(57)【要約】【課題】  本発明は、距離画像の算出の基となる画像のノイズを所定時間内に効率よく低減できる３次元情報検出方法及びその装置を提供することを目的とする。【解決手段】  第１の強度変調光と、時間に対する強度変化の割合が第１の強度変調光と異なる第２の強度変調光を切り替えて被写体に照射し、高速シャッタを通して被写体からの反射光を撮影し、第１の強度変調光の照射時の第１画像と第２の強度変調光の照射時の第２画像を取得し、第１画像の映像信号レベルと第２画像の映像信号レベルそれぞれを基に、画像蓄積型フィルタにおける前記第１画像と第２画像それぞれの画像蓄積数を制御してノイズ低減を行い、画像蓄積型フィルタの出力する第１画像と第２画像間の強度比から距離画像を算出する。【選択図】        図１
2005331476.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の強度変調光と、時間に対する強度変化の割合が前記第１の強度変調光と異なる第２の強度変調光を切り替えて被写体に照射し、
高速シャッタを通して前記被写体からの反射光を撮影し、前記第１の強度変調光の照射時の第１画像と前記第２の強度変調光の照射時の第２画像を取得し、
前記第１画像の映像信号レベルと第２画像の映像信号レベルそれぞれを基に、画像蓄積型フィルタにおける前記第１画像と第２画像それぞれの画像蓄積数を制御してノイズ低減を行い、
前記画像蓄積型フィルタの出力する第１画像と第２画像間の強度比から距離画像を算出することを特徴とする３次元情報検出方法。
【請求項２】
第１の強度変調光と、時間に対する強度変化の割合が前記第１の強度変調光と異なる第２の強度変調光を切り替えて被写体に照射する強度変調光照射手段と、
高速シャッタを備え前記被写体からの反射光を撮影して、前記第１の強度変調光の照射時の第１画像と前記第２の強度変調光の照射時の第２画像を取得する撮影手段と、
前記第１画像の映像信号レベルと第２画像の映像信号レベルそれぞれを基に、前記第１画像と第２画像それぞれの画像蓄積数を制御してノイズ低減を行うリカーシブフィルタ手段と、
前記リカーシブフィルタ手段の出力する第１画像と第２画像間の強度比から距離画像を算出する距離画像演算手段を
有することを特徴とする３次元情報検出装置。
【請求項３】
請求項２記載の３次元情報検出装置において、
前記リカーシブフィルタ手段は、前記第１画像と第２画像の各画像蓄積数に応じてフィルタ係数を可変することを特徴とする３次元情報検出装置。
【請求項４】
請求項２または３記載の３次元情報検出装置において、
前記強度変調光照射手段は、前記第１の強度変調光と第２の強度変調光を前記第１画像及び第２画像の画像蓄積数に基づいて切り替えて前記被写体に照射することを特徴とする３次元情報検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元情報検出方法及びその装置に関し、特に、被写体の奥行き形状を検出し３次元情報を取得する３次元情報検出方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被写体の３次元位置もしくは奥行き距離（以下、「奥行き距離」を単に「距離」という）検出方法には、三角測量法や干渉法、光飛行時間計測法、モアレ法など数多くの方式がある。しかし、被写体の距離画像を高速に取得する技術の実現例は数少ない。例えば、ステレオカメラによる方法（非特許文献１参照）や、光切断計測方法（非特許文献２参照）などがある。
【０００３】
また、特許文献１には、光の飛行時間計測を基本原理とし、強度変調光と高速シャッタを使った方法で、高速に距離を算出することが記載されている。
【特許文献１】特開２０００−１２１３３９号公報
