(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のパターンを投影された撮像対象を撮像し、撮像された画像を解析することにより、前記撮像対象までの距離情報を取得する距離情報取得装置において、
光学的に判別可能な特徴をもつ少なくとも３種類以上の要素で要素群が構成され、前記要素群の組み合わせで得られたパターンを前記撮像対象に投影するパターン投影手段と、
前記パターン投影手段から所定の距離離れて設置され、前記パターンが投影されている撮像対象を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段によって撮像された画像に映っている要素の光学的特徴と位置座標とに基づいて、前記画像に映っている要素それぞれが前記パターン中のどの要素群に属する要素かの対応関係を特定する対応特定手段と、
を具備し、前記対応特定手段によって特定された対応関係を利用して前記撮像対象までの距離情報を算出する距離情報取得装置であって、
前記パターン投影手段によって前記撮像対象に投影されたパターンを構成する要素群の、前記パターン投影手段と前記撮像手段とを結んだ基線方向の幅が、前記パターン投影手段もしくは前記撮像手段から測距可能な最も遠い位置までの距離をＤＬ、前記パターン投影手段もしくは前記撮像手段から測距可能な最も近い位置までの距離をＤＳ、前記パターン投影手段と前記撮像手段との間の前記所定の距離をｂ、としたとき、
Ｗ＝ｂ（ＤＬ／ＤＳ−１）
の条件式を満たすＷ以上であることを特徴とする距離情報取得装置。
【請求項２】
前記パターンは異なる２種以上の要素群を持ち、前記パターンにおける隣り合う要素群は異なっていることを特徴とする請求項１に記載の距離情報取得装置。
【請求項３】
前記パターンは、前記基線方向に前記要素を並べると共に、前記要素群を繰り返すことにより形成されることを特徴とする請求項１に記載の距離情報取得装置。
【請求項４】
前記パターンは、前記要素群上の一部に個々の要素群を特定する目印が付加されていることを特徴とする請求項３に記載の距離情報取得装置。
【請求項５】
前記パターンは、前記基線方向に前記要素を並べると共に、複数の特徴の異なる要素群で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の距離情報取得装置。
【請求項６】
前記要素群の前記基線方向の幅は、前記距離情報取得装置の遠側測定限界位置に相当する平面に前記パターンを投影した場合の前記要素群の投影された幅以上であることを特徴とする請求項１に記載の距離情報取得装置。
【請求項７】
前記遠側測距限界位置に相当する平面に前記パターンを投影した場合の前記要素群の前記基線方向の幅を、測距可能範囲に従って変更する手段を更に具備することを特徴とする請求項６に記載の距離情報取得装置。
【請求項８】
所定のパターンを投影された撮像対象を撮像し、撮像された画像を解析することにより前記撮像対象までの距離情報を取得するためのパターン投影装置であって、
光学的に判別可能な特徴をもつ少なくとも３種類以上の要素で要素群が構成され、前記要素群の組み合わせで得られたパターンを前記撮像対象に投影するパターン投影手段
を具備し、前記パターン投影手段によって前記撮像対象に投影されたパターンを構成する要素群の、前記パターン投影手段と前記パターン投影装置を用いた距離情報取得装置の前記パターンが投影されている撮像対象を撮像する撮像手段とを結んだ基線方向の幅が、前記パターン投影手段もしくは前記撮像手段から測距可能な最も遠い位置までの距離をＤＬ、前記パターン投影手段もしくは前記撮像手段から測距可能な最も近い位置までの距離をＤＳ、前記パターン投影手段と前記撮像手段との間の基線長をｂ、としたとき、
Ｗ＝ｂ（ＤＬ／ＤＳ−１）
の条件式を満たすＷ以上であることを特徴とするパターン投影装置。
【請求項９】
前記パターンは異なる２種以上の要素群を持ち、前記パターンにおける隣り合う要素群は異なっていることを特徴とする請求項８に記載のパターン投影装置。
【請求項１０】
前記パターンは、前記要素群を繰り返すことにより形成されることを特徴とする請求項８に記載のパターン投影装置。
【請求項１１】
前記パターンは、前記要素群上の一部に個々の要素群を特定する目印が付加されていることを特徴とする請求項１０に記載のパターン投影装置。
【請求項１２】
前記パターンは、複数の特徴の異なる要素群で構成されていることを特徴とする請求項８に記載のパターン投影装置。
【請求項１３】
前記要素群の前記基線方向の幅は、前記距離情報取得装置の遠側測距限界位置に相当する平面に前記パターンを投影した場合の前記要素群の投影された幅以上であることを特徴とする請求項８に記載のパターン投影装置。
【請求項１４】
前記遠側測定限界位置に相当する平面に前記パターンを投影した場合の前記要素群の前記基線方向の幅を、前記距離情報取得装置の測距可能範囲に従って変更する手段を更に具備することを特徴とする請求項１３に記載のパターン投影装置。
【請求項１５】
所定のパターンを投影された撮像対象を撮像し、撮像された画像を解析することにより、前記撮像対象までの距離情報を取得する距離情報取得方法において、
光学的に判別可能な特徴を持つ少なくとも３種類以上の要素で要素群が構成され、前記要素群の組み合わせで得られたパターンを前記撮像対象に投影し、
前記パターンが投影されている前記撮像対象を、前記パターンを投影するパターン投影手段から所定の距離離れた位置から撮像手段によって撮像し、
前記撮像手段によって撮像された画像に映っている要素の光学的特徴と位置座標に基づいて、前記画像に映っている要素それぞれが前記パターン中のどの要素群に属する要素かの対応関係を特定し、
前記特定された対応関係を利用して、前記撮像対象までの距離情報を算出する距離情報取得方法であって、
前記撮像対象に投影されたパターンを構成する要素群の、前記パターン投影手段と前記撮像手段とを結んだ基線方向の幅が、前記パターン投影手段もしくは前記撮像手段から測距可能な最も遠い位置までの距離をＤＬ、前記パターン投影手段もしくは前記撮像手段から測距可能な最も近い位置までの距離をＤＳ、前記パターン投影手段と前記撮像手段との間の前記所定の距離をｂ、としたとき、
