(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
路面の所定範囲に向けて光を照射する光照射手段と、
前記光照射手段の前面に配置され、前記光照射手段から路面に照射される光を偏光する第１の偏光フィルタと、
前記路面の所定範囲を撮像する第１の撮像手段及び第２の撮像手段と、
前記第１の撮像手段の前面に配置され、前記路面からの反射光を前記第１の偏光フィルタの偏光方向と同じ方向に偏光して該第１の撮像手段に導く第２の偏光フィルタと、
前記第２の撮像手段の前面に配置され、前記路面からの反射光を前記第１の偏光フィルタの偏光方向に直交する方向に偏光して該第２の撮像手段に導く第３の偏光フィルタと、
前記光を照射した場合と前記光を照射しない場合との差分画像のデータを、前記第１の撮像手段及び前記第２の撮像手段により取り込んで、前記差分画像のデータの空間周波数分布をそれぞれ計算する周波数分析手段と、
当該空間周波数分布それぞれについて前記路面上の粒子に相当する周波数帯域におけるパワースペクトルを計算し、これらの互いの偏差を計算する偏差計算手段と、
当該偏差が予め定めた閾値以下であれば、路面が乾燥している状態と判別する路面判別手段と、
を備えてなる路面判別装置。
【請求項２】
路面の所定範囲に向けて光を照射する光照射手段と、
前記光照射手段の前面に配置され、前記光照射手段から路面に照射される光を偏光する第１の偏光フィルタと、
前記路面の所定範囲を撮像する撮像手段と、
前記路面からの反射光を前記第１の偏光フィルタの偏光方向と同じ方向に偏光する第２の偏光フィルタと、
前記路面からの反射光を前記第１の偏光フィルタの偏光方向に直交する方向に偏光する第３の偏光フィルタと、
前記第２の偏光フィルタと前記第３の偏光フィルタのそれぞれを、前記撮像手段の前面に移動させることで該撮像手段の前面に位置する偏光フィルタの切替を可能にする偏光フィルタ切替手段と、
前記光を照射した場合と前記光を照射しない場合との差分画像のデータを、前記第２の偏光フィルタと前記第３の偏光フィルタを切り替えてそれぞれ前記撮像することにより取り込んで、前記差分画像のデータの空間周波数分布をそれぞれ計算する周波数分析手段と、
当該空間周波数分布それぞれについて前記路面上の粒子に相当する周波数帯域におけるパワースペクトルを計算し、これらの互いの偏差を計算する偏差計算手段と、
当該偏差が予め定めた閾値以下であれば、路面が乾燥している状態と判別する路面判別手段と、
を備えてなる路面判別装置。
【請求項３】
路面の所定範囲に向けて光を照射する第１の光照射手段及び第２の光照射手段と、
前記第１の光照射手段の前面に配置され、路面の所定範囲に向けて照射する光を偏光する第１の偏光フィルタと、
前記第２の光照射手段の前面に配置され、路面の所定範囲に向けて照射する光を、前記第１の偏光フィルタの偏光方向に直交する方向に偏光する第２の偏光フィルタと、
前記路面の所定範囲を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段の前面に配置され、前記第１の偏光フィルタと同じ方向に偏光する第３の偏光フィルタと、
前記第１の光照射手段の駆動と第２の光照射手段の駆動を切り替える光照射手段切替手段と、
前記光を照射した場合と前記光を照射しない場合との差分画像のデータを、前記第１の光照射手段と前記第２の光照射手段を切り替えてそれぞれ前記撮像することにより取り込んで、前記差分画像のデータの空間周波数分布をそれぞれ計算する周波数分析手段と、
当該空間周波数分布それぞれについて前記路面上の粒子に相当する周波数帯域におけるパワースペクトルを計算し、これらの互いの偏差を計算する偏差計算手段と、
当該偏差が予め定めた閾値以下であれば、路面が乾燥している状態と判別する路面判別手段と、
を備えてなる路面判別装置。
【請求項４】
路面の所定範囲に向けて光を照射する光照射手段と、
前記光照射手段から路面に照射される光を偏光する第１の偏光フィルタと、
前記光照射手段から路面に照射される光を、前記第１の偏光フィルタの偏光方向に直交する方向に偏光する第２の偏光フィルタと、
前記第１の偏光フィルタと前記第２の偏光フィルタのそれぞれを、前記光照射手段の前面に移動させることで該光照射手段の前面に位置する偏光フィルタの切替を可能にする偏光フィルタ切替手段と、
前記路面の所定範囲を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段の前面に配置され、前記第１の偏光フィルタと同じ方向に偏光する第３の偏光フィルタと、
前記光を照射した場合と前記光を照射しない場合との差分画像のデータを、前記第１の偏光フィルタと前記第２の偏光フィルタを切り替えてそれぞれ前記撮像することにより取り込んで、前記差分画像のデータの空間周波数分布をそれぞれ計算する周波数分析手段と、
当該空間周波数分布それぞれについて前記路面上の粒子に相当する周波数帯域におけるパワースペクトルを計算し、これらの互いの偏差を計算する偏差計算手段と、
当該偏差が予め定めた閾値以下であれば、路面が乾燥している状態と判別する路面判別手段と、
を備えてなる路面判別装置。
【請求項５】
前記光照射手段は、
レーザ光を発光するレーザ発光手段と、
前記レーザ光を前記路面上の車両進行方向に長い矩形状の平行光にするコリメートレンズと、
