(57)【要約】【課題】計測密度の低下を防止して高密度な距離計測を実現することのできる距離計測装置を提供する。【解決手段】本発明の距離計測装置１は、複数のドットを配置した投光パターンを照射する投光部２と、投光パターンが計測対象物で反射された光を撮像する撮像部３と、所定の距離範囲内に計測対象物が存在した場合に投光パターンのドットの撮像位置がエピポーラ線方向に移動する移動軌跡を示した距離別計測パターンと撮像部３による撮像画像とを比較することにより、計測対象物が存在する距離範囲を特定する距離範囲特定部６と、距離別計測パターンの移動軌跡上における撮像画像のドット位置に基づいて計測対象物の位置を特定する位置特定部７と、位置特定部７で特定された計測対象物の位置に基づいて計測対象物までの距離を算出する距離算出部８とを備えることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象物との間の距離を計測する距離計測装置であって、
複数のドットを配置した投光パターンを照射する投光手段と、
前記投光パターンが前記計測対象物で反射された光を撮像する撮像手段と、
前記投光パターンが照射された方向を所定の距離毎に区分して距離範囲を設定し、前記距離範囲内に計測対象物が存在した場合に前記投光パターンのドットの撮像位置がエピポーラ線方向に移動する移動軌跡を示した距離別計測パターンと、前記撮像手段により撮像された撮像画像とを比較することにより、前記計測対象物が存在する距離範囲を特定する距離範囲特定手段と、
前記距離別計測パターンの移動軌跡上における前記撮像画像のドット位置に基づいて前記計測対象物の位置を特定する位置特定手段と、
前記位置特定手段で特定された前記計測対象物の位置に基づいて前記計測対象物までの距離を算出する距離算出手段と
を備えていることを特徴とする距離計測装置。
【請求項２】
前記投光パターンは、前記距離別計測パターンの移動軌跡に対応した長さにエピポーラ線方向を区分して区分領域が設定され、前記区分領域ではエピポーラ線と垂直な方向にドットを配置するとともに隣接する区分領域でドットの配置が同一とならないことを特徴とする請求項１に記載の距離計測装置。
【請求項３】
前記投光手段は所定の変調周波数で前記投光パターンを変調して照射し、前記撮像手段は前記撮像画像を前記所定の変調周波数で同期検波することを特徴とする請求項１または２に記載の距離計測装置。
【請求項４】
計測対象物との間の距離を計測する距離計測方法であって、
複数のドットを配置した投光パターンを投光手段から照射する投光パターン照射ステップと、
前記投光パターンが前記計測対象物で反射された光を撮像手段で撮像する撮像ステップと、
前記投光パターンが照射された方向を所定の距離毎に区分して距離範囲を設定し、前記距離範囲内に計測対象物が存在した場合に前記投光パターンのドットの撮像位置がエピポーラ線方向に移動する移動軌跡を示した距離別計測パターンと、前記撮像手段により撮像された撮像画像とを比較することにより、前記計測対象物が存在する距離範囲を演算処理手段によって特定する距離範囲特定ステップと、
前記距離別計測パターンの移動軌跡上における前記撮像画像のドット位置に基づいて前記計測対象物の位置を前記演算処理手段によって特定する位置特定ステップと、
前記位置特定ステップで特定された前記計測対象物の位置に基づいて前記計測対象物までの距離を前記演算処理手段によって算出する距離算出ステップと
を含むことを特徴とする距離計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を照射することによって計測対象物までの距離を計測する距離計測装置及び距離計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から計測対象物に光を照射し、それをカメラで撮像することによって計測対象物の三次元形状を計測する計測技術が開発されていた。
【０００３】
このような計測技術では、ドットサイズや線の太さ、位置が異なる不規則な投光パターンを照射し、異なる位置に設置された２つのカメラで撮像した２つの画像間において投光パターンをマッチング検索して三角測量によって距離を測定していた。
【０００４】
