JP2012047469A - 距離計測装置及び距離計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットや車両等の移動物体に搭載しても途切れることなく常に距離を計測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は、搭載された移動物体の移動方向に投光パターンを照射する投光部２と、投光パターンが照射された方向の画像を撮像する撮像部３と、撮像部３で撮像された画像から計測対象物に照射された投光パターンのドットを抽出する照射光抽出部４と、照射光抽出部４で抽出された投光パターンの照射方位を算出する照射方位算出部５と、照射方位と撮像部３の撮像方向と投光部２と撮像部３との間の距離とを用いて幾何学的関係から計測対象物までの距離を計測する距離計測部６とを備えており、投光パターンは、移動物体の移動方向にある消失点から放射される直線上に複数のドットを配置した構成になっていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、移動物体に搭載されて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その方法に関する。

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３次元形状を計測する距離計測技術が開発されていた。

このような距離計測技術では、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カメラで撮像した２つの画像間で同じ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。

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及び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。

特開２００１−９１２３２号公報

しかしながら、上述した従来の技術では、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ていたので、ロボットや車両等の移動物体に搭載した場合には、移動物体の移動によって照射される投光パターンが計測対象物から外れてしまうことがあった。そうすると不規則な投光パターンは計測対象物と背景との間で分断されてしまうので、投光パターンの対応付けができなくなり、距離計測ができなくなってしまうという問題点があった。また、計測対象物が移動する場合でも同様に投光パターンが計測対象物に当たらなくなって距離計測ができなくなってしまうという問題点があった。

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、移動物体に搭載しても移動しながら途切れることなく正確に距離を計測することのできる距離計測装置及びその方法を提供することを目的とする。

本発明に係る距離計測装置は、搭載された移動物体の移動方向に投光パターンを照射する投光部と、投光パターンが照射された方向の画像を撮像する撮像部と、撮像部で撮像された画像から計測対象物に照射された投光パターンのドットを抽出する照射光抽出部と、照射光抽出部で抽出された投光パターンの照射方位を算出する照射方位算出部と、照射方位と撮像部の撮像方向と投光部と撮像部との間の距離とを用いて幾何学的関係から計測対象物までの距離を計測する距離計測部とを備えており、照射される投光パターンが、移動物体の移動方向にある消失点から放射される直線上に複数のドットが配置された構成となっていることにより、上述した課題を解決する。

本発明に係る距離計測装置及び距離計測方法によれば、消失点から放射される直線上に複数のドットを配置した投光パターン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ので、ロボットや車両等の移動物体に搭載したとしても途切れることなく常に距離を計測することができる。

本発明を適用した第１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。 本発明を適用した第１実施形態に係る距離計測装置を車両に搭載した場合の一例を示す図である。 本発明を適用した第１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。 本発明を適用した第１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。 本発明を適用した第１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。 本発明を適用した第２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。 本発明を適用した第２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。 本発明を適用した第２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。

以下、本発明を適用した第１及び第２実施形態について図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
［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、複数のドットが配置された投光パターンを照射する投光部２と、投光パターンが照射された方向の画像を撮像する撮像部３と、撮像部３で撮像された画像から計測対象物に照射された投光パターンのドットを抽出する照射光抽出部４と、照射光抽出部４で抽出された投光パターンの照射方位を算出する照射方位算出部５と、計測対象物までの距離を計測する距離計測部６とを備えている。

ここで、本実施形態に係る距離計測装置１は、ロボットや車両等の移動物体に搭載されており、計測対象物に照射された投光パターンを撮像部３で撮像し、投光パターンが照射された照射方位と撮像部３の撮像方向と投光部２と撮像部３との間の距離とを用いて幾何学的関係から計測対象物までの距離を計測するものである。

投光部２は、複数のドットが配置された投光パターンを生成する投光パターン生成部２１と、投光パターンの照射／非照射を制御する投光パターン制御部２２と、投光パターンを計測対象物へ照射する投光器２３とを備えている。そして、照射される投光パターンは、移動物体の移動方向にある消失点から放射される直線上に複数のドットが配置された構成となっている。

投光パターン生成部２１は、投光器２３及び撮像部３の配置に基づいて予め作成された投光パターンをメモリ等の記憶装置から読み出して投光パターン制御部２２へ送信している。

投光パターン制御部２２は、投光パターンの照射／非照射を制御するための照射制御信号を出力して投光器２３を制御している。

投光器２３は、投光パターンを照射するための発光装置であり、投光パターンを移動物体の移動方向に照射している。

撮像部３は、移動物体の移動方向の画像を撮像するビデオカメラ等であり、投光パターンが照射される領域の画像を連続的に撮像している。

照射光抽出部４は、投光パターン制御部２２から出力される照射制御信号に基づいて、撮像部３で撮像された画像の画像輝度値が明るく変化している領域を投光パターンとして抽出する。

照射方位算出部５は、照射光抽出部４で抽出された投光パターンのドットと投光パターン生成部２１で生成された投光パターンとを比較して、計測対象物に照射された投光パターンのドットがどの方位に照射されたドットであるかを求めて照射方位を算出している。

距離計測部６は、計測対象物に照射された投光パターンの照射方位と撮像部３の撮像方向と投光器２３と撮像部３との間の距離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計測している。