前記矩形状の平行光を、前記路面の横断方向に沿って移動可能に誘導するポリゴンミラーと、を備え
前記撮像手段は、そのシャッタ開放時間をレーザ光の１走査時間以上に設定した請求項１、２のいずれかに記載の路面判別装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動車等が走行する道路において、路面上の水分の有無や凍結状態など、路面状態の判別を行う路面判別装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
寒冷地等では、道路の除雪や除雪剤散布を判断するために路面判別装置が必要とされている。従来の路面判別装置には、次のものが提案されている。
【０００３】
（１）特開平１０−２２１０４２号公報「路面状態判別装置」
道路上方に、路面に光を投光する投光手段と路面の所定範囲の撮像を行う撮像手段を配置し、投光手段で投光することにより得られる画像データを分析して光量分布や空間周波数分布を求め、これに基づいて路面状態を判別する。
【０００４】
（２）特開平６−２８２７９１号公報「路面状態観測表示システム」
直線偏光したｓ偏光光を路面に対して斜めに入射し、路面からの反射光からｓ偏光成分とｐ偏光成分を取り出して、それぞれの光量の比に基づいて路面状態を判別する。
【０００５】
（３）特開平８−３２７５４２号公報「路面積雪検出装置」
自然光による路面の所定範囲の撮像を行い、それにより得られる画像データを分析して路面状態を判別する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の装置では、次の欠点がある。
【０００７】
（１）特開平１０−２２１０４２号公報「路面状態判別装置」
路面からの反射光をそのまま分析しているだけであるため、光源の光量変化や測定箇所での明度の変化等の環境変化による測定の安定性を確保できない。
【０００８】
（２）特開平６−２８２７９１号公報「路面状態観測表示システム」
路面の一点においての状態判別しか行わないため、誤判別を避けられない。例えば、投光点が湿潤状態であれば、正反射光は受光素子に届かないため、受光素子ではｓ偏光成分とｐ偏光成分との強度がともに小さくなり、湿潤状態を乾燥状態と誤判別することになる。
【０００９】
（３）特開平８−３２７５４２号公報「路面積雪検出装置」
光源を持たないため、画像の一部に影があった場合、その影響により誤判別する可能性がある。特に、日中は、日向と日陰では照度が１００倍も異なるため、画像では、路面の画像模様よりも影の模様の方が明らかに大きくなり、誤判別の可能性が高まる。
【００１０】
この発明の目的は、高精度で、環境が変化しても測定の安定度が高く、設置も容易な路面判別装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の課題を解決するために次のように構成したものである。
【００１２】
（１）路面の所定範囲に向けて光を照射する光照射手段と、
前記光照射手段の前面に配置され、前記光照射手段から路面に照射される光を偏光する第１の偏光フィルタと、
前記路面の所定範囲を撮像する第１の撮像手段及び第２の撮像手段と、
前記第１の撮像手段の前面に配置され、前記路面からの反射光を前記第１の偏光フィルタの偏光方向と同じ方向に偏光して該第１の撮像手段に導く第２の偏光フィルタと、
前記第２の撮像手段の前面に配置され、前記路面からの反射光を前記第１の偏光フィルタの偏光方向に直交する方向に偏光して該第２の撮像手段に導く第３の偏光フィルタと、
前記光を照射した場合と前記光を照射しない場合との差分画像のデータを、前記第１の撮像手段及び前記第２の撮像手段により取り込んで、前記差分画像のデータの空間周波数分布をそれぞれ計算する周波数分析手段と、
当該空間周波数分布それぞれについて前記路面上の粒子に相当する周波数帯域におけるパワースペクトルを計算し、これらの互いの偏差を計算する偏差計算手段と、
当該偏差が予め定めた閾値以下であれば、路面が乾燥している状態と判別する路面判別手段と、
を備えてなることを特徴とする。
この発明では、路面に光を照射する光照射手段を設けることにより、昼夜を問わず、安定して路面判別を可能とする。なぜなら、前記第１の撮像手段と、前記第１の撮像手段のそれぞれの撮像において、前記光を照射しない場合の画像それぞれから、光を照射しない場合の画像をそれぞれ差し引いてスペクトル解析を行っているからである。また、投光される光を直線偏光する偏光フィルタを投光側と受光側に設け、ｓ偏光（直角偏光）された（又はｐ偏光（平行偏光）された）光に対し、受光側では、ｓ偏光とｐ偏光のフィルタを設ける。なお、ｓ偏光とｐ偏光は、相互に直交する方向に偏光する関係となる。そして、２つの撮像手段は、これらの偏光フィルタを通して路面の所定範囲を撮像して画像データを得る。演算手段は、これらの画像データをフーリエ変換することにより空間周波数分布（パワースペクトル）を求める。前記偏差計算手段は、２つの撮像手段でそれぞれ求めた差分画像の前記空間周波数分布それぞれについて前記路面上の粒子に相当する周波数帯域におけるパワースペクトルを計算する。これらの周波数では、観測時に路面が湿潤または凍っていれば、投光側と受光側の偏光方向が同じ方向で受光される光の方がパワースペクトルは大きくなる。特に、前記路面上の粒子に相当する周波数帯域であればこれが顕著となる。そこで、偏差計算手段は、この周波数帯域でこれらのスペクトルの互いの偏差を計算している。その結果に基づいて路面判別手段は、偏差計算手段が求めた偏差が予め定めた閾値以下であれば、路面が乾燥している状態と路面状態を判別する。この発明では、ｓ偏光とｐ偏光のフィルタを使い分けて、２つの撮像手段によりｓ偏光画像とｐ偏光画像を取り出し、これに基づいて各画像の空間周波数分布を求めているが、このようにすることで、高精度な路面判別を行うことが出来る。