【非特許文献１】Ｓ．Ｋｉｍｕｒａ，Ｈ．Ｋａｎｏ，Ｔ．Ｋａｎａｄｅ，Ａ．Ｙｏｓｈｉｄａ，Ｅ．Ｋａｗａｍｕｒａ，ａｎｄ  Ｋ．Ｏｄａ，“ＣＭＵ  ｖｉｄｅｏ−ｒａｔｅ  ｓｔｅｒｅｏ  ｍａｃｈｉｎｃ，”ｉｎ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  １９９５  Ｍｏｂｉｌｅ  Ｍａｐｐｉｎｇ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ（Ａｍｃｒｉｃａｎ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｆｏｒ  Ｐｈｏｔｏｇｒａｍｍｅｔｌｙ  ａｎｄ  Ｒｅｍｏｔｅ  Ｓｅｎｓｉｎｇ  Ｃｏｌｕｍｂｕｓ，Ｏｈｉｏ，１９９５），ｐｐ．９−１８
【非特許文献２】Ｓ．Ｙｏｓｈｉｍｕｒａ，Ｔ．Ｓｕｇｉｙａｍａ，Ｋ．Ｙｏｎｃｍｏｔｏ，ａｎｄ  Ｋ．Ｕｅｄａ，“Ａ  ４８ｋｆｒａｍｅ／ｓ  ＣＭＯＳ  ｉｍａｇｅ  ｓｅｎｓｏｒ  ｆｏｒ  ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ  ３−Ｄ  ｓｅｎｓｉｎｇ  ａｎｄ  ｍｏｔｉｏｎ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，”ｉｎ  ２００１  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ＩＳＳＣＣ  Ｄｉｇ．ｏｆ  Ｔｅｃｈ．Ｐａｐｅｒｓ（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，Ｓａｎ  Ｆｒａｎｃｉｓｃｏ，２００１），ｐｐ．９４−９５，４３６．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ステレオカメラによる方法、即ち、ステレオカメラで得られた画像より３次元位置を検出するには、複雑な画像演算処理が必要であるため、画像の高精細化が難しい。また、オクルージョン（視点の妨害）の問題とともに、特徴点のない被写体では画像のマッチングが困難であり、距離検出できないという問題がある。
【０００５】
また、光切断計測方法、即ち、スリット状のレーザービームを走査し、ＣＭＯＳセンサで受光し、三角測量の原理に従って距離を求める方法では、スリット状のレーザービームをスキャン走査するため、機械的な駆動部が必要である。さらに、センサの感度に必要な反射光量を得るために、一般に高い光強度のレーザー光照射が必要であり、被写体が人物の場合には、安全性に問題がある。さらに、カメラと光源の位置が離れているため、照明の影になる被写体部分の距離は検出できないという問題がある。
【０００６】
これに対して、強度変調光と高速シャッタを使った方法では、距離算出演算が容易であるとともに、照射光の機械的な走査機構が不要である。さらに、この方式では、急峻なパルス光ではなく比較的緩やかに増加／減少する強度変調光を用いているため、レーザー光源と比較し強度変調の周波数特性は低いものの自然光に近いインコヒーレントなＬＥＤ（発光ダイオード）光が応用でき、被写体が人物の場合にも安全な撮影が可能である。
【０００７】
しかし、特許文献１には、距離画像の算出の基となる画像のノイズを低減する具体的な方法については考慮されていないという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、距離画像の算出の基となる画像のノイズを所定時間内に効率よく低減できる３次元情報検出方法及びその装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の発明は、第１の強度変調光と、時間に対する強度変化の割合が前記第１の強度変調光と異なる第２の強度変調光を切り替えて被写体に照射し、
高速シャッタを通して前記被写体からの反射光を撮影し、前記第１の強度変調光の照射時の第１画像と前記第２の強度変調光の照射時の第２画像を取得し、
前記第１画像の映像信号レベルと第２画像の映像信号レベルそれぞれを基に、画像蓄積型フィルタにおける前記第１画像と第２画像それぞれの画像蓄積数を制御してノイズ低減を行い、