Ｗ＝ｂ（ＤＬ／ＤＳ−１）
の条件式を満たすＷ以上であることを特徴とする距離情報取得方法。
【請求項１６】
前記パターンは異なる２種以上の要素群を持ち、前記パターンにおける隣り合う要素群は異なっていることを特徴とする請求項１５に記載の距離情報取得方法。
【請求項１７】
前記パターンは、前記基線方向に前記要素を並べると共に、前記要素群を繰り返すことにより形成されることを特徴とする請求項１５に記載の距離情報取得方法。
【請求項１８】
前記パターンは、前記要素群上の一部に個々の要素群を特定する目印が付加されていることを特徴とする請求項１５に記載の距離情報取得方法。
【請求項１９】
前記パターンは、前記基線方向に前記要素を並べると共に、複数の特徴の異なる要素群で構成されていることを特徴とする請求項１５に記載の距離情報取得方法。
【請求項２０】
前記要素群の前記基線方向の幅は、前記距離情報取得方法の遠側測距限界位置に相当する平面に前記パターンを投影した場合の前記要素群の投影された幅以上であることを特徴とする請求項１５に記載の距離情報取得方法。
【請求項２１】
前記遠側測距限界位置に相当する平面に前記パターンを投影した場合の前記要素群の前記基線方向の幅を、測距可能範囲に従って変更することを特徴とする請求項２０に記載の距離情報取得方法。
【請求項２２】
前記要素群が高輝度高彩度色で構成されていることを特徴とする請求項１５に記載の距離情報取得方法。
【請求項２３】
所定のパターンを投影された撮像対象を撮像し、撮像された画像を解析することにより、前記撮像対象までの距離情報を取得する距離情報取得装置又はシステムであって、
光学的に判別可能な特徴をもつ少なくとも３種類以上の要素で構成され、
前記要素のうち少なくとも１種類が複数個含まれているパターンを撮像対象に投影するパターン投影手段と、
前記パターン投影手段から所定の距離離れて設置され、前記パターンが投影されている撮像対象を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段によって撮像された画像に映っている要素の光学的特徴と位置座標に基づいて、前記画像に映っている要素それぞれが前記パターン中のどの要素かの対応関係を特定する対応特定手段とを具備し、
前記パターンを遠側測距限界位置が含まれる面に投影した時、前記複数個含まれる要素の一つが出現してから再び同一種類の要素が出現する直前までの前記パターン投影手段と前記撮像手段とを結んだ基線方向の距離が、前記パターン投影手段もしくは前記撮像手段から測距可能な最も遠い位置までの距離をＤＬ、前記パターン投影手段もしくは前記撮像手段から測距可能な最も近い位置までの距離をＤＳ、前記パターン投影手段と前記撮像手段との間の前記所定の距離をｂ、としたとき、
Ｗ＝ｂ（ＤＬ／ＤＳ−１）
の条件式を満たすＷ以上であることを特徴とする距離情報取得装置又はシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定のパターンを投影された撮像対象を撮像し、撮像された画像を解析することにより、上記撮像対象までの距離情報を取得する距離情報取得装置又はシステム及び距離情報取得方法、並びに、それらに用いられるパターン投影装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、被測定物までの距離を測定する方法として、中間調を多用した非繰り返しパターンを被測定物に投影するパターン投影法（パターン投影による３次元形状取得）が知られている。
【０００３】
これは、図９の（Ａ）に示すように、被測定物である撮像対象Ｔに所定のパターンを投影装置ＰＡＴで投影し、その画像を撮像素子（カメラ）ＣＡＭで撮像し、これをコンピュータＣＯＭで解析することにより、撮像対象Ｔの３次元データ、いわゆる撮像対象Ｔの各部までの距離情報を取得するものである。
【０００４】
より具体的には、図９の（Ｂ）に示されるようなパターンＰをプリントしたフィルムを、光源を含む投影装置ＰＡＴの投光光学系と撮像対象Ｔとの間に配してパターンを投影する構成となっている。この例は、９個のパターン片で構成されたパターンＰである。なお、図９の（Ｂ）中のハッチングは、各パターン片の光学的特徴（色、階調、或いは模様、等）がお互いに異なることを示している。
【０００５】
ところで、より精度良く、より多くの部位の測距を行おうとすると、投影パターンにおけるパターン片数（本例では縞の数）を増加させる必要があり、これに伴って、中間調（色）の多用が要求されてくる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、測距する測定点を増加させ、正確な３次元情報（距離情報）を取得するためには、投影パターンの要素（パターン片、或いは縞模様）数の増加が必要となる。このため、隣り合うパターン片間の色或いは階調の差異が小さくなり、この投影パターンが投影された撮像対象の画像を撮像、量子化する場合、次のような問題が予想される。
【０００７】
（１）精度、解像度を上げようとすると、精細な且つ多値の中間（色）調を持つパターンを投影しなければならず、パターン片間の差異が小さくなり、量子化誤差が発生し易く、最終的には測距エラーの原因となる。
【０００８】
（２）投影パターンの制作における色調・階調の再現精度の向上が必要となり、製造工程の複雑化や管理、キャリブレーションなどが面倒になる可能性が高い。