このような３次元形状計測装置の一例として特許文献１が開示されており、この特許文献１では、乱数を用いて不規則な投光パターンを生成して投光器から照射し、投光パターンが照射された被写体を基準カメラと参照カメラで撮像していた。そして、基準カメラで撮像した画像と参照カメラで撮像した画像との間の対応付け処理を行い、対応付けされた各画像の視差を用いて距離画像を生成していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−９１２３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した従来の三次元形状計測装置では、ドットサイズや線の太さが異なる不規則な投光パターンを照射しているので、被写体に照射された投光パターンが大きなパターンとなってしまう場合があり、計測密度が低下して高密度な距離計測を実現することができないという問題点があった。
【０００７】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、計測密度の低下を防止して高密度な距離計測を実現することのできる距離計測装置及び距離計測方法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】
【０００８】
本発明に係る距離計測装置及び距離計測方法は、投光パターンが照射された方向を所定の距離毎に区分して距離範囲を設定し、この距離範囲内に計測対象物が存在した場合に投光パターンのドットの撮像位置がエピポーラ線方向に移動する移動軌跡を示した距離別計測パターンを予め用意しておき、この距離別計測パターンと撮像画像とを比較して計測対象物が存在する距離範囲を特定してから距離を計測することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る距離計測装置及び距離計測方法によれば、投光パターンが照射された方向を所定の距離毎に区分して距離範囲を設定しておき、計測対象物が存在する距離範囲を特定してから距離を計測するので、計測密度の低下を防止して高密度な距離計測を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明を適用した一実施形態に係る距離計測装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用した一実施形態に係る距離計測装置による距離計測方法を説明するための図である。
【図３】本発明を適用した一実施形態に係る距離計測装置の投光パターンと距離別計測パターンの一例を示す図である。
【図４】本発明を適用した一実施形態に係る距離計測装置による距離計測処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明を適用した一実施形態に係る距離計測装置によって照射される投光パターンの一例を示す図である。
【図６】本発明を適用した一実施形態に係る距離計測装置によって撮像された撮像画像の一例を示す図である。
【図７】本発明を適用した一実施形態に係る距離計測装置による撮像画像と距離別計測パターンとの比較の一例を示す図である。
【図８】本発明を適用した一実施形態に係る距離計測装置による撮像画像と距離別計測パターンの比較結果の一例を示す図である。
【図９】本発明を適用した一実施形態に係る距離計測装置による距離の算出方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を適用した一実施形態について図面を参照して説明する。
【００１２】
［距離計測装置の構成］
図１は本実施形態に係る距離計測装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る距離計測装置１は、複数のドットを配置した投光パターンを照射する投光部２と、投光パターンが計測対象物で反射された光を撮像する撮像部３と、計測対象物までの距離を計測するための処理を実行する演算処理装置４と、距離を計測するための処理に必要となる情報を格納する記憶部５とを備えている。
【００１３】
また、演算処理装置４は、投光パターンが照射された方向を所定の距離毎に区分して距離範囲を設定し、計測対象物が存在する距離範囲を特定する距離範囲特定部６と、距離範囲特定部６で特定された距離範囲内における計測対象物の位置を特定する位置特定部７と、位置特定部７で特定された計測対象物の位置に基づいて計測対象物までの距離を算出する距離算出部８とを備えている。