前記画像蓄積型フィルタの出力する第１画像と第２画像間の強度比から距離画像を算出することにより、画像のノイズを所定時間内に効率よく低減することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、第１の強度変調光と、時間に対する強度変化の割合が前記第１の強度変調光と異なる第２の強度変調光を切り替えて被写体に照射する強度変調光照射手段と、
高速シャッタを備え前記被写体からの反射光を撮影して、前記第１の強度変調光の照射時の第１画像と前記第２の強度変調光の照射時の第２画像を取得する撮影手段と、
前記第１画像の映像信号レベルと第２画像の映像信号レベルそれぞれを基に、前記第１画像と第２画像それぞれの画像蓄積数を制御してノイズ低減を行うリカーシブフィルタ手段と、
前記リカーシブフィルタ手段の出力する第１画像と第２画像間の強度比から距離画像を算出する距離画像演算手段を有することにより、請求項１の発明を実現でき、画像のノイズを所定時間内に効率よく低減することができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項２記載の３次元情報検出装置において、
前記リカーシブフィルタ手段は、前記第１画像と第２画像の各画像蓄積数に応じてフィルタ係数を可変することにより、画像のノイズを更に効率よく低減することができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項２または３記載の３次元情報検出装置において、
前記強度変調光照射手段は、前記第１の強度変調光と第２の強度変調光を前記第１画像及び第２画像の画像蓄積数に基づいて切り替えて前記被写体に照射することにより、第１画像及び第２画像の画像蓄積数を可変できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、距離画像の算出の基となる画像のノイズを所定時間内に効率よく低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１５】
図１は、本発明方法を適用した３次元情報検出装置の一実施形態のブロック図を示す。同図中、信号発生器１０は例えば三角波等の光強度変調信号を発生してスイッチ１２に供給する。スイッチ１２は２つの出力端子を有し、一方の出力端子は直接光源部１６に接続され、他方の出力端子はディレイライン１４を介して光源部１６に接続されている。スイッチ１２のスイッチングにより、変調位相が例えば１８０度異なる光強度変調信号が光源部１６に供給される。
【００１６】
光源部１６は光強度変調信号に応じて変調された強度変調光１７を被写体１８に照射し、被写体１８からの反射光１９が高速シャッタ付きカメラ２０により撮影される。カメラ２０の出力する映像信号はスイッチ２２によりスイッチングされてフィルタ処理部２４，２６のいずれか一方に供給される。このスイッチ２２はスイッチ１２と同期しており、１８０度位相が異なる強度変調光を照射した時点の画像がそれぞれフィルタ処理部２４，２６に供給される。
【００１７】
フィルタ処理部２４，２６それぞれは、１８０度位相が異なる強度変調光を照射した時点の各画像のフィルタ処理を行い、フィルタ処理後の各画像を距離画像演算装置２８に供給すると共に、フィルタ処理後の各画像の輝度値からスイッチング制御信号を生成してスイッチ１２，２２に供給する。距離画像演算装置２８はフィルタ処理後の各画像（１８０度位相が異なる強度変調光を照射した時点の画像）から距離画像を求め、距離画像の映像信号として出力する。
【００１８】
ここで、カメラ２０の出力する映像信号の主なノイズ要因は、高速シャッタに使用しているイメージインテンシファイアのショットノイズであるため、画像蓄積を行うことによりノイズを低減することができる。画像蓄積加算では、蓄積枚数Ｎに対し、ノイズ成分は１／（√Ｎ）倍に低減される。しかし、単なる画像蓄積加算方式では画像数が多い場合、メモリが飽和してしまう。