【００１３】
また、この発明では、２つの撮像手段を設けていることで、それらの撮像手段で得られた画像データを同時に処理できるため、路面状態の判別時間が早くなる利点がある。
【００１４】
（２）路面の所定範囲に向けて光を照射する光照射手段と、
前記光照射手段の前面に配置され、前記光照射手段から路面に照射される光を偏光する第１の偏光フィルタと、
前記路面の所定範囲を撮像する撮像手段と、
前記路面からの反射光を前記第１の偏光フィルタの偏光方向と同じ方向に偏光する第２の偏光フィルタと、
前記路面からの反射光を前記第１の偏光フィルタの偏光方向に直交する方向に偏光する第３の偏光フィルタと、
前記第２の偏光フィルタと前記第３の偏光フィルタのそれぞれを、前記撮像手段の前面に移動させることで該撮像手段の前面に位置する偏光フィルタの切替を可能にする偏光フィルタ切替手段と、
前記光を照射した場合と前記光を照射しない場合との差分画像のデータを、前記第２の偏光フィルタと前記第３の偏光フィルタを切り替えてそれぞれ前記撮像することにより取り込んで、前記差分画像のデータの空間周波数分布をそれぞれ計算する周波数分析手段と、
当該空間周波数分布それぞれについて前記路面上の粒子に相当する周波数帯域におけるパワースペクトルを計算し、これらの互いの偏差を計算する偏差計算手段と、
当該偏差が予め定めた閾値以下であれば、路面が乾燥している状態と判別する路面判別手段と、
を備えてなる。
【００１５】
この発明では、受光側の撮像手段を１つとし、その前面に位置する偏光フィルタを、ｓ偏光用とｐ偏光用のものに切り替える偏光フィルタ切替手段を設けている。この発明では、上記（１）の発明に対し、２つのフィルタを切り替える手順が必要な分だけ路面状態の判別に要する時間が長くなるが、撮像手段が１つで良い。
【００１６】
（３）路面の所定範囲に向けて光を照射する第１の光照射手段及び第２の光照射手段と、
前記第１の光照射手段の前面に配置され、路面の所定範囲に向けて照射する光を偏光する第１の偏光フィルタと、
前記第２の光照射手段の前面に配置され、路面の所定範囲に向けて照射する光を、前記第１の偏光フィルタの偏光方向に直交する方向に偏光する第２の偏光フィルタと、
前記路面の所定範囲を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段の前面に配置され、前記第１の偏光フィルタと同じ方向に偏光する第３の偏光フィルタと、
前記第１の光照射手段の駆動と第２の光照射手段の駆動を切り替える光照射手段切替手段と、
前記光を照射した場合と前記光を照射しない場合との差分画像のデータを、
前記第１の光照射手段と前記第２の光照射手段を切り替えてそれぞれ前記撮像することにより取り込んで、前記差分画像のデータの空間周波数分布をそれぞれ計算する周波数分析手段と、
当該空間周波数分布それぞれについて前記路面上の粒子に相当する周波数帯域におけるパワースペクトルを計算し、これらの互いの偏差を計算する偏差計算手段と、
当該偏差が予め定めた閾値以下であれば、路面が乾燥している状態と判別する路面判別手段と、
を備えてなることを特徴とする。
【００１７】
この発明では、光照射手段を２つとし、その前面に位置する偏光フィルタを、各光照射手段に対してｓ偏光用とｐ偏光用のものにする。また、撮像手段は１つで、その前面にｓ偏光用またはｐ偏光用の第３の偏光フィルタを配置する。光照射手段切替手段により、２つの光照射手段の駆動を切り替えることで、ｓ偏光された光に対する画像データとｐ偏光された光に対する画像データを得て、それぞれの画像の空間周波数分布を求める。
【００１８】
（４）路面の所定範囲に向けて光を照射する光照射手段と、
前記光照射手段から路面に照射される光を偏光する第１の偏光フィルタと、
前記光照射手段から路面に照射される光を、前記第１の偏光フィルタの偏光方向に直交する方向に偏光する第２の偏光フィルタと、
前記第１の偏光フィルタと前記第２の偏光フィルタのそれぞれを、前記光照射手段の前面に移動させることで該光照射手段の前面に位置する偏光フィルタの切替を可能にする偏光フィルタ切替手段と、
前記路面の所定範囲を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段の前面に配置され、前記第１の偏光フィルタと同じ方向に偏光する第３の偏光フィルタと、
前記光を照射した場合と前記光を照射しない場合との差分画像のデータを、前記第１の偏光フィルタと前記第２の偏光フィルタを切り替えてそれぞれ前記撮像することにより取り込んで、前記差分画像のデータの空間周波数分布をそれぞれ計算する周波数分析手段と、
当該空間周波数分布それぞれについて前記路面上の粒子に相当する周波数帯域におけるパワースペクトルを計算し、これらの互いの偏差を計算する偏差計算手段と、
当該偏差が予め定めた閾値以下であれば、路面が乾燥している状態と判別する路面判別手段と、
を備えてなることを特徴とする。
【００１９】