【００１４】
ここで、本実施形態に係る距離計測装置１は、投光パターンが照射された方向を所定の距離毎に区分して距離範囲を設定し、この距離範囲内に計測対象物が存在した場合に投光パターンのドットの撮像位置がエピポーラ線方向に移動する移動軌跡を示した距離別計測パターンを予め用意しておき、この距離別計測パターンと撮像画像とを比較することによってまず計測対象物が存在する距離範囲を特定する。そして、距離範囲が特定されると、次に距離別計測パターンの移動軌跡上における撮像画像のドット位置に基づいて計測対象物の位置を特定して距離を計測するものである。
【００１５】
投光部２は、複数のドットを配置した投光パターンを照射するための発光装置であり、レンズやＬＥＤ、ドライブ回路等を備えて投光パターンを計測対象物へ向けて照射している。
【００１６】
撮像部３は、投光パターンが照射された方向の画像を撮像するビデオカメラ等の撮像装置であり、投光パターンが照射されて計測対象物で反射した光を連続的に撮像している。
【００１７】
演算処理装置４は、以下で説明する距離計測処理を実行するためのマイクロコンピュータやメモリを備えた装置であり、距離範囲特定部６、位置特定部７及び距離算出部８の各部を備えて距離計測処理を実行する。
【００１８】
記憶部５は、投光部２で照射される投光パターンや距離範囲を特定するための距離別計測パターン等の距離計測処理に必要となる情報を格納しており、撮像部３で撮像された撮像画像なども格納している。
【００１９】
距離範囲特定部６は、所定の距離範囲毎に設定された距離別計測パターンを記憶部５から読み出して撮像部３で撮像された撮像画像と比較し、撮像画像のドット位置が距離別計測パターンのドットの移動軌跡と一致する距離別計測パターンを特定することによって計測対象物が存在している距離範囲を特定している。
【００２０】
位置特定部７は、計測対象物が存在している距離範囲が特定されると、距離別計測パターンのドットの移動軌跡上における撮像画像のドット位置に基づいて計測対象物の位置を特定している。具体的には、投光パターンの照射方向θｐと撮像部３による撮像方向θｃとを検出することによって計測対象物の位置を特定している。
【００２１】
距離算出部８は、計測対象物の位置が特定されると、特定された計測対象物の位置に基づいて計測対象物までの距離を算出する。具体的には、投光パターンの照射方向θｐと撮像部３による撮像方向θｃと投光部２と撮像部３との間の距離ｄとを用いて幾何学的関係から三角測量で計測対象物までの距離を算出している。
【００２２】
［距離計測処理の手順］
まず、本実施形態に係る距離計測装置１による距離計測方法の概略を説明する。図２（ａ）に示すように、投光部２から照射される投光パターン２１のドットＤを撮像部３で撮像すると、ドットＤが計測対象物で反射した位置が遠ざかるにつれて撮像画像２２ではＤ１、Ｄ２、Ｄ３と撮像位置が移動していく。このＤ１〜Ｄ３への撮像位置の移動はエピポーラ線Ｌ上の移動となる。したがって、図２（ｂ）に示すように、投光パターンが照射された方向を所定の距離毎に区分して距離範囲Ｒ１〜Ｒ３を設定すると、距離範囲Ｒ１に計測対象物が存在した場合にドットＤが撮像される位置の移動範囲はＡ１となる。同様に、距離範囲Ｒ２に計測対象物が存在した場合にドットＤが撮像される位置の移動範囲はＡ２となり、距離範囲Ｒ３に計測対象物が存在した場合にドットＤが撮像される位置の移動範囲はＡ３となる。
【００２３】
そこで、本願発明では、投光パターンの各ドットの撮像位置がエピポーラ線方向に移動する移動軌跡を示した距離別計測パターンを距離範囲毎に予め用意しておく。例えば、図３（ａ）に示すようにドットが配置された投光パターンを照射する場合には、図３（ｂ）に示すように距離範囲Ｒ１における距離別計測パターンをＢ１、距離範囲Ｒ２における距離別計測パターンをＢ２、距離範囲Ｒ３における距離別計測パターンをＢ３として用意しておく。これらの距離別計測パターンＢ１〜Ｂ３は、図３（ｂ）に示すように各距離範囲Ｒ１〜Ｒ３に計測対象物が存在した場合に、投光パターンの各ドットの撮像位置がエピポーラ線方向に移動する移動軌跡Ｓを示したものである。
【００２４】
そして、用意された距離別計測パターンと撮像画像とを比較することによって、まず計測対象物が存在する距離範囲を特定し、距離範囲が特定されると、次に距離別計測パターンの移動軌跡上における撮像画像のドット位置に基づいて計測対象物の正確な位置を特定して計測対象物までの距離を算出する。