【００１９】
そこで、ある程度、動く被写体を対象とする場合、画像蓄積型フィルタの一つであるリカーシブフィルタ（参考文献１：Ｒ．Ｈ．Ｍｃｍａｎｎ，Ｓ．Ｋｒｅｉｎｉｋ，Ｊ．Ｋ．Ｍｏｏｒｅ，Ａ．Ｋａｉｓｅｒ，ａｎｄ  Ｊ．Ｒｏｓｓｉ，“Ａ  ｄｉｇｉｔａｌ  ｎｏｉｓｅ  ｒｅｄｕｃｅｒ  ｆｏｒ  ｅｎｃｏｄｅｄ  ＮＴＳＣ  ｓｉｇｎａｌ”Ｊ．ＳＭＰＴＥ，Ｖｏｌ．８７，ｐｐ．１２９−１３３，Ｍａｒｃｈ  １９７８）が有効である。
【００２０】
このリカーシブフィルタは、画像数が増えてもメモリが飽和せず、フィルタ係数により検出時定数が可変できるため、動画像撮影のノイズ低減にも使用できる（参考文献２：二宮祐一，大塚吉道“動き補正型ノイズリデューサー、”テレビジョン学会誌、Ｖｏ１．３９、Ｎｏ．１０、ｐｐ．９５６−９６２，Ｏｃｔｏｂｅｒ  １９８５）。
【００２１】
本発明では、フィルタ処理部２４，２６それぞれをリカーシブフィルタで構成し、強度変調光の光強度が時間と共に増加する増加変調光時に撮影した第１画像Ｖ＋をフィルタ処理部２４にてフィルタ処理し、強度変調光の光強度が時間と共に減少する減少変調光時に撮影した第２画像Ｖ−をフィルタ処理部２６にてフィルタ処理する。
【００２２】
図２は、フィルタ処理部２４，２６の一実施形態のブロック図を示す。フィルタ処理部２４，２６それぞれは、カメラ２０の撮影画像の映像信号からフレームメモリ３６の出力する画像の映像信号を減算する減算器３０と、減算器３０の出力信号にフィルタ係数ｎの逆数である係数１／ｎを乗算する乗算器３２と、乗算器３２の出力信号にフレームメモリ３６の出力する画像の映像信号を加算する加算器３４と、加算器３４の出力信号を格納するフレームメモリ３６と、加算器３４の出力信号をフレームメモリ３６と外部への出力とに分配する分配器３８から構成されている。
【００２３】
カメラの出力する映像信号をＶ＋とすると、フィルタ処理部２４の出力信号は、（１）式で表わされる。
【００２４】
【数１】
2005331476.tif 000003
ここで、Ｆｔ−１はフレームメモリ３６の出力信号、１／ｎは乗算器３２で乗算される係数である。このフィルタ処理をｔ回繰り返すことで、ノイズ成分δは、（２）式で表わされるδ’に低減される。
【００２５】
【数２】
2005331476.tif 000004
（２）式からｔが十分に大きな場合、ノイズ成分は、（２ｎ−１）−１／２倍に低減される。
【００２６】
一方、本発明では、増加変調光時の撮影画像Ｖ＋＝Ｖ１±δ１と、減少変調光時の撮影画像Ｖ−＝Ｖ２±δ２（Ｖ１，Ｖ２はノイズを含まない画像、δ１，δ２はノイズ成分）とすると、距離画像Ｄは（３）式で表わされる。
【００２７】
【数３】
2005331476.tif 000005
ここで、撮影画像Ｖ＋，Ｖ−を、フィルタ処理部２４，２６を透過させた後の距離画像ノイズ成分δＤ’は、（４）式で表わされる。
【００２８】
【数４】
2005331476.tif 000006
なお、ここで、ｔ１，ｔ２は、各画像Ｖ＋，Ｖ−の画像蓄積数、つまり、フィルタ処理部２４，２６それぞれのフィルタ処理回数である。
【００２９】
一般に、画像Ｖ＋と画像Ｖ−はＳＮ比が異なるため、限られた時間内で効率よくノイズを低減すためには、ＳＮ比が低い画像を重点的に改善することが有効である。そのために、各画像蓄積数ｔ１，ｔ２を、各画像の輝度値もしくはＳＮ比を参考にして最適に制御する。
【００３０】
次に、画像の取得数を最適化した場合の効果を以下に見積もる。画像Ｖ＋，Ｖ−のＳＮ比がδ２／Ｖ２＝ｋ（δ１／Ｖ１）の比率である場合、フィルタ処理の前後のノイズ低減率ｒは（７）式で表わされる。
【００３１】
【数５】
2005331476.tif 000007
画像Ｖ＋，Ｖ−の画像蓄積数ｔ１，ｔ２が同じ場合（ｔ１＝ｔ２＝Ｔ／２、ただしＴは画像の総蓄積数）、ａ１＝ａ２であるため、ノイズ低減率ｒは（８）式で表わされる。