【０００９】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、測距エラーを防止できると共に、製造工程の簡略化や管理、キャリブレーションなどの容易化を成し遂げることの可能な距離情報取得装置又はシステム、パターン投影装置、及び、距離情報取得方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明による距離情報取得装置は、所定のパターンを投影された撮像対象を撮像し、撮像された画像を解析することにより、上記撮像対象までの距離情報を取得する距離情報取得装置において、光学的に判別可能な特徴をもつ少なくとも３種類以上の要素（パターン片）で要素群（サブパターン）が構成され、上記要素群（サブパターン）の組み合わせで得られたパターンを上記撮像対象に投影するパターン投影手段と、上記パターン投影手段から所定の距離離れて設置され、上記パターンが投影されている撮像対象を撮像する撮像手段と、上記撮像手段によって撮像された画像に映っている要素（パターン片）の光学的特徴と位置座標とに基づいて、上記画像に映っている要素（パターン片）それぞれが上記パターン中のどの要素群（サブパターン）に属する要素（パターン片）かの対応関係を特定する対応特定手段とを具備し、上記対応特定手段によって特定された対応関係を利用して上記撮像対象までの距離情報を算出する距離情報取得装置であって、上記パターン投影手段によって上記撮像対象に投影されたパターンを構成する要素群の、上記パターン投影手段と上記撮像手段とを結んだ基線方向の幅が、上記パターン投影手段もしくは上手段から測距可能な最も遠い位置までの距離をＤＬ、上記パターン投影手段もしくは上記撮像手段から測距可能な最も近い位置までの距離をＤＳ、上記パターン投影手段と上記撮像手段との間の上記所定の距離をｂ、としたとき、
Ｗ＝ｂ（ＤＬ／ＤＳ−１）
の条件式を満たすＷ以上であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明によるパターン投影装置は、所定のパターンを投影された撮像対象を撮像し、撮像された画像を解析することにより上記撮像対象までの距離情報を取得するためのパターン投影装置であって、光学的に判別可能な特徴をもつ少なくとも３種類以上の要素（パターン片）で要素群（サブパターン）が構成され、上記要素群（サブパターン）の組み合わせで得られたパターンを上記撮像対象に投影するパターン投影手段を具備し、上記パターン投影手段によって上記撮像対象に投影されたパターンを構成する要素群（サブパターン）の、上記パターン投影手段と上記パターン投影装置を用いた距離情報取得装置の上記パターンが投影されている撮像対象を撮像する撮像手段とを結んだ基線方向の幅が、上記パターン投影手段もしくは上記撮像手段から測距可能な最も遠い位置までの距離をＤＬ、上記パターン投影手段もしくは上記撮像手段から測距可能な最も近い位置までの距離をＤＳ、上記パターン投影手段と上記撮像手段との間の基線長をｂ、としたとき、
Ｗ＝ｂ（ＤＬ／ＤＳ−１）
の条件式を満たすＷ以上であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明による距離情報取得方法は、所定のパターンを投影された撮像対象を撮像し、撮像された画像を解析することにより、上記撮像対象までの距離情報を取得する距離情報取得方法において、光学的に判別可能な特徴を持つ少なくとも３種類以上の要素（パターン片）で要素群（サブパターン）が構成され、上記要素群（サブパターン）の組み合わせで得られたパターンを上記撮像対象に投影し、上記パターンが投影されている上記撮像対象を、上記パターンを投影するパターン投影手段から所定の距離離れた位置から撮像手段によって撮像し、上記撮像手段によって撮像された画像に映っている要素（パターン片）の光学的特徴と位置座標に基づいて、上記画像に映っている要素（パターン片）それぞれが上記パターン中のどの要素群（サブパターン）に属する要素（パターン片）かの対応関係を特定し、上記特定された対応関係を利用して、上記撮像対象までの距離情報を算出する距離情報取得方法であって、上記撮像対象に投影されたパターンを構成する要素群（サブパターン）の、上記パターン投影手段と上記撮像手段とを結んだ基線方向の幅が、上記パターン投影手段もしくは上記撮像手段から測距可能な最も遠い位置までの距離をＤＬ、上記パターン投影手段もしくは上記撮像手段から測距可能な最も近い位置までの距離をＤＳ、上記パターン投影手段と上記撮像手段との間の上記所定の距離をｂ、としたとき、
Ｗ＝ｂ（ＤＬ／ＤＳ−１）
の条件式を満たすＷ以上であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明による距離情報取得装置又はシステムは、所定のパターンを投影された撮像対象を撮像し、撮像された画像を解析することにより、上記撮像対象までの距離情報を取得する距離情報取得装置又はシステムであって、光学的に判別可能な特徴をもつ少なくとも３種類以上の要素（パターン片）で構成され、上記要素（パターン片）のうち少なくとも１種類が複数個含まれているパターンを撮像対象に投影するパターン投影手段と、上記パターン投影手段から所定の距離離れて設置され、上記パターンが投影されている撮像対象を撮像する撮像手段と、上記撮像手段によって撮像された画像に映っている要素（パターン片）の光学的特徴と位置座標に基づいて、上記画像に映っている要素（パターン片）それぞれが上記パターン中のどの要素（パターン片）かの対応関係を特定する対応特定手段とを具備し、上記パターンを遠側測距限界位置が含まれる面に投影した時、上記複数個含まれる要素（パターン片）の一つが出現してから再び同一種類の要素（パターン片）が出現する直前までの上記パターン投影手段と上記撮像手段とを結んだ基線方向の距離が、上記パターン投影手段もしくは上記撮像手段から測距可能な最も遠い位置までの距離をＤＬ、上記パターン投影手段もしくは上記撮像手段から測距可能な最も近い位置までの距離をＤＳ、上記パターン投影手段と上記撮像手段との間の上記所定の距離をｂ、としたとき、
Ｗ＝ｂ（ＤＬ／ＤＳ−１）
の条件式を満たすＷ以上であることを特徴とする。
【００１４】
