含まれる変調信号を同期検波することにより、照射光強度と同期して輝度変化する画素のみを抽出した同期検波領域画像を出力する。
【００１２】
検波画像エッジ検出部5は、同期検波処理部4により抽出された同期検波領域画像より、照射光の上端エッジ部の位置を検出し、その画像内の縦位置情報を出力する。
物体検出部（物体検出手段）6は、検波画像エッジ検出部5により検出された上端エッジの縦位置情報を用いて、照射光上端エッジの照射方向と、カメラ21の視軸が成す角度およびレイアウトに基づき、三角測量の原理により、照射光が照射されている物体までの距離を算出することにより、撮像範囲内における立体物の判定や、物体の判定を行い、検出結果を出力する。
【００１３】
輝度検出部（輝度検出手段）7は、投光部1の照射光が観測される画像領域（照射領域）内の画素出力から、輝度出力値の平均値と標準偏差σを算出し、照射領域内の輝度出力の平均値-3σの輝度値が撮像部2から出力される最小輝度出力となるように、あらかじめ感度特性記憶部8に記録された変換テーブルを用いてオフセット回路22の直流オフセット量を可変するオフセット制御信号を生成し、オフセット回路22へ出力する。変換テーブルは、輝度出力値の平均値が高いほど直流オフセット量が大きくなるように設定されている。
【００１４】
実施例１では、カメラ21の撮像素子の光入力を横軸、輝度出力を縦軸とする２次元座標上に、撮像素子の光入力に対する輝度出力値が低い領域と高い領域との間の領域における光入力と輝度出力との関係を表す輝度出力特性を設定し、当該輝度出力特性の傾きが照射光に対して十分な感度分解能が得られる、すなわち、撮像画像から同期検波領域を安定して抽出可能な傾きとなるように、変調制御部3によりレンズ絞り値および露光時間の既定値が設定されている。以下、このときの輝度出力特性を既定輝度出力特性と称す。
【００１５】
［物体検出処理］
図２は、実施例１の物体検出装置による物体検出処理の流れを示すフローチャートである。
ステップS1では、撮像部2において車両前方の画像を撮像、取得する。
ステップS2では、輝度検出部7において、照射領域の画素出力から輝度出力値の平均値と標準偏差σを算出する。
ステップS3では、輝度検出部7において、照射領域内の輝度出力の平均値-3σの輝度値が撮像部2から出力される最小輝度出力であるか否かを判定し、YESの場合はステップS5へ進み、NOの場合はステップS4へ進む。
【００１６】
ステップS4では、輝度検出部7において、照射領域内の輝度出力の平均値-3σの輝度値が撮像部2から出力される最小輝度出力となるようなオフセット制御信号を生成し、オフセット回路22において、カメラ21から出力されたアナログ信号に対し、オフセット制御信号に応じた直流オフセット量を付与するオフセット制御を実施する。
ステップS5では、変調制御部3において、照射領域内の輝度出力の平均値+3σの輝度値が撮像部2から出力される最大輝度出力以下であるか否かを判定し、YESの場合はステップS7へ進み、NOの場合はステップS6へ進む。
【００１７】
ステップS6では、変調制御部3において、照射領域内の輝度出力の平均値+3σの輝度値が撮像部2から出力される最大輝度出力を超えないようにカメラ21の露光時間を調整する。
ステップS7では、同期検波処理部4において、撮像画像から同期検波領域を抽出する同期検波処理を実施する。
ステップS8では、検波画像エッジ検出部5において、同期検波領域画像から照射光の上端エッジ部の位置を検出し、縦位置情報を出力する。
ステップS9では、物体検出部6において、上端エッジの縦位置情報から物体判定を実施する。
【００１８】
次に、作用を説明する。
図３は、光入力を横軸、輝度出力を縦軸とする２次元座標上に、カメラの撮像素子の光入力に対する輝度出力をプロットしたものである。通常、CCDイメージセンサーやCMOSイメージセンサー等の撮像素子において、光入力に対する輝度出力が連続的に変化する領域は、光入力に対する輝度出力値が低い領域（図３の領域1）と高い領域（図３の領域3）、それらの間の領域（図３の領域2）の３つに分けられる。輝度出力値が低い領域と高い領域では、光入力の変化量に対する輝度出力の変化量が小さく、それらの間の領域では、光入力に対する輝度出力の変化量が大きい。ここで、輝度出力値が低い領域と高い領域との間の領域における光入力と輝度出力との関係は輝度出力特性と定義され、その特性は傾きの大きな直線となる。ここで、外乱光が弱い場合には、照射光の強度変調幅に対する輝度出力の変動幅が大きいため、輝度出力特性を図３のように設定することにより、撮像画像から同期検波領域を安定して精度良く抽出できる。ところが、照射光の強度変調幅は外乱光の強さに依らず一定であるから、外乱光が強い場合には、照射光の強度変調幅に対する輝度出力の変動幅が小さくなる。
【００１９】
なお、図３のケースでは、外乱光が強い場合、撮像素子の出力信号が輝度出力特性の範囲に収まらず飽和するため、実際には、図４に示すように、レンズの絞り値を大きくしたり露光時間を短くしたりすることにより、撮像素子の最大輝度出力が輝度出力特性の最高値を超えないようにして出力信号の飽和を回避する必要がある。ところが、外乱光が強いときレンズの絞り値や露光時間の調整によって輝度出力特性の傾き（ゲイン）を小さくする手法では、照射光に対する感度分解能の低下を伴うため、同期検波領域の抽出が不安定となる。
【００２０】