この発明では、上記（３）の発明に対し、光照射手段を１つとし、その前面に位置する偏光フィルタを、ｓ偏光用とｐ偏光用のものに切り替える偏光フィルタ切替手段を設けている。この発明では、上記（３）の発明に対し、光照射手段が１つで良い。
（５）前記光照射手段は、
レーザ光を発光するレーザ発光手段と、
前記レーザ光を前記路面上の車両進行方向に長い矩形状の平行光にするコリメートレンズと、
前記矩形状の平行光を、前記路面の横断方向に沿って移動可能に誘導するポリゴンミラーと、を備え
前記撮像手段は、そのシャッタ開放時間をレーザ光の１走査時間以上に設定したことを特徴とする。
【００２２】
路面の所定範囲への照明光としてハロゲン照明光やＬＥＤ照明光を使用することが可能であるが、レーザ光を使用する構成にし、コリメートレンズにより前記レーザ光を前記路面上の車両進行方向に長い矩形状の平行光にするので、小型化が可能であり、設置性が向上する。また、前記ポリゴンミラーが前記矩形状の平行光を、前記路面の横断方向に沿って移動可能に誘導するので、前述のとおり小型でありながら、広範囲に光を照射できる。また、前記路面の横断方向に沿ってこの範囲を分割して路面判別することができるから、積雪時において轍部と非轍部があっても、それらの領域の状態を個別に判別することが出来る。さらに、レーザ光の飛行時間を測定して、路面までの距離を求めることが容易であり、これにより、路面上に積もった雪の積雪量（積雪深）を測定することも可能である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の第１の実施形態である路面判別装置の構成図である。
【００２５】
路面判別装置は、道路ＲＤの側方に設置された支柱６と、この支柱６から路面上方の道路横断方向に突出させたポール２により支持されるもので、ポール２には光照射手段であるハロゲンランプ等から構成される投光部１、撮像手段であるＣＣＤカメラ３ａ、３ｂが、支柱６には制御装置４が、それぞれ配備される。なお、図中、５は、投光部１とＣＣＤカメラ３ａ、３ｂとを保護するためのカバー体を示している。
【００２６】
路面判別装置は、路面の所定範囲に対して、投光部１から光を照射し、その範囲をＣＣＤカメラ３ａ、３ｂにより撮像して、得られた画像データを解析することにより、路面状態を判別する。路面の所定範囲は、図２に示すように、道路横断方向と車両進行方向に、それぞれ長さＷの範囲Ｓであり、道路ＲＤの路面状態を判別する上で充分に広い範囲であることが望ましい。投光部１から照射される光はこの範囲Ｓを充分にカバーしている。また、ＣＣＤカメラ３ａ、３ｂは、路面からの正反射光を受光出来る位置に配置されている。図１において、路面のａ地点は、投光部１からの光の路面からの正反射光をＣＣＤカメラ３ａ、３ｂで受光出来る位置である。また、ｂ地点は、投光部１からの光の路面からの正反射光をＣＣＤカメラ３ａ、３ｂで受光出来ない位置である
前記投光部１の前面には、投光レンズ１０と投光部１の光をｓ偏光（直角偏光）するｓ偏光フィルタ１１とが配置されている。
【００２７】
また、ＣＣＤカメラ３ａ、３ｂの前面には、それぞれ、受光レンズ３０、３１とｓ偏光フィルタ３１、ｐ偏光（平行偏光）フィルタ３３とが配置されている。
【００２８】
各ＣＣＤカメラ３ａ、３ｂは、各偏光フィルタ３１、３３を介して所定範囲Ｓを撮像し、その画像データを制御部４に出力する。制御部４では、入力された画像データを解析して、路面状態を判別する。
【００２９】
以上の構成で、ＣＣＤカメラ３ａの前面に配置されているｓ偏光フィルタ３１は、投光部１の前面に配置されているｓ偏光フィルタ１１と同じｓ偏光成分を通過させるフィルタであり、ＣＣＤカメラ３ｂの前面に配置されているｐ偏光フィルタ３３は、投光部１の前面に配置されているｓ偏光フィルタ１１と異なりｐ偏光成分を通過させるフィルタである。したがって、路面が偏光方向を保持する状態（湿潤状態や凍結状態）の場合、ＣＣＤカメラ３ａでは投光部１から照射されたｓ偏光成分の光をそのまま受光してｓ偏光成分の画像データを検出し、ｐ偏光フィルタ３３が前面に配置されているＣＣＤカメラ３ｂでは投光部１から照射されたｓ偏光成分の光を受光出来なくなる。また、路面が偏光方向を保持しない乾燥状態の場合、ＣＣＤカメラ３ａ、３ｂの両方でそれぞれｓ偏光成分の光とｐ偏光成分の光を受光するようになる。以上の特性を利用することで、路面状態の判別を行うことが出来る。
【００３０】
図３は、路面判別装置の電気的構成を示すブロック図である。
【００３１】
投光部１は、投光制御部１ａと、該制御部１ａで制御される光源１ｂとで構成される。制御装置４は、ＣＣＤカメラ３ａ、３ｂの撮像タイミング信号を形成するタイミング制御部４０と、同撮像タイミング信号に基づいて、ＣＣＤカメラ３ａ、３ｂで撮像された画像信号を取り込んでＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部４１と、Ａ／Ｄ変換された画像データを記憶する画像メモリ４２と、画像メモリ上のデータを処理する画像処理部４３と、全体の制御を行うＣＰＵ４４と、制御プログラムを記憶したりワークエリアを割り当てるメモリ４５と、図示を省略したホストコンピュータに接続して、路面状態判別結果等を送信する送信部４６とを備えている。
【００３２】