即ち、本発明の距離情報取得装置又はシステム、パターン投影装置、及び、距離情報取得方法によれば、測距対象である撮像対象にパターンを投影し、撮像した画像から距離情報を取得する技術において、光学的に判別可能な特徴を持つ少なくとも３種類以上の要素（パターン片）で要素群（サブパターン）が構成され、上記要素群（サブパターン）の組み合わせで得られたパターンを用い、撮像された画像に映っている要素（パターン片）の光学的特徴と位置座標に基づいて、上記画像に映っている要素（パターン片）それぞれが上記パターン中のどの要素群（サブパターン）に属する要素（パターン片）かの対応関係を特定し、その特定された対応関係を利用して、上記撮像対象までの距離情報を算出するものであり、パターン投影手段によって上記撮像対象に投影されたパターンを構成する要素群（サブパターン）の、上記パターン投影手段と上記撮像対象に投影されたパターンを撮像する撮像手段とを結んだ基線方向の幅が、上記パターン投影手段もしくは上記撮像手段から測距可能な最も遠い位置までの距離をＤＬ、上記パターン投影手段もしくは上記撮像手段から測距可能な最も近い位置までの距離をＤＳ、上記パターン投影手段と上記撮像手段との間の上記所定の距離をｂ、としたとき、
Ｗ＝ｂ（ＤＬ／ＤＳ−１）
の条件式を満たすＷ以上である。
【００１５】
なお、上記パターンは異なる２種以上の要素群（サブパターン）を持ち、上記パターンにおける隣り合う要素群（サブパターン）は異なっていても良い。
また、上記パターンは、上記パターン投影手段と上記撮像手段とを結んだ基線方向に上記要素（パターン片）を並べると共に、上記要素群（サブパターン）を繰り返すことにより形成されるものである。
【００１６】
また、上記パターンは、上記要素群（サブパターン）上の一部に個々の要素群（サブパターン）を特定する目印が付加されているものとしても良い。
【００１７】
あるいは、上記パターンは、上記基線方向に上記要素（パターン片）を並べると共に、複数の特徴の異なる要素群（サブパターン）で構成されていても良い。
【００１８】
また、上記要素群（サブパターン）の上記基線方向の幅は、上記距離情報取得装置の遠側測定限界位置に相当する平面に上記パターンを投影した場合の上記要素群（サブパターン）の投影された幅以上である。
【００１９】
更に、上記遠側測距限界位置に相当する平面に上記パターンを投影した場合の上記要素群（サブパターン）の前記基線方向の幅を、測距可能範囲（近側測距限界位置から遠側測距限界位置）に従って変更する手段を更に備えても良い。
【００２０】
また、上記要素群（サブパターン）が高輝度高彩度色で構成されていることが好ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２２】
［第１の実施の形態］
図１の（Ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る距離情報取得装置を示す図である。即ち、この距離情報取得装置は、撮像対象Ｔにパターンを投影するパターン投影装置ＰＡＴと、パターンが投影された撮像対象Ｔの画像を撮像する撮像装置ＣＡＭ１及びＣＡＭ２と、上記撮像装置ＣＡＭ１，ＣＡＭ２及びパターン投影装置ＰＡＴを制御すると共に、撮像した画像を解析処理することにより撮像対象Ｔまでの距離情報を算出するコンピュータＣＯＭとから構成されている。
【００２３】
このような構成において、コンピュータＣＯＭが測距開始信号を送信するか、或いは、操作者が撮像装置ＣＡＭ１（ＣＡＭ２）の撮像開始スイッチ（図示せず）を投入することにより、まず、パターン投影装置ＰＡＴがパターンの投影を開始し、撮像装置ＣＡＭ１（ＣＡＭ２）がパターン投影中の画像を少なくとも１回取得する。次に、この画像がコンピュータＣＯＭに転送され、コンピュータＣＯＭがこの画像を解析し、撮像対象Ｔの各部までの距離を計算し、三次元データの取得を完了する。
【００２４】
ところで、本実施の形態では、ハイブリッド型への適用、精度向上なども考慮して、撮像装置を２台記載しているが、もちろん１台の撮像装置でも同様の効果を期待できる。ここでは、説明を簡単にするために、以降、１台の撮像装置（例えば、ＣＡＭ２）で撮像した場合を説明して行く。
【００２５】
なお、上記ハイブリッド型とは、例えば、複数の視点から撮影された画像間の対応点を検出し、そのずれ量をもとに距離測定を行うパッシブステレオ方式等と、本発明記載の「パターン投影方式」とを組み合わせたシステムのことを指し示している。
【００２６】
次に、ここで距離情報取得に際して投影されるパターンの詳細を、図１の（Ｂ）及び（Ｃ）を参照して説明する。
【００２７】
即ち、図１の（Ｂ）に示すように、パターン片を３個用いてサブパターンＳＰ１を構成し、図１の（Ｃ）に示すように、このサブパターンＳＰ１を３個用いて、投影に使用されるパターンＰ１を形成している。なおこの場合、パターンＰ１の各パターン片は、基線（パターン投影装置ＰＡＴと撮像装置ＣＡＭ２とを結ぶ直線）方向に平行に並んでいる。
【００２８】
つまり、従来の距離情報取得装置では、基線方向に並んだ９階調（色）の縞模様が必要であったが、本実施の形態によれば、３階調（色）で済む構成となっている。
【００２９】
ところで、図１の（Ｂ）に示すサブパターンＳＰ１の幅は、以下に説明されるように、測距範囲（近側測距限界位置から遠側測距限界位置まで）に基づいて設定することが必要となる。
【００３０】
まず、測距範囲とサブパターン幅（一つのパターン片が出現してから同一のパターン片が出現する直前までの長さ）の相関関係を図２の（Ａ）を用いて説明する。なおここで、遠側測距限界位置ＤＬとは、該距離情報取得装置の測距できる最も遠い位置、同じく、近側測距限界位置ＤＳとは、測距できる最も近い位置をそれぞれ指すものとする。このような位置を遠側測距限界位置ＤＬ及び近側測距限界位置ＤＳとした時、図２の（Ａ）は、その遠側測距限界位置ＤＬに相当する平面（以降、遠側測距限界面ＰＬＡＮＥと称する。）上に、厚さ（ＤＬ−ＤＳ）の直方体ＢＯＸが存在する状態を示している。
【００３１】
このような状態において、上記遠側測距限界面ＰＬＡＮＥにパターンＰ１を投影した時、このパターンＰ１を構成しているサブパターンＳＰ１の幅はＷである。ここで、Ｐ（Ｎ）は左からＮ個目のサブパターンに属する左端のパターン片であり、同様に、Ｐ（Ｎ＋１）はＮ＋１個目のサブパターンに属する左端のパターン片を示している。このため、パターン片Ｐ（Ｎ）もＰ（Ｎ＋１）も同一の光学的特徴を持つ。