【００２５】
以下、上述した距離計測方法の詳細な手順を図４のフローチャートを参照して説明する。
【００２６】
図４に示すように、まずステップＳ１０１において演算処理装置４は記憶部５に格納されている投光パターンを読み出す。ここで読み出される投光パターンは、図５に示すように距離別計測パターンの移動軌跡に対応した長さにエピポーラ線方向を区分した区分領域Ｃ１〜Ｃ４が設定され、この区分領域Ｃ１〜Ｃ４ではエピポーラ線と垂直な方向にドットが配置されている。そして、隣接する区分領域の間でそれぞれドットの配置が同一とならないよう設定されている。このようにドットの配置を隣接する区分領域の間で相違させたことにより、投光パターンの撮像画像は距離範囲毎に異なる撮像画像となるので、撮像画像と距離別計測パターンを比較することによって距離範囲を特定することが可能になる。また、従来ではドットサイズや線の太さが異なる不規則な投光パターンを照射していたが、本実施形態では投光パターンの各ドットを投光部２で照射できる光のうち最小となる単位画素の光とすることが可能なので、計測密度を向上させることができる。
【００２７】
次に、ステップＳ１０２において、投光部２は予め設定されている所定の変調周波数ωｒで投光パターンの明るさ（輝度）を変調して照射し、ステップＳ１０３では撮像部３が計測対象物で反射した投光パターンの光を連続して撮像する。
【００２８】
そして、ステップＳ１０４において、撮像部３は、ステップＳ１０２で用いた変調周波数ωｒと同一の変調周波数で撮像画像を同期検波し、余分な太陽光や人工光を除去して投光パターンのドットのみを抽出する。
【００２９】
この同期検波について具体的に説明すると、撮像部３で撮像した測定信号をｓｉｎ（ω０＋α）とすると、この測定信号には投光パターンの他にさまざまな周波数成分を含んだ太陽光や人工光が含まれている。そこで、周波数が変調周波数ωｒとなる参照信号ｓｉｎ（ωｒ＋β）を測定信号ｓｉｎ（ω０＋α）に乗算すると、その結果は
ｃｏｓ（ω０−ωｒ＋α−β）／２―ｃｏｓ（ω０＋ωｒ＋α＋β）／２
となる。ここで、ローパスフィルターを通すと、ω０≠ωｒの信号、すなわち周波数がωｒではない投光パターン以外の太陽光や人工光は除去され、その一方でω０＝ωｒの信号、すなわち周波数がωｒの投光パターンは
ｃｏｓ（α−β）／２
となって抽出することができる。このように同期検波を行うことによって、さまざまな周波数成分を含んだ測定信号の中から投光パターンのみを抽出することができる。
【００３０】
例えば、図６に示す撮像画像では、車両６１とともに車両６１に照射された投光パターンのドットＤが５個撮像されている。この撮像画像に同期検波を行うことによって、車両６１を除去して５個のドットＤのみを抽出することができる。
【００３１】
こうして投光パターンのみが抽出された撮像画像が検出されると、次にステップＳ１０５において、距離範囲特定部６は記憶部５に格納されている距離別計測パターンを読み出して撮像画像と距離別計測パターンとを比較して一致するか否かを判定する。
【００３２】
例えば、図７（ａ）に示すように、まず距離範囲Ｒ１における距離別計測パターンＢ１と図６の撮像画像から抽出された５個のドットＤとを比較すると、５個のドットのうち２個は移動軌跡Ｓに一致しているが、３個は一致していないので、距離範囲特定部６は不一致と判定する。次に、図７（ｂ）に示すように距離範囲Ｒ２における距離別計測パターンＢ２と５個のドットＤとを比較すると、５個のドットすべてが距離別計測パターンの移動軌跡Ｓと一致しているので、ステップＳ１０６に移行して距離範囲特定部６は距離範囲がＲ２であると特定する。尚、図７（ｃ）に示すように距離範囲Ｒ３における距離別計測パターンＢ３と５個のドットＤは一致していない。
【００３３】
この比較において、従来では不規則な投光パターンと撮像画像とが一致するか否かを判定するために、撮像画像と投光パターンの位置をずらして繰り返し照合しなければ判定できなかった。しかしながら、本実施形態では、撮像画像と距離別計測パターンとを単に重ね合わせるだけで照合することが可能なので、距離計測処理を実行する際の処理負担を軽減できるとともに処理時間を短縮することができる。
【００３４】