以上の構成において、乾燥状態と湿潤状態の画像は図４（Ａ）〜（Ｂ）に示すようになる。なお、これらの画像の撮像箇所は、正反射光がＣＣＤカメラ３ａ、３ｂに達しない図１のｂ地点である。また、画像は、光源を点灯している時としていない時の差分画像である。差分画像とすることにより、太陽光や影の影響を除去し、投光部１からの照射光による路面からの反射光に基づく画像のみを捉えることが出来る。同図において、（Ａ）は、乾燥状態のｐ偏光画像、（Ｂ）は、乾燥状態のｓ偏光画像、（Ｃ）は、湿潤状態のｐ偏光画像、（Ｄ）は、湿潤状態のｓ偏光画像を示している。すなわち、（Ａ）と（Ｃ）の画像はＣＣＤカメラ３ｂでの撮像画像であり、（Ｂ）と（Ｄ）の画像はＣＣＤカメラ３ａでの撮像画像である。
上記の画像からわかるように、路面が乾燥状態では、ｐ偏光画像とｓ偏光画像は、ほぼ同じ画像となっているのに対し、路面が湿潤状態であると、両者の画像差は大きく異なる。湿潤状態でのｓ偏光画像は、キラキラした模様が顕著であり、正反射光が多く含まれていることがわかる。路面が乾燥状態のときは、反射光の多くは拡散反射光であり、湿潤状態のときは、反射光の多くは正反射光である。また、反射時においては拡散反射の偏光方向はランダムな方向となるが、正反射は偏光方向が保たれる。したがって、湿潤状態では、ｓ偏光光が照射されてその偏光方向が保持されて正反射するため、ｓ偏光に対して偏光方向が直角なｐ偏光画像は、全体的に明度が低くなり、また、ｓ偏光画像は、ｓ偏光光がそのまま偏光方向を保持して正反射するため、キラキラした模様が表れる。なお、路面が鏡面の場合に正反射光が受光出来ないはずの路面のｂ地点で正反射光が受光される理由は、実際の湿潤状態では路面の凹凸に水滴があり、この水滴の曲面で正反射した光がＣＣＤカメラ３ａに受光されるからである。
【００３３】
画像処理部４３は、上記の画像データを一次元フーリエ変換することにより、空間周波数分布を求める。図５（Ａ）は、路面が乾燥状態の時の空間周波数分布図を示し、同図（Ｂ）は路面が湿潤状態の時の空間周波数分布図を示す。各図の横軸は周期（１／周波数。単位：［mm-1］）、縦軸はパワーである。乾燥状態では、同図（Ａ）に示すように、ｓ偏光画像とｐ偏光画像の特性は略同じである。これに対し、湿潤状態では、同図（Ｂ）に示すように、全周波数領域でｓ偏光画像のパワーがｐ偏光画像のパワーよりも大きく、特に、０．１〜０．２５［mm-1］の領域において両者の差が大きい。０．１〜０．２５［mm-1］の領域はアスファルトの石の粒の大きさ（４〜１０mm）に相当する。図４（Ｄ）に示すキラキラした模様の間隔は、このアスファルトの石の粒の大きさ（４〜１０mm）に略等しい。
【００３４】
画像処理部４３では、ｓ偏光画像データとｐ偏光画像データに対する一次元フーリエ変換結果から、上記の０．１〜０．２５［mm-1］の領域のパワースペクトル差を求め、その差がしきい値以上であれば、路面が湿潤状態であると判別し、そうでないときには乾燥状態であると判別する。
【００３５】
以上、路面の乾燥状態と湿潤状態の判別方法を示したが、路面の凍結状態のときも湿潤状態と同様の傾向が観察出来る。また、雪路面の状態では、図４の各画像に対して明度が明らかに高くなるため（白い画像）、乾燥や湿潤と区別が可能である。
【００３６】
凍結状態と湿潤状態を判別するには、以下の方法による。
【００３７】
図１のａ地点とｂ地点をカバーする範囲を所定範囲としてこの範囲に投光する。このときのＣＣＤカメラ３ａの撮像画像（ｓ偏光画像）を一次元フーリエ変換して空間周波数分布を求める。
【００３８】
図６（Ａ）は、凍結状態の時の画像、図７（Ａ）は、湿潤状態の時の画像をそれぞれ示す。また、図６（Ｂ）は、凍結状態の時の０．１〜０．２５［mm-1］の領域のスペクトル強度図、図７（Ｂ）は、湿潤状態の時の０．１〜０．２５［mm-1］の領域のスペクトル強度図を示している。
【００３９】
今、図１において、路面を鏡面と仮定すると、ＣＣＤカメラ３ａでは、ａ地点からの正反射光は受光可能であるが、ｂ地点からの正反射光は受光出来ない。凍結状態の路面は、道路上の水滴が凍ることで路面の凹凸や水滴の曲面の影響がなくなり、ほぼ平らな氷板となるから、鏡面と考えることが出来る。また、正反射のときは、路面に照射された光の偏光方向（実施形態ではｓ偏光方向）は保持されるから、ｓ偏光フィルタ３１を前面に配置したＣＣＤカメラ３ａでは、ｓ偏光画像が撮像出来る。したがって、ＣＣＤカメラ３ａでは、ａ地点の明度が高く、ｂ地点が暗い画像が得られることになる。この画像データを一次元フーリエ展開して空間周波数分布を求め、０．１〜０．２５［mm-1］の領域のスペクトル強度をプロットすると、図６（Ｂ）のように、ａ地点において同領域のパワースペクトルが高い特性となる。
【００４０】
また、路面が湿潤状態の時は、路面のｂ地点で正反射した光もＣＣＤカメラ３ａにて受光するから（その強度はａ地点よりも小さいが）、ＣＣＤカメラ３ａでは、ａ地点の明度が高く、ｂ地点もやや明度が高い画像が得られることになる。この画像データを一次元フーリエ展開して空間周波数分布を求め、０．１〜０．２５［mm-1］の領域のスペクトル強度をプロットすると、図７（Ｂ）のように、ａ地点において同領域のスペクトル強度が最も高くｂ地点に向けてなだらかに低下する特性となる。なお、空間周波数分布を求めないで、画像を適当な大きさに分割し、その強度分布を求めても、図６（Ａ）、図７（Ａ）の画像に対し、それぞれ図６（Ｂ）、図７（Ｂ）に略等しい形状のグラフが得られる。