【００３２】
ところで、同図に示すような場合、つまり、撮影された画像中のパターン片Ｐ（Ａ）の水平方向（Ｘ方向）位置が、遠側測距限界面ＰＬＡＮＥに投影したパターン片Ｐ（Ｎ）と一致してしまった場合、パターン片Ｐ（Ａ）に対応するパターン片が、パターン片Ｐ（Ｎ）であるの、或いはパターン片Ｐ（Ｎ＋１）であるのかを特定することは困難である。言い換えると、測距範囲（ＤＬ−ＤＳ）とサブパターンＳＰ１の幅Ｗを適正に選択しないと、パターン片Ｐ（Ａ）は「近側測距限界位置ＤＳに存在する撮像対象に投影されているパターン片Ｐ（Ｎ＋１）」なのか、或いは、「遠側測距限界位置ＤＬに存在する撮像対象に投影されているパターン片Ｐ（Ｎ）」なのかを簡単に特定することは出来ない。逆に言えば、サブパターンＳＰ１の幅をＷ以上にすれば、撮影画像内で、パターン片Ｐ（Ｎ＋１）が遠側測距限界面ＰＬＡＮＥに投影されたパターン片Ｐ（Ｎ）の位置と重なることはない。
【００３３】
従って、適当なサブパターンＳＰ１の幅Ｗを算出することが必要となる。
【００３４】
次に、このサブパターンＳＰ１の幅Ｗの設定方法を、図２の（Ｂ）及び図３の（Ａ）を参照して説明する。なおここで、簡単のため、パターン投影手段の光源は点光源であり、結像用のレンズ等はなく、また、撮像手段がピンホールカメラであると仮定して説明を行う。実際のシステムにおける詳細な説明は、例えば、文献『Emanuele Trucco, Alessandro Verri, "Introductory Techniques for 3-D Computer Vision", Prentice-Hall, New Jersey, USA, 1998』に述べられているので、ここではその説明を省略する。
【００３５】
即ち、図２の（Ｂ）は、パターン投影法におけるシステムの模式図を示している。このシステムは、パターン投影手段の光源Ｒ、撮像手段のピンホールＫ、撮像対象物であるＢ及びＴ１、画像面Ｇからなる。この図の場合、撮像対象物Ｔ１が有るために、上記撮像対象物Ｔ１が無い場合には撮像対象物Ｂ上の点Ａにあるはずのパターン片ＡがＡ’にずれて撮像されることになる。
【００３６】
そこでまず、上記撮像対象物Ｂが無限遠にあると仮定した場合のパターン片の画像面Ｇ上でのずれ量（以下視差と呼ぶ）ｄをパターン認識によって求める。また、ピンホールＫから画像面Ｇまでの距離ｆ、基線長ｂであるから、ピンホールＫと撮像対象物Ｔ１までの距離Ｄは、
ｄ／ｆ＝ｂ／Ｄ
であるので、
Ｄ＝ｆｂ／ｄ                                        …（１）
で求めることができる。
【００３７】
ここで、図３の（Ａ）に記載される条件の元で考察すると、次のような式が得られる。
【００３８】
即ち、上記（１）式を変形して、撮像対象物Ｔ１までの近側測距限界位置ＤＳと遠側測距限界位置ＤＬに対する視差ｄＳ、ｄＬは、それぞれ
ｄＳ＝ｆｂ／ＤＳ                                    …（２）
ｄＬ＝ｆｂ／ＤＬ                                    …（３）
となる。つまり、サブパターンＳＰ１の最小幅Ｗ（図３の（Ａ）におけるＡ−Ａ’間距離）は、撮像対象物Ｔ１までの最短距離（近側測距限界位置ＤＳ）と最長距離（遠側測距限界位置ＤＬ）とを用いて、
Ｗ＝ＤＬ／ｆ（ｄＳ−ｄＬ）
＝ｂ（ＤＬ／ＤＳ−１）                            …（４）
と計算することができる。よって、基線長ｂと遠側及び近側測距限界位置ＤＬ及びＤＳの３つのパラメータが既知となれば、遠側測距限界位置ＤＬにパターンＰ１を投影した時の最小サブパターン幅が予測できる。この値以上にサブパターンＳＰ１の幅を設定するようにすれば、図２の（Ａ）に示すような状態は出現せず、同一の光学的特徴を持つパターン片を繰り返し使用しても差し障りはない。
【００３９】
なお、本実施の形態においては、投影されたパターンＰ１におけるサブパターンＳＰ１の最小幅Ｗを遠側及び近側測距限界位置ＤＬ及びＤＳを用いて規定しているが、これは、それと相似であるので、パターンをプリントしたフィルムにおけるサブパターンの最小幅を、上記視差ｄＳ及びｄＬを用いて規定することと同じである。
【００４０】
以上のようにして遠側測距限界位置ＤＬにパターンＰ１を投影した時の最小サブパターン幅Ｗが予測できたならば、サブパターンＳＰ１の繰り返し数Ｎは、遠側測距限界面ＰＬＡＮＥ上で必要とされるパターン全体の幅をＷＰとすれば、
Ｎ≦ＷＰ／Ｗ                                        …（５）
となる。
【００４１】
従って、これらのパラメータ（サブパターン幅Ｗ、繰り返し数Ｎ）を基に、図１の（Ｃ）に示すようなパターンＰ１の設計に反映させれば良い。
【００４２】
次に、本実施の形態における繰り返しサブパターンＳＰ１を採用した場合の撮像画像上の各パターン片と投影パターン内の各パターン片との対応を特定する方法を説明する。ちなみに、本プロセスは、パターン投影装置ＰＡＴが撮像装置ＣＡＭ２の左側に存在する場合を、図３の（Ｂ）を参照して説明する。なお、同様の考え方に基づけば、右にある場合についても同様にできる。
【００４３】
即ち、図３の（Ｂ）は、測距範囲内にＳＰＰ相当部分に方形の物体が存在した場合の撮像画像（遠側測距限界面ＰＬＡＮＥに投影したパターンＰ１を撮像したパターン画像）Ｐ１Ｇを模式的に示した図である。この条件で、以下の手順で処理を行う。
【００４４】
（１）  予め、カメラキャリブレーションにより、パターンＰ１を無限遠（遠側測距限界位置ＤＬ）にある撮像対象に投影したと仮定した場合に撮像される画像のパターン片（図中のＳＰＰ１，ＳＰＰ２，ＳＰＰ３）座標（以下、基準パターン片座標と称する。）を求めておく。さらに、同時に、サブパターン幅ｗｓｐを記憶しておく。ここで、パターン片座標とは、例えばパターン片の水平方向中心の画像上での水平方向座標のことである。また、サブパターンＳＰ１を繰り返しているため、ある一種類のパターン片に対して、繰り返し数Ｎ個の基準パターン片座標が算出される。