【００３２】
【数６】
2005331476.tif 000008
一方、画像Ｖ＋，Ｖ−の画像蓄積数ｔ１，ｔ２が異なる場合、ノイズ低減率ｒは（９）式で表わされる。
【００３３】
【数７】
2005331476.tif 000009
このとき、二乗ノイズ低減率ｒ２を最小とする画像蓄積数ｔ１の値は（１０）式から得られる。また、画像蓄積数ｔ２はｔ２＝Ｔ−ｔ１から得られる。
【００３４】
【数８】
2005331476.tif 000010
一例として、ＳＮ比の比率ｋ＝３、係数１／ｎ＝１／３２、画像の総蓄積数Ｔ＝５０の場合、画像蓄積数ｔ１を最適化しないときはノイズ低減率ｒ＝０．４８であるのに対し、（１０）式で最適化したときはノイズ低減率ｒ＝０．３８と改善される。このときの画像蓄積数ｔ１＝８、画像蓄積数ｔ２＝４２である。
【００３５】
カメラ２０の撮影条件が一定であれば、カメラ２０で撮影した画像の輝度信号レベルとノイズレベルは１対１の関係にある。つまり、画像の輝度信号レベル対ＳＮ比も１対１の関係にある。図３に、画像の輝度レベル対ＳＮ比の測定例を示す。この関係を事前に測定していれば、撮影画像の輝度信号レベルから、その画像のＳＮ比とＳＮ比の比率ｋが得られ、（１０）式から画像蓄積数ｔ１，ｔ２が得られる。
【００３６】
従って、画像の画像蓄積数ｔ１，ｔ２は、最初に取得する画像Ｖ＋，Ｖ−のＳＮ比より決定する。最初に取得しフィルタ処理部２４，２６それぞれのフレームメモリ３６に格納した増加変調光時，減少変調光時それぞれの画像Ｆ１の輝度レベルより各撮影画像Ｖ＋，Ｖ−の画像蓄積数ｔ１，ｔ２を決定できる。なお、この際の輝度信号レベルは、画像内の注目する被写体部分の値を使用する。
【００３７】
各画像の画像蓄積数の制御は、図１に示すように各フィルタ処理部２４，２６それぞれの出力値を基に最適な画像蓄積数ｔ１，ｔ２を求め、スイッチ１２，２２にそれぞれの制御信号を供給する。スイッチ１２は上記制御信号に応じて強度変調信号を切替え、これに同期して、スイッチ２２は上記制御信号に応じてカメラ２０の撮影画像Ｖ＋，Ｖ−の切替えを行う。
【００３８】
以上の説明では、係数１／ｎは撮影画像Ｖ＋，Ｖ−について同一として説明したが、この係数１／ｎを画像蓄積数ｔ１，ｔ２それぞれに応じて係数１／ｎ１，１／ｎ２と変えることで、画像蓄積数ｔ１，ｔ２内で最大限のノイズ低減を行うことができる。
【００３９】
（５）式において画像蓄積数ｔ１が与えられると、ａ１を最小にする係数１／ｎ１の値が決まる。画像蓄積数ｔ１とフィルタ係数ｎ１の関係は図４に示すようになる。なお、図４の関係は画像蓄積数ｔ１が１００以下の領域では、ｎ１＝０．３２ｔ１＋２．５５により近似できる。これは、（６）式についても同じであり、画像蓄積数ｔ２が与えられると、ａ２を最小にする係数１／ｎ２の値が決まる。
【００４０】
その効果を計算すると、ＳＮ比の比率ｋ＝３、係数１／ｎ＝１／３２、画像の総蓄積数Ｔ＝５０、画像蓄積数ｔ１＝８、画像蓄積数ｔ２＝４２の場合、係数１／ｎの値を変化させないと、ノイズ低減率ｒ＝０．３８である。これに対して、係数１／ｎ１＝５．１，係数１／ｎ２＝１６．０と最適化すると、ノイズ低減率ｒ＝０．２０となり、係数１／ｎの最適化の効果があることがわかる。
【００４１】
図５は、本発明方法を適用した３次元情報検出装置の一実施形態の具体的なブロック図を示す。同図中、光源部４０として出力光強度１Ｗ、波長８５０ｎｍのＬＥＤアレイ光源を使用し、周波数４５ＭＨｚで強度変調した強度変調光４１を被写体に照射した。反射光４３をカメラレンズ４４により集光し、ダイクロイックプリズム４６でイメージインテンシファイア４８に結像入力する。
【００４２】
イメージインテンシファイア４８は、近赤外光のみに高速シャッタ機構を有し、時間幅２ｎｓｅｃ、繰り返し周波数４５ＭＨｚのシャッタ動作を行った。このイメージインテンシファイア４８の蛍光面からの出力光を距離検出用ＣＣＤカメラ５０で撮影し、データ取得用のパーソナルコンピュータ５２に供給し、パーソナルコンピュータ５２上のソフトウエアでフィルタ処理部２４，２６のフィルタ処理を行った。