【００４１】
ここで、ａ地点の強度で規格化して全体のパワーの和を求めると、湿潤の方が凍結に比べて大きくなる。これを利用して、湿潤状態と凍結状態を判別することが出来る。また、図６（Ｂ）、図７（Ｂ）のグラフの分散値の違いにより、分散値の大きい方を凍結状態、小さい方を湿潤状態として判別することも可能である。
【００４２】
なお、以上の説明では路面状態が均一に凍結していると仮定しているが、実路面上においても、凍結時は、路面上に水溜まりの出来るような窪みがない限り通行車両のタイヤによって轍ができることは少なく、路面上は均一に凍結していることが多い。したがって、本実施形態のように、路面が均一に凍結していると仮定しても実用上は問題がない。
【００４３】
以上の方法で路面が凍結状態が湿潤状態かを判別することが出来る。同様に、雪路面の場合においても、上記と同様な方法により、積雪状態が積雪の表面が溶けた後に再度凍った圧雪表膜状態かを判別することが出来る。すなわち、上記の方法により、ａ地点の強度で規格化して全体のパワーの和を求め、この値をしきい値と比較するとともに、画像データの明度が一定以上で路面が雪と判断されると、積雪状態または圧雪氷膜状態であると判別される。ａ地点の強度で規格化して全体のパワーの和がしきい値よりも大きければ、スペクトル強度は図７（Ｂ）のような特性となるから、積雪状態の路面であり、同パワーの和がしきい値以下であれば、スペクトル強度は図６（Ｂ）のような特性となるから、圧雪氷膜状態である。
【００４４】
画像処理部４３では、以上の方法のアルゴリズムを実行することで、路面の凍結状態、湿潤状態、積雪状態、圧雪氷膜状態を判別する。
【００４５】
本実施形態では、道路の横断方向に所定範囲を分割し、各分割領域で画像データを取得して解析するようにしている。このようにすると、積雪時において轍部と非轍部があっても、それらの領域の状態を個別に判別することが出来る。
【００４６】
図８は、積雪時における路面の所定範囲を撮像した画像例を示す。
【００４７】
この画像を、道路横断方向に沿って複数画像に分割し、各分割画像毎に画像解析を行う。同図に示す画像例では、画像の中央部分に轍部がある雪路面の画像を示しているが、道路横断方向に１１分割することで、中央の４分割画像の部分では湿潤状態と判別され、その両側の部分では積雪路面であると判別される。このように画像分割することで、道路上の轍部と非轍部を区別して判別することが可能である。なお、図８は、図４のような差分画像ではなく、轍部をわかりやすくするためＣＣＤカメラ３ａ、３ｂで撮像した直接画像を示している。
【００４８】
図９〜図１１は、以上説明した画像解析のアルゴリズムを、画像処理部43で実行するフローチャートである。
【００４９】
路面判別処理がスタートすると、ステップＳＴ１で、所定範囲の画像データを画像メモリ４２から取り込む。次に、光源点灯時の画像と非点灯時の画像の差分処理を行い、差分画像を取り出す（ステップＳＴ２）。先に述べたように、差分処理を行う事により、太陽光や影の影響を除去し、路面からの反射光に基づく画像のみを捉えることが出来る。次に、図８において説明したように道路横断方向に画像をｎ分割する（ステップＳＴ３）。以下、ステップＳＴ４、ＳＴ５において、分割画像毎に路面状態の判別のための解析を行う。全ての分割画像での解析結果がほぼ等しいかどうかを判断し（ステップＳＴ６）、ほぼ等しいと判断された場合は、轍部と非轍部とを区別して路面状態を判別する（ステップＳＴ８）。全分割画像の解析結果がほぼ等しいと判断できなかった場合には、各分割画像の多くが乾燥状態であるかどうかの判断を行い（ステップＳＴ７）、 多くの分割画像が乾燥状態であれば路面全体が乾燥状態であると判別する( ステップＳＴ９）。また、多くの分割画像が乾燥状態でなければ、ステップＳＴ１０で他の路面状態にあるかどうかの判別を行う。すなわち、ステップＳＴ１０では、路面が、湿潤、凍結、積雪、圧雪氷膜のいずれかの状態にあるかどうかの判別を行う。
【００５０】
図１０は、上記ステップＳＴ４の詳細な動作を示すフローチャートである。
【００５１】
ステップＳＴ２０では、差分画像の明るさがしきい値以上かどうかを判断する。この判断は、例えば、差分画像の画素毎の明るさを積分して、その積分値がしきい値以上がどうかで行うことができる。明るさがしきい値以上であれば、雪であると判別する( ステップＳＴ２１）。差分画像の明るさがしきい値未満であれば、図５で説明したｐ偏光画像とｓ偏光画像の空間周波数分布の差、特に０．１〜０．２５［mm-1］の領域での差を求め（ステップＳＴ２２）、その差がしきい値以上かどうかを判断する( ステップＳＴ２３）。その結果に応じて、路面が乾燥状態( ステップＳＴ２４）、または、路面が湿潤または凍結状態( ステップＳＴ２５）と判別する。
【００５２】
図１１は、上記ステップＳＴ１０の詳細な動作を示すフローチャートである。
【００５３】