これに対し、実施例１では、輝度検出部7において、投光部1の照射領域内の輝度値に応じたオフセット制御信号を生成し、オフセット回路22において、カメラ21から出力されたアナログ信号に対し、オフセット制御信号に応じた直流オフセット量を付与する。輝度検出部7では、照射領域の平均輝度値が高いほど、直流オフセット量が大きくなるようなオフセット制御信号を生成する。これにより、図５に示すように、撮像素子（カメラ21）の輝度出力特性は、外乱光が強いほど光入力軸正方向へオフセットされる。このとき、輝度出力特性の傾きは既定輝度出力特性の傾きが維持されるため、照射光に対する感度分解能の低下を回避できる。すなわち、実施例１では、輝度出力特性の傾きを維持しつつ光入力軸方向の位置をオフセットさせることで、外乱光の強度変化にかかわらず、安定して同期検波領域を抽出できる。
【００２１】
実施例１では、投光部1の照射領域内の輝度出力の平均値-3σの輝度値が撮像部2から出力される最小輝度出力となるように撮像素子の輝度出力特性を光入力軸正方向にオフセットさせる。つまり、投光部1の照射領域内の輝度出力の平均値-3σの最小輝度値が、輝度出力特性の最低値となるような直流オフセット量を設定する。これにより、強度最小時の照射光に対する撮像素子の輝度出力特性が線形となるため、効率の良い輝度感度を設定できる。
【００２２】
実施例１では、オフセット回路22において、カメラ21から出力されたアナログ信号に対し、輝度出力オフセット値に応じた直流オフセット量を付与する。すなわち、A-Dコンバータ23によりデジタル信号に変化される前のアナログ信号の領域でオフセットを行うため、A-Dコンバータ23から出力されるデジタル信号の分解能を低下させることなく、感度範囲を調整できる。
【００２３】
実施例１では、投光部1の照射領域内の輝度出力の平均値+3σの輝度値が撮像部2から出力される最大輝度出力を超えないようにカメラ21の露光時間を調整する。つまり、投光部1の照射領域内の輝度出力の最高輝度値が、輝度出力特性の最高値を超えないように露光時間を設定する。すなわち、輝度出力特性のオフセットのみでは対応できない場合（出力信号が飽和する場合）に限り、輝度出力特性の傾き（ゲイン）を調整する。これにより、出力信号の飽和を防止しつつ、効率良く同期検波領域を抽出できる。
【００２４】
実施例１にあっては、以下に列挙する効果を奏する。
(1) 画像を撮像する撮像部2と、撮像部2の露光時間に同期して撮像部2の撮像範囲内に強度変調された照射光を照射する投光部1と、投光部1の照射光の発光強度を制御する変調制御部3と、撮像部2の撮像画像から、投光部1の照射光の強度変調と同期して輝度変動する同期検波領域を抽出する同期検波処理部4と、同期検波領域から撮像範囲内の物体検出を行う物体検出部6と、を有する物体検出装置において、撮像部2の撮像画像から投光部1の照射範囲の各画素の輝度値を検出する輝度検出部7と、光入力と輝度出力とを座標軸とする座標上に撮像部2の光入力に対する輝度出力値が低い領域と高い領域との間の領域における光入力と輝度出力との関係を表す輝度出力特性を設定し、照射範囲の各画素の輝度値に応じて、輝度出力特性の傾きを維持しつつ光入力軸方向の位置を変更するオフセット回路22と、を備えた。
よって、外乱光の強度変化にかかわらず、安定して同期検波領域を抽出できる。
【００２５】
(2) オフセット回路22は、照射範囲の輝度値が高いほど大きくなるオフセット制御信号に基づき、撮像部2の輝度出力特性を光入力軸正方向へオフセットする。
よって、外乱光の強度変化にかかわらず、安定して同期検波領域を抽出できる。
【００２６】
(3) オフセット回路22は、投光部1の照射光が観測される撮像範囲の平均輝度値と標準偏差σを算出し、平均値-3σの最小輝度値が、輝度出力特性の最低値となるように撮像部2の輝度出力特性を光入力軸正方向へオフセットする。
よって、効率のよい輝度感度を設定できる。
【００２７】
(4) オフセット回路22は、撮像部2から出力されたアナログ信号に対し、オフセット制御信号に応じた直流オフセット量を付与する。
よって、実際に撮像部2から出力されるデジタル信号の分解能を低下させることなく、感度範囲を調整できる。
【００２８】
(5) 撮像部2の露光時間を制御する変調制御部3を備え、変調制御部3は、投光部1の照射光が観測される撮像領域の最大輝度値が、輝度出力特性の最高値を超えないように露光時間を設定する。
よって、撮像素子の出力信号の飽和を防止しつつ、効率良く同期検波領域を抽出できる。
【００２９】
（他の実施例）
以上、本発明を実施するための形態を、実施例に基づいて説明したが、本発明の具体的な構成は、実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。
例えば、実施例では、本発明の物体検出装置として車両に搭載するものを例示したが、これに限らず、例えば、鉄道、船舶、その他の移動体や、産業ロボット、警備ロボット、介護ロボットその他のロボット、産業機器などの動作を制御する装置、静止する物体または移動する物体の位置を測定する機器にも適用することができ、実施例と同様の作用効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００３０】
1  投光部（投光手段）
2  撮像部（撮像手段）
3  変調制御部（投光制御手段，露光制御手段）
4  同期検波処理部（同期検波処理手段）
6  物体検出部（物体検出手段）
7  輝度検出部（輝度検出手段）
22  オフセット回路（輝度出力特性変更手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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