【００４３】
一方、可視の反射光４３は、ダイクロイックプリズム４６を通過し、カラーカメラ５４により撮影され、通常のカラー画像の映像信号が出力される。被写体４２は２ｍ先の平坦なプレートを用い、ＣＣＤカメラ５０の出力する撮影画像Ｖ＋，Ｖ−を、１０ビットのサンプリング分解能でデータ取り込みを行った。撮影画像Ｖ＋，Ｖ−それぞれの輝度信号レベルは３９２ｍＶ，２０５ｍＶ、撮影画像Ｖ＋，Ｖ−それぞれのノイズレベルは６．３ｍＶｒｍｓ，９．５ｍＶｒｍｓの場合で測定を行った。
【００４４】
画像Ｖ＋，Ｖ−の総蓄積数Ｔ（＝ｔ１＋ｔ２）と、距離画像のノイズ低減率ｒの関係を図６に示す。ここでは、画像蓄積数ｔ１，ｔ２とフィルタ係数ｎ１，ｎ２を共に最適化しない場合の計算結果（破線）及び実験結果（黒角点）、画像蓄積数ｔ１，ｔ２のみを最適化した場合の計算結果（一点鎖線）及び実験結果（黒三角点）、画像蓄積数ｔ１，ｔ２とフィルタ係数ｎ１，ｎ２を共に最適化した場合の計算結果（二点差線）及び実験結果（黒丸点）をそれぞれ示している。
【００４５】
この結果、画像の総蓄積数Ｔが１６フレームのとき、最適化しない場合は実験結果のノイズ低減率ｒは０．６８であるのに対し、画像蓄積数のみの最適化で実験結果のノイズ低減率ｒは０．５９に低減され、画像蓄積数とフィルタ係数の最適化で実験結果のノイズ低減率ｒは０．３９に低減された。
【００４６】
このように、本実施形態によれば、所定の時間内に効率よくノイズを低減できる。このノイズの低減により、従来、数ｃｍであった距離検出分解能を、数ｍｍオーダまで向上でき、形状計測など幅広い分野への応用が可能となる。
【００４７】
ここで、距離画像演算装置２８が実行する距離画像演算処理の一例について簡単に説明する。ここでは、強度変調光として時間と共に光強度が増加及び減少する光と、高速シャッタ機構を持つカメラ（イメージインテンシファイア４８とＣＣＤカメラ５０に対応）による距離検出方法について説明する。なお、イメージインテンシファイア４８は、光電変換面、マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）、蛍光面から構成され、光電変換面とＭＣＰ間の印加電圧の値を制御することで、時間と共に撮像感度を高速に変化でき、印加電圧をパルス形状とすることで短時間のゲート撮像も可能となる。
【００４８】
距離ｄに置かれた被写体に、図７（Ａ）に示すように、時間と共に係数ｓで光強度が増加する強度変調光Ａ１を照射し、被写体からの反射光Ａ２を時刻ｔｓにパルス状撮像ゲインＡ３で短時間撮像した場合、ＣＣＤカメラ５０で検出される信号量Ｅ＋（ｄ，ｔｓ）は、（１１）式で表される。
【００４９】
【数９】
2005331476.tif 000011
ここで、ＴＬはカメラレンズなどのレンズ光学系の透過率、ρは被写体の表面の反射特性係数、Ｆ０は光の最大照射強度、Δｔは撮像時間幅であり、光変調周期に対して十分小さい値である。また、ｃは光速、２ｄ／ｃはＣＣＤカメラ５０から被写体までの距離ｄを光が往復する時間、ｌはカメラレンズから被写体までの距離であり、式の分母は光の拡散による減衰を考慮した項である。
【００５０】
次に、図７（Ｂ）に示すように、時間と共に係数ｓで光強度が減少する強度変調光Ａ４を照射し、被写体からの反射光Ａ５を時刻ｔｓにパルス状撮像ゲインＡ３で短時間撮像した場合、ＣＣＤカメラ５０で検出される信号量Ｅ−（ｄ，ｔｓ）は、（１２）式で表される。
【００５１】
【数１０】
2005331476.tif 000012
ここで、ＴＡは光強度の変調周期である。なお、１回の撮像では感度が不十分である場合は、１フィールド内に、撮像ゲインの変調周波数と同等の繰り返しパルス光を照射し、蓄積型の撮像素子で蓄積し十分な感度を確保する。なお、図７（Ｂ）の強度変調光は図７（Ａ）の強度変調光と連続して送出しても良い。