ステップＳＴ３０において、図６、図７で説明したように、０．１〜０．２５［mm-1］の領域でのスペクトル強度を求める。この処理は、全分割画像で行う。ステップＳＴ３１で、正反射光入光地点（図１のａ地点）でのスペクトル強度を規格化する。次いで、規格化したスペクトル強度の全分割画像の和を求める( ステップＳＴ３２）。その和がしきい値よりも大きいかどうかの判断を行い( ステップＳＴ３３）、大きい場合には、図１０のステップＳＴ２１において路面解析結果が雪であったと判断していることを条件に（ステップＳＴ３４）積雪状態であると判別し（ステップＳＴ３５）、雪でない時には湿潤状態であると判別する（ステップＳＴ３６）。また、ステップＳＴ３３で、上記和がしきい値未満であると判断すると、図１０のステップＳＴ２１において路面解析結果が雪であったと判断していることを条件に（ステップＳＴ３７）圧雪氷膜状態であると判別し（ステップＳＴ３８）、雪でない時には凍結状態であると判別する（ステップＳＴ３９）。
【００５４】
以上の動作により、路面の状態判別が可能である。
【００５５】
図１２は、この発明の他の実施形態の路面判別装置の構成図である。
【００５６】
この路面判別装置は、図１の構成に対して、撮像手段としてＣＣＤカメラ３ａのみを用い、その前面部に切り替え可能なｓ偏光フィルタ３１、ｐ偏光フィルタ３３を配置している。したがって、撮像手段にはＣＣＤカメラ３ａが、光照射手段には投光部１が用いられる。切り替え可能なｓ偏光フィルタ３１、ｐ偏光フィルタ３３は、それぞれ、図１３に示すように１枚の回転板５０に取り付けられている。回転板５０は、図示しないモータに連結されていて、ｓ偏光フィルタ３１、ｐ偏光フィルタ３３が順番にＣＣＤカメラ３ａの前面に位置するように制御部４によって回転制御される。
【００５７】
このような構成によっても、ＣＣＤカメラ３ａにおいてｓ偏光画像とｐ偏光画像が得られるため、路面状態の判別が可能である。
【００５８】
図１４は、この発明のさらに他の実施形態の路面判別装置の構成図である。
【００５９】
この路面判別装置は、図１の構成に対して、撮像手段としてＣＣＤカメラ３ａのみを用い、光照射手段として投光部１ａ、１ｂの２つを用いている。したがって、撮像手段にはＣＣＤカメラ３ａが、光照射手段には投光部１ａ、１ｂが用いられる。ＣＣＤカメラ３ａの前面には、ｓ偏光フィルタ３１が、投光部１ａ、１ｂのそれぞれの前面には、ｓ偏光フィルタ１１、ｐ偏光フィルタ１２がそれぞれ配置される。
【００６０】
このような構成によっても、ＣＣＤカメラ３ａにおいてｓ偏光画像とｐ偏光画像が得られるため、路面状態の判別が可能である。
図１５は、この発明のさらに他の実施形態の路面判別装置の構成図である。  この路面判別装置は、図１の構成に対して、撮像手段としてＣＣＤカメラ３ａのみを用い、その前面にｓ偏光フィルタ３１を、また、光照射手段には投光部１を用い、その前面には切り替え可能なｓ偏光フィルタ１１、ｐ偏光フィルタ１２を配置している。したがって、撮像手段にはＣＣＤカメラ３ａが、光照射手段には投光部１が用いられる。切り替え可能なｓ偏光フィルタ３１、ｐ偏光フィルタ１２は、それぞれ、図１３に示すように１枚の回転板５０に取り付けられている。回転板５０は、図示しないモータに連結されていて、ｓ偏光フィルタ３１、ｐ偏光フィルタ１２が順番にＣＣＤカメラ３ａの前面に位置するように制御部４によって回転制御される。
【００６１】
このような構成によっても、ＣＣＤカメラ３ａでは、ｓ偏光画像とｐ偏光画像が得られるため、路面状態の判別が可能である。
図１６は、この発明のさらに他の実施形態の路面判別装置の構成図である。  この路面判別装置は、図１の構成に対して、光照射手段を、レーザ光で前記所定の範囲内を走査するレーザ発光手段で構成している。撮像手段は、図１の構成と同様にＣＣＤカメラ３ａ、３ｂで構成している。レーザ発光手段は、レーザ発光素子６０、コリメートレンズ６１、ｓ偏光フィルタ６２、ポリゴンミラー６３を備え、レーザ発光素子６０から出射したレーザ光をコリメートレンズ６１で平行光にして、ｓ偏光フィルタ６２でｓ偏光してからポリゴンミラー６３で走査し路面に照射する。撮像手段のＣＣＤカメラ３ａ、３ｂでｓ偏光画像とｐ偏光画像が得られるのは、図１に示す実施形態と同様である。
【００６２】
レーザ発光素子６０から発光するレーザ光はパルス点灯光とし、路面上をΔＷの間隔（Δｔはパルス点灯時間）で照射する。レーザ光のビームスポットは道路横断方向はΔＷに等しくし、道路進行方向（車両進行方向）には路面判別可能な画像が得られる大きさ以上（例えば、３００mm以上）にする。ビームスポットは、図示のように縦長になるため、場合によってはコリメートレンズ６１の後段にシリンドリカルレンズ６６を配置する。ＣＣＤカメラ３ａ、３ｂのシャッタ速度は、シャッタ開放時間がレーザ１走査時間以上なる速度とする。実際には、数１０走査時間以上とし、レーザ光の反射光がパルス点灯であることを無視できる画像を得られるようにする。なお、ｓ偏光フィルタ６２をコリメートレンズ６１の後段に設置しているが、レーザ光は、発光素子の特性上もともと偏光しているため、その特性を利用することでこの偏光素子を省略することも可能である。
【００６３】
この実施形態では、ハロゲン照明やＬＥＤ照明を使用する投光部１に代えてレーザ発光手段を用いるため、より小型化が可能であり、設置性が向上する。また、図１６に示すように、路面からの反射光をコンデンサレンズ６４を介して受光素子６５で受光し、レーザ光の飛行時間を測定することにより、路面までの距離、すなわち、雪路面では積雪深を測定することが可能である。
【００６４】