こうして距離範囲が特定されると、ステップＳ１０７において、位置特定部７は距離別計測パターンの移動軌跡上において、撮像画像のドット位置がどこに位置しているかを判定して計測対象物の位置を特定する。
【００３５】
例えば、図８に示すようにドットＤが距離別計測パターンの移動軌跡８１上において最も右側に位置している場合には、計測対象物は距離範囲Ｒ２の最も遠い位置に存在していることになる。また、移動軌跡８１上において最も左側に位置している場合には計測対象物は距離範囲Ｒ２の最も近い位置に存在していることになり、移動軌跡８１上において中間に位置している場合には計測対象物は距離範囲Ｒ２の中間に存在していることになる。
【００３６】
このようにして計測対象物の位置が特定されると、位置特定部６は、投光部２による投光パターンの照射方向θｐと撮像部３による計測対象物の撮像方向θｃを検出して出力する。図９は投光部２と撮像部３と計測対象物９１との間の位置関係を示した図であり、照射方向θｐと撮像方向θｃは図９に示す角度となる。
【００３７】
次に、ステップＳ１０８において、距離算出部８は、位置特定部７で特定された計測対象物の位置に基づいて計測対象物までの距離を算出する。具体的に説明すると、照射方向をθｐ、撮像方向をθｃ、投光部２と撮像部３との間の距離をｄとして、投光部２と撮像部３との間を結ぶ直線Ｘに計測対象物９１から垂線Ｙを下ろす。そして、投光部２から垂線Ｙと直線Ｘとの接点までの距離をｄｐ、撮像部３から垂線Ｙと直線Ｘとの接点までの距離をｄｃとすると、垂線Ｙの長さ、すなわち計測対象物までの距離Ｌは以下の式で表すことができる。
【００３８】
ｄ＝ｄｃ＋ｄｐ
ｄｃ＝Ｌ・ｔａｎθｃ
ｄｐ＝Ｌ・ｔａｎθｐ
したがって、この式を解くことによって、計測対象物までの距離Ｌは
Ｌ＝ｄ／（ｔａｎθｃ＋ｔａｎθｐ）
として算出することができる。
【００３９】
このようにして計測対象物までの距離が算出されると、本実施形態に係る距離計測装置１による距離計測処理は終了する。
【００４０】
［実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本実施形態に係る距離計測装置によれば、投光パターンが照射された方向を所定の距離毎に区分して距離範囲を設定しておき、計測対象物が存在する距離範囲を特定してから距離を計測するので、計測密度の低下を防止して高密度な距離計測を実現することができる。
【００４１】
また、本実施形態に係る距離計測装置によれば、投光パターンの構成として、距離別計測パターンの移動軌跡に対応した長さにエピポーラ線方向を区分して区分領域を設定し、この区分領域ではエピポーラ線と垂直な方向にドットを配置するとともに隣接する区分領域でドットの配置が同一とならないようにしたので、隣接する距離範囲における撮像画像が確実に異なったものとなり、正確に距離範囲を特定することができる。
【００４２】
さらに、本実施形態に係る距離計測装置によれば、投光部２が所定の変調周波数で投光パターンを変調して照射し、撮像部３が撮像画像を所定の変調周波数で同期検波するので、太陽光や人工光を除去して照射された投光パターンのみを抽出することができ、これによって暗い場所だけでなく明るい場所でも正確に距離を計測することができる。
【００４３】
なお、上述の実施形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外の形態であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計などに応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【００４４】
１  距離計測装置
２  投光部
３  撮像部
４  演算処理装置
５  記憶部
６  距離範囲特定部
７  位置特定部
８  距離算出部
２１  投光パターン
２２  撮像画像
６１  車両
８１  移動軌跡
９１  計測対象物
【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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【図８】
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【図９】
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