【００４５】
（２）  次に、撮像画像Ｐ１Ｇ内のパターン片（図中のＳＰＰ）のパターン片座標を認識する。
【００４６】
（３）  そして、各パターン片に対応する基準パターン片座標と、上記（２）で算出されたパターン片座標とを比較して、右にある基準パターン片座標との差（ｄ２，ｄ３）を算出し、その差が、上記記憶されたサブパターン幅ｗｓｐよりも小さい値（図の場合ｄ２）を視差とする。つまり、「撮像画像Ｐ１Ｇ内のＳＰＰは、ＳＰＰ２と対応する」と特定されたことになる。
【００４７】
以上のように、本第１の実施の形態によれば、光学的に判別可能な特徴を持つ３種類のパターン片でサブパターンＳＰ１が構成され、上記サブパターンＳＰ１を３つ組み合わせて得られたパターンＰ１を用い、撮像画像Ｐ１Ｇに映っているパターン片の光学的特徴と位置座標に基づいて、上記撮像画像Ｐ１Ｇに映っているパターン片それぞれが上記パターンＰ１中のどのサブパターンＳＰ１に属するパターン片かの対応を特定し、その特定結果を利用して、撮像対象Ｔまでの距離情報を算出するようにしているので、それぞれのパターン片間の差異を大きくすることができるため、従来例のような、いわゆる中間調の多用による量子化誤差の発生を抑止し、測距エラーを防止できるようになる。
【００４８】
また、投影パターン装置の精度緩和や、パターン生成手段、いわゆるパターンマスク（フィルタ、フィルム）などの要求精度の緩和、製造工程の容易化を期待できる。
【００４９】
更に、従来に比べてパターン片の種類が少なくなるので、コンピュータＣＯＭでの計算量が減少し、高速処理が可能となる。
【００５０】
なお、パターンＰ１中におけるサブパターン部分を明確にするため、図においては、サブパターン外周に黒枠（太線）を付加してあるが、これらは存在しなくても良い（もちろんあっても良い）。
【００５１】
また、パターン中のパターン片毎のハッチングあるいは着色は、機能明確化のために便宜的に施されたものである。よって、実施に当たっては、それぞれのパターン片を区別するために色、階調、模様など光学的に判別可能となるように処理が施されていることを示している。
【００５２】
これら黒枠やハッチング等については、以下に説明する実施の形態においても同様である。
【００５３】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。
【００５４】
本第２の実施の形態は、単純多階調の繰り返しサブパターンの例である。
【００５５】
即ち、上記第１実施の形態と同じ考え方を採用しているが、測距精度の向上のため、図４の（Ａ）に示すように、サブパターンＳＰ２を、９個のパターン片で構成したものである。そして、図４の（Ｂ）に示すように、このようなサブパターンＳＰ２を３個用いて、投影に使用されるパターンＰ２を形成している。
【００５６】
このような構成とすることによって、従来２７階調（色）必要であったパターン片が１／３の９階調（色）で事足りることは明らかである。
【００５７】
また、色、もしくは階調の配置規則としては、隣り合うパターン片ができるだけ輝度値が離れている、もしくは彩度が離れているように配置することが考えられる。例えば、９階調のパターン片で構成した場合、パターン片の並びを「５階調→９階調→４階調→８階調→３階調→７階調→２階調→６階調→１階調」の様にすると、隣り合う各パターン片間の差異が４または３階調となり、階調数の減少に加えて、量子化誤差に対する耐性が改善される（トータルとしては、少なくとも３×３＝９倍の光学的信号の差異の改善となる）。
【００５８】
なお、このような色又は階調の配置規則は、上記の及び後述するような他の実施の形態でも同様に適用することが好ましい。
【００５９】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。
【００６０】
本第３の実施の形態は、図５の（Ａ）乃至（Ｄ）に示すように、３階調を使って、コード化パターン片を作成したものである。ここで、コード化パターン片とは、同図の（Ａ）に示すような３個のパターン片要素ＳＰ３Ｒ，ＳＰ３Ｇ，ＳＰ３Ｂを用いて、同図の（Ｂ）に示すように、パターン片要素（緑）ＳＰ３Ｇの両側にパターン片要素（赤）ＳＰ３Ｒ或いはパターン片要素（青）ＳＰ３Ｂを配置して形式したものである。パターン片要素ＳＰ３Ｇの左右に置くパターン片要素ＳＰ３Ｒ及びＳＰ３Ｂの組み合わせを利用すれば、ＳＰ３Ｃ１，ＳＰ３Ｃ２，ＳＰ３Ｃ３，ＳＰ３Ｃ４のように４種類のコード化パターン片を構成することができる。そして、これらのコード化パターン片ＳＰ３Ｃ１，ＳＰ３Ｃ２，ＳＰ３Ｃ３，ＳＰ３Ｃ４を使用して、同図の（Ｃ）に示すようなサブパターンＳＰ３及び同図の（Ｄ）に示すようなパターンＰ３の形成する。
【００６１】
このようなコード化パターン片を用いた場合には、まずコード化パターン片要素ＳＰ３Ｇを検出し、その両側の色もしくは階調を認識することによってコードを一意に認識可能である。
【００６２】
なお、このようにまずコード化パターン片要素ＳＰ３Ｇを検出という認識手順であるので、コード化パターン片を中央にコード化パターン片要素ＳＰ３Ｇに配置して構成しているが、他の色又は階調を基準にする認識手順とすれば、その色又は階調のコード化パターン片要素を中央に配したコード化パターン片とすることになる。
【００６３】
このようなコード化されたパターン片を使用したものであっても、前述の第１の実施の形態と同様の効果を期待できることは言うまでもない。
【００６４】
なお本実施の形態においては、３階調の使用に制限されても、４種類のパターン片を表現することができる点で、他の実施の形態と異なる。
【００６５】
［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態を説明する。
【００６６】
本第４の実施の形態は、２次元配置繰り返しサブパターンの例である。