この発明のさらに他の実施形態として、図１、図１６の偏光フィルタ３１、３３に代えて偏光ビームスプリッタを用い、路面からの反射光をｓ偏光成分とｐ偏光成分の光に分離して受光するようにしても良い。偏光ビームスプリッタは、単色光のｐ偏光成分を選択的に透過し、ｓ偏光成分を反射することが出来るため、路面からの反射光を偏光ビームスプリッタに入射させ、その反射光、透過光をそれぞれＣＣＤカメラ３ａ、３ｂに入光させることで、ＣＣＤカメラ３ａ、３ｂにおいてそれぞれｓ偏光画像とｐ偏光画像を得ることが出来る。偏光ビームスプリッタを使用すれば、機械的な部分がなくなる利点がある。
次に、路面判別装置の設置調整方法について説明する。
図１８は、図１の構成において、投光部１とＣＣＤカメラ３ａ、３ｂの設置位置の調整を行うときの調整方法を示す図である。投光部１とＣＣＤカメラ３ａ、３ｂの位置は、図示しない調整部により道路横断方向と道路進行方向に位置調整が可能であり、本実施形態では、ＣＣＤカメラ３ａの位置を調整することで、それに一体的に連結されているＣＣＤカメラ３ｂの位置も調整する。また、路面の適切な位置に投光されるよう、投光部１の位置調整も行う。図１に示す構成では、投光部１の前面にｓ偏光フィルタ１１が配置されているため、同じｓ偏光フィルタ３１を前面に配置したＣＣＤカメラ３ａにおける画像データ（正反射光成分は偏光方向を保持するため、同じｓ偏光フィルタ３１を前面に配置したＣＣＤカメラ３ａにおいて、正反射光を受光することができる）を用いて、ＣＣＤカメラ３ａ、３ｂの位置調整を行う。路面からの正反射光をＣＣＤカメラ３ａにおいて受光出来る位置は、既に述べたようにａ地点である。このａ地点を含む適当な大きさの領域に光沢度の大きな板（金属板等）を置く。図１９は、このときの撮像画像である。図のｙ領域が明るく（白く）なっているが、このｙ領域が正反射光の反射領域であり、この中央位置がａ地点である。そこで、ＣＣＤカメラ３ａの画像の略中央位置にａ地点が来るようにＣＣＤカメラ３ａの位置調整を行う。また、このとき画像メモリ４２にａ地点を記憶しておくことで、図７に示す画像のａ地点の位置を高精度で特定することが出来るから、凍結状態の判別精度を高めることが出来る。なお、路面を日陰にし、上記板を拡散反射光の少ないＳＵＳ板や黒鉄板にすると、正反射光の像を示す上記ｙ領域は顕著となる。
【００６５】
また、図１９において、正反射光成分は偏光方向を保持するため、上記ｙ領域の正反射光の強度の大小で投光と受光の偏光方向がわかる。そこで、上記ｙ領域で正反射光の強度が最大となるようにｓ偏光フィルタ３１の回転位置を手動または自動で調整する。このときの回転板５０の回転角度を記憶しておいて、画像解析時における回転板５０の回転制御に用いる。
【００６６】
以上の実施形態では、制御部４において画像解析を行って路面状態の判別を行うようにしたが、制御部４から無線または有線により上位のホストに対して画像データを送信し、ホスト側で画像解析と路面状態の判別を行うことも可能である。上位のホストで路面状態の判別を行うようにすれば、１つの道路の複数箇所での画像解析を同時に行うことが出来るため、道路全体の状況分析をより的確に行うことが可能である。
【００６７】
【発明の効果】
この発明によれば、光照射手段を用いるため、昼夜を問わず、安定して路面判別を可能とし、撮像側でｓ偏光画像とｐ偏光画像を得て空間周波数分布を求めるため、正確な路面状態を判別することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】は、この発明の第１の実施形態である路面判別装置の構成図。
【図２】は、路面の所定範囲を示す図。
【図３】は、路面判別装置の電気的構成を示すブロック図。
【図４】は、乾燥状態と湿潤状態のｓ偏光画像、ｐ偏光画像を示す図。
【図５】は、乾燥状態と湿潤状態の空間周波数分布図を示す図。
【図６】は、凍結状態の時の画像とスペクトル強度を示す図。
【図７】は、湿潤状態の時の画像とスペクトル強度を示す図。
【図８】は、積雪時における路面の所定範囲を撮像した画像例。
【図９】は、画像解析のアルゴリズムを示すフローチャート。
【図１０】は、画像解析のアルゴリズムを示すフローチャート。
【図１１】は、画像解析のアルゴリズムを示すフローチャート。
【図１２】は、図１２は、この発明の他の実施形態の路面判別装置の構成図。
【図１３】は、偏光フィルタを切り替える回転板を示す図。
【図１４】は、この発明のさらに他の実施形態の路面判別装置の構成図。
【図１５】は、この発明のさらに他の実施形態の路面判別装置の構成図。
【図１６】は、この発明のさらに他の実施形態の路面判別装置の構成図。
【図１７】は、路面判別装置のレーザ照射装置の詳細図。
【図１８】は、図１の構成において、投光部１とＣＣＤカメラ３ａ、３ｂの設置位置の調整を行うときの調整方法を示す図。
【図１９】は、正反射光反射位置を示す画像例。
【図１】
0003783588.tif 000002
【図２】
0003783588.tif 000003
【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】
0003783588.tif 000009
【図９】
0003783588.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
0003783588.tif 000018
【図１８】
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【図１９】
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