【００５２】
（１１）式と（１２）式より、光強度の異なる２枚の画像間での強度比Ｒ＝Ｅ＋／Ｅ−をとり、距離ｄを求めると、（１３）式となる。
【００５３】
【数１１】
2005331476.tif 000013
（１３）式で示されるように、光強度増加時と光強度減少時に撮像した２つの画像間の比Ｒを計算するだけで、被写体の反射率や光の拡散による光の減衰効果等の影響をキャンセルし、高速に距離を求めることができる。
【００５４】
距離画像演算装置２８は、フィルタ処理部２４から光強度が増加する強度変調光の照射時に短時間撮像した被写体画像を読み出し、フィルタ処理部２６から光強度が減少する強度変調光の照射時に短時間撮像した被写体画像を読み出す。  距離画像演算装置２８は、読み出した信号の画像の輝度調整や、画像全体にある一定の輝度レベルを付加するためのセットアップ調整を行ったのち、（１３）式の演算を行って距離ｄを算出し、距離を明暗で表す距離映像信号を得る。更に、距離画像演算装置２８は、距離映像信号を所望のテレビジョン信号規格に変換して出力する。
【００５５】
なお、信号発生器１０，スイッチ１２，光源部１６が請求項記載の強度変調光照射手段に対応し、高速シャッタ付きカメラ２０が撮影手段に対応し、フィルタ処理部２４，２６がリカーシブフィルタ手段に対応し、距離画像演算装置２８が距離画像演算手段に対応する。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明方法を適用した３次元情報検出装置は、被写体のカラー画像と共に奥行き距離情報が取得できる３次元カメラとして各分野に応用できる。その一例として、テレビジョン放送用カメラとしては、距離情報を基にした画像の抽出や合成など、また、立体テレビジョン用のカメラとしても適用できる。更に、３次元モデリング、医療診断、自動車や航空、宇宙、船舶分野におけるエンジン等の機器内の観察や、ガス管、排気口、水道管、ボイラー、タービン内の検査、古墳や遺跡内の調査や動物生態の観察などの分野に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明方法を適用した３次元情報検出装置の一実施形態のブロック図である。
【図２】フィルタ処理部の一実施形態のブロック図である。
【図３】画像の輝度レベル対ＳＮ比の測定例を示す図である。
【図４】画像蓄積数ｔと係数１／ｎの関係を示す図である。
【図５】本発明方法を適用した３次元情報検出装置の一実施形態の具体的なブロック図である。
【図６】画像の画像蓄積数と距離画像のノイズ低減率の関係を示す図である。
【図７】パルス状の撮像ゲインと光強度が増加及び減少する強度変調光による距離検出方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０  信号発生器
１２，２２  スイッチ
１４  ディレイライン
１６，４０  光源部
１７  強度変調光
１８，４２  被写体
１９，４３  反射光
２０  高速シャッタ付きカメラ
２４，２６  フィルタ処理部
２８  距離画像演算装置
３０  減算器
３２  乗算器
３４  加算器
３６  フレームメモリ
３８  分配器
４４  カメラレンズ
４６  ダイクロイックプリズム
４８  イメージインテンシファイア
５０  ＣＣＤカメラ
５２  パーソナルコンピュータ
【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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【図６】
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【図７】
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