【００６７】
即ち、図６の（Ａ）に示すようなそれぞれ異なる順序で色もしくは階調を配したパターン片を用いた２次元配列のサブパターンＳＰ４を、同図の（Ｂ）に示すように、３個用いて、投影に使用されるパターンＰ４を形成している。
【００６８】
このような２次元的配置でも他の実施の形態と同様な効果は期待できる。
【００６９】
さらに、他の実施の形態のように１つのパターン片が単一の色であると、撮像対象Ｔの色とパターン片の色とが同じ場合、そのパターン片での測定が不能となってしまうが、本実施の形態のような２次元配置とすることで、そのような測定不能部位の発生を防ぐことが可能となる。
【００７０】
なお、色もしくは階調の配置としては、例えば、隣り合うパターン片ができるだけ輝度値が離れている、もしくは彩度が離れているように配置することが考えられる。
【００７１】
［第５の実施の形態］
次に、本発明の第５の実施の形態を説明する。
【００７２】
本第５の実施の形態は、高輝度高彩度でパターン投影を行うものである。
【００７３】
即ち、投影されるパターンを高輝度、高彩度のものとする。
【００７４】
例えば、光源の前面にパターンが記録されているモノクロフィルムを置き、その透過光を対象に投影させるタイプの投影装置において、パターンの輝度が高くなるようにフィルムの最低透過率を２５％以上、より好ましくは５０％以上とすることが効果的であることが経験的に判明している。または、パターンの輝度階調が２５６階調存在するならば、１２８階調以上のものを使用するのが好ましい。
【００７５】
一方、この場合の高彩度は、色を表現する空間はさまざまあるが、例えばＲＧＢ空間で考えればＲＧＢがそれぞれ２５６階調である場合に、彩度をＲＧＢ空間における原点を通り（１．１．１）方向の直線からの距離で定義すれば、１００以上であるものを意味する。
【００７６】
投影パターンの輝度や彩度が高ければ、撮像画像内のパターンもシャープなものが得られることは言うまでもない。これはシステム内外のノイズに対するイミュニティの向上にもつながり、光源の光量の削減なども期待できる。
【００７７】
［第６の実施の形態］
次に、本発明の第６の実施の形態を説明する。
【００７８】
本第６の実施の形態は、一部に位置検出マークを備えた投影パターンである。
即ち、図４の（Ｃ）に示すように前述の第２の実施の形態のようなサブパターンＳＰ５を３個用いて、投影に使用されるパターンを形成するものであるが、本実施の形態においては、図４の（Ｄ）に示すように、パターンＰ５には、更に、何番目のサブパターンであるかが一意に決められるように、例えば、水平方向に各サブパターンで異なるマーク（模様）Ｐ５Ｍを入れるものである。
【００７９】
このようなパターンＰ５を用いれば、上記マークＰ５Ｍを確認することで、あるパターン片がどのサブパターンＳＰ５に属していたかを確認することができる。よって、マークＰ５Ｍの周辺に関しては、測距範囲以外に物体があったとしても、その物体が許容している距離範囲以外にあるということが認識できる。（図２の（Ａ）記載のような画像が撮像された場合、マークＰ５Ｍの存在により、撮像対象Ｔが測距可能範囲外に存在していることを検出可能となる。）
なお、マークＰ５Ｍの位置は、同図のような真中でなく、端でも良い。
【００８０】
［第７の実施の形態］
次に、本発明の第７の実施の形態を説明する。
【００８１】
本第７の実施の形態は、繰り返しサブパターンにおいて、測距条件により上記最小サブパターン幅Ｗ及びサブパターンの繰り返し数Ｎを最適に設定するものである。
【００８２】
即ち、前述したように、測距範囲（ＤＬ−ＤＳ）と基線長ｂとからサブパターン幅Ｗと繰り返し数Ｎが決定される。よって、よりワイドな測距レンジを得ようとすると、サブパターン幅Ｗが増加し、繰り返し数Ｎが減少することが予想される。そこで、全測距範囲を２または３のゾーンに分割し、そこで最適化されたパターンを投影することが考えられる。この切替えは、オペレータがパターン投影用スライドを交換しても良いし、機械的にスライドをゾーンＡ用、ゾーンＢ用、ゾーンＣ用と切り替えても良い。
【００８３】
より好ましい例としては、機械的なスライド切替えの代わりに、透過型の液晶装置を組み込んだものが挙げられる。この液晶に所望の信号を印加し、各ゾーン（測距範囲）に適合したパターンを生成するもので、いわば、液晶プロジェクタのような構成としたパターン投影装置である。この切替え自体は、撮像画像を解析するコンピュータが行っても良いし、撮像装置内の制御部、あるいは操作者が行ってもその効果は期待できる。
【００８４】
［第８の実施の形態］
次に、本発明の第８の実施の形態を説明する。
【００８５】
本第８の実施の形態は、複数のサブパターンを用いた例である。
【００８６】
即ち、図７の（Ａ）に示すようなサブパターンＳＰ２と同図の（Ｂ）に示すようなサブパターンＳＰ３の２種類のサブパターンを用いて、同図の（Ｃ）に示すようにパターンＰ６を構成する。この場合、サブパターンＳＰ３をパターンＰ６の中央に配置し、その両側にサブパターンＳＰ２を１個づつ付加してある。これよれば、パターン片の種類が増加するが、他の実施の形態と近い効果を期待できる。
【００８７】
また、部分的に光源の光量が違う、もしくは撮影対象Ｔの輝度、彩度が部分的に違うと予めわかっているときに、光量もしくは撮影対象Ｔに合わせて複数のサブパターンを配置することによって、より認識し易くするものである。
【００８８】
さらに、中央或いは左右端など特殊な意味を持ったサブパターンにユニークなものを使用すれば、中央、左右端などのサブパターンに属するパターン片を特定し易いなども期待できる。
【００８９】
［第９の実施の形態］
次に、本発明の第９の実施の形態を説明する。
【００９０】
本第９の実施の形態は、一部のみが繰り返すサブパターンの例を示すものである。
【００９１】
即ち、図８の（Ａ）に示すようなサブパターンＳＰ２を、同図の（Ｂ）に示すように、２回繰り返し、更にそのサブパターンＳＰ２の一部を付加して、パターンＰ７を生成するものである。
【００９２】