次に、図２を参照して本実施形態に係る距離計測装置１を構成する各部の配置を説明する。図２に示すように、本実施形態に係る距離計測装置１を移動物体の一例として車両に搭載した場合に、投光器２３はドアミラーに組み込まれており、車両前方に向けて複数のドットで構成された投光パターンを照射している。撮像部３は投光器２３の横に設置され、投光器２３と一緒にドアミラーに組み込まれている。そして、撮像部３は、車両前方を連続的に撮像し、投光器２３から照射された投光パターンによって照らされた領域を撮像する。演算ユニット２５は車室内に配置され、以下で説明する距離計測処理等の処理を実施して投光パターンが照射された計測対象物までの距離を計測する。

尚、図２では車両に搭載した場合を例として説明しているが、車両でなくてもロボット等でもよく、空間を移動する移動物体であれば、本実施形態に係る距離計測装置１を搭載することは可能である。

［距離計測処理の手順］
次に、本実施形態に係る距離計測装置１による距離計測処理の手順を図３のフローチャートを参照して説明する。

図３に示すように、ステップＳ１０１において、投光器２３及び撮像部３の配置に合わせて予め作成された投光パターンをメモリ等の記憶装置から読み込んで生成する。

ここで、本実施形態の投光パターンを、図４を参照して説明する。図４に示すように、投光パターンは、移動物体の移動方向にある消失点から放射される複数の直線上に複数の特定用ドットが配置された構成となっており、図４では上下の三角模様（▼、▲）や四角模様（■）などのさまざまな形状の特定用ドットで構成されている。このように特定用ドットを消失点方向から放射される直線上に並べたことによって、車両が移動したとしても計測対象物にドット光が順次照射されることになる。

また、特定用ドットは、色や形状等を相違させて撮像部３で撮像したときにそれぞれ弁別可能な唯一のパターンとなっている。図４では、上下の三角模様（▼、▲）や四角模様（■）、丸模様（●）を始め、さまざまな形状の特定用ドットが配置されており、すべての特定用ドットがそれぞれ弁別可能な唯一のパターンとなっている。このようにすべての特定用ドットを弁別可能な唯一のパターンで構成したことにより、計測対象物に照射されたドット光がどの方位に照射されたドット光であるかを弁別し、撮像した画像から照射方位及び撮像方向を算出することができる。

次に、ステップＳ１０２では、ステップＳ１０１で生成された投光パターンを投光器２３のランプを点灯させて移動物体の移動方向に向かって照射する。そして、投光パターンが照射されると、ステップＳ１０３において投光パターンが照射された状態の画像を撮像部３が撮像する。

次に、ステップＳ１０４において投光器２３を消灯すると、ステップＳ１０５では投光パターンが照射されていない状態の画像を撮像部３が撮像する。こうして投光パターンが照射された画像と照射されていない画像が撮像されると、ステップＳ１０６において投光パターンが照射されたときの画像と投光パターンが照射されていないときの画像とを比較して各画素の差分を計算する。そして、ステップＳ１０７では、ステップＳ１０６で算出された差分に基づいて計測対象物に当たって反射した投光パターンの特定用ドットを抽出する。

ここで、上述した処理について、図５を参照して説明する。図５は、図４で示した投光パターンを車両から照射した場合に、特定用ドットが計測対象物に照射されている様子を説明するための図である。図５では、時刻Ｔ０から時刻Ｔ５までの間に移動する車両と計測対象物との間の相対的位置関係を示しており、時刻Ｔ０では投光パターンの最上段にある上三角模様（▲）が計測対象物に照射され、次に時刻Ｔ３では投光パターンの中段にある四角模様（■）が計測対象物に順次照射されている。そして、時刻Ｔ５では投光パターンの下段にある丸模様（●）が計測対象物に順次照射されている。これは、投光器２３の車両取り付け位置と車両の動きにより、投光面上において計測対象物の動く方向が決まるためであり、特定用ドットを消失点から放射される直線上に並べたことにより、移動物体が移動することによって順次特定用ドットが計測対象物に照射されることになる。

次に、ステップＳ１０８において、ステップＳ１０７で抽出された特定用ドットを弁別して特定用ドットの照射方位を算出する。各特定用ドットはそれぞれ異なる形状をしているので、容易に弁別して照射方位を算出することができる。このように撮像した画像から特定用ドットの照射方位を算出できるので、途切れのない距離計測が可能となる。

こうして照射方位が算出されると、ステップＳ１０９では、撮像された画像位置から特定用ドットの撮像方向を算出し、この撮像方向とステップＳ１０８で算出した照射方位と、投光器２３と撮像部３との間の幾何学的配置から三角測量によって距離を計測する。

具体的に説明すると、照射方位がθｃ、撮像方向がθｐ、撮像部３と投光器２３との間の距離をｄとして、撮像部３と投光器２３との間を結ぶ直線Ａに計測対象物から垂線Ｂを下ろす。そして、投光器２３から垂線Ｂと直線Ａとの接点までの距離をｄｃ、撮像部３から垂線Ｂと直線Ａとの接点までの距離をｄｐとすると、垂線Ｂ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。

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を算出することができる。

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