このようにしても、他の実施の形態と同様の効果を期待できる。更に、あるサブパターン幅に対してどのようなパターン幅にも対応できる。
【００９３】
以上実施の形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。
【００９４】
例えば、サブパターンの形状は、長方形に限らず、台形、円形、菱形等でも良い。
【００９５】
また、サブパターンは、サブパターン片の縦方向ストライプに限らず、正弦波、矩形波、三角波等でも良い。
【００９６】
更に、部分的に異なるサブパターンを繰り返しても良い。
【００９７】
また、上記第１の実施の形態で記載した構成は、投影装置ＰＡＴ、撮像装置ＣＡＭ１（ＣＡＭ２）、制御解析装置としのコンピュータＣＯＭが別体となっているが、これらの装置が全て或いは一部が一つの筐体に組み込まれていても良い。
【００９８】
あるいは、パターンを投影した撮像対象Ｔの画像を一旦撮像装置に保存し、オフラインのコンピュータでバッチ処理を行うようにすることもできる。
【００９９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、測距エラーを防止できると共に、製造工程の簡略化や管理、キャリブレーションなどの容易化を成し遂げることの可能な距離情報取得装置又はシステム、パターン投影装置、及び、距離情報取得方法を提供することができる。
【０１００】
即ち、サブパターンの繰り返しを使用することにより、それぞれのパターン片間の差異を大きくすることが出来る為、従来例のような、中間調の多用による量子化誤差の発生を抑止し、いわゆるコードの誤検出を原因とする測距エラーを防止することができる。
【０１０１】
また、サブパターン幅及びサブパターン繰り返し数を必要最小限にすることができるため、コードの誤検出を抑止した上で、最小のコード数（階調数、色数）で測距を精度良く行うことができる。
【０１０２】
更に、階調数又は色数が減少するため、パターン生成手段（投影装置用スライド）の製造が容易になる。
【０１０３】
更にまた、階調数又は色数が減少するため、制御解析装置としのコンピュータ計算量が少なくなるので、処理の高速化が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る距離情報取得装置の構成を示す図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ第１の実施の形態におけるサブパターン及びパターンを示す図である。
【図２】（Ａ）は測距範囲とサブパターン幅の相関関係を説明するための図であり、（Ｂ）はパターン投影法におけるシステムの模式図である。
【図３】（Ａ）はサブパターンの幅の設定方法を説明するための図であり、（Ｂ）は測距範囲内に方形の物体が存在した場合の撮像画像を模式的に示した図である。
【図４】（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ本発明の第２の実施の形態におけるサブパターン及びパターンを示す図であり、（Ｃ）及び（Ｄ）はそれぞれ本発明の第６の実施の形態におけるサブパターン及びパターンを示す図である。
【図５】（Ａ）乃至（Ｄ）はそれぞれ本発明の第３の実施の形態におけるパターン片要素、コード化パターン片、サブパターン、及びパターンを示す図である。
【図６】（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ本発明の第４の実施の形態におけるサブパターン及びパターンを示す図である。
【図７】（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ本発明の第８の実施の形態におけるサブパターンを示す図であり、（Ｃ）はそれら２種類のサブパターンを用いた第８の実施の形態におけるパターンを示す図である。
【図８】（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ本発明の第９の実施の形態におけるサブパターン及びパターンを示す図である。
【図９】（Ａ）は従来の距離情報取得装置の構成を示す図であり、（Ｂ）は従来のパターンを示す図である。
【符号の説明】
ｂ      基線長
Ｂ，Ｔ１      撮像対象物
ＣＡＭ１，ＣＡＭ２      撮像装置
ＣＯＭ      コンピュータ
ｄＬ，ｄＳ      視差
ＤＬ      遠側測距限界位置
ＤＳ      近側測距限界位置
ｆ      ピンホールから画像面までの距離
Ｇ      画像面
Ｋ      ピンホール
Ｐ，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６，Ｐ７      パターン
Ｐ１Ｇ      撮像画像
Ｐ５Ｍ      マーク
Ｐ（Ａ），Ｐ（Ｎ），Ｐ（Ｎ＋１）      パターン片
ＰＡＴ      パターン投影装置
ＰＬＡＮＥ      遠側測距限界面
Ｒ      光源
ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３，ＳＰ４，ＳＰ５      サブパターン
ＳＰ３Ｃ１，ＳＰ３Ｃ２，ＳＰ３Ｃ３，ＳＰ３Ｃ４      コード化パターン片
ＳＰ３Ｒ，ＳＰ３Ｇ，ＳＰ３Ｂ      コード化パターン片要素
Ｔ      撮影対象
ｗｓｐ      撮像画像上におけるサブパターン幅
Ｗ      サブパターン幅
ＷＰ      遠側測距限界面上で必要とされるパターン全体の幅
【図１】
0004778156.tif 000002
【図２】
0004778156.tif 000003
【図３】
0004778156.tif 000004
【図４】
0004778156.tif 000005
【図５】
0004778156.tif 000006
【図６】
0004778156.tif 000007
【図７】
0004778156.tif 000008
【図８】
0004778156.tif 000009
【図９】
0004778156.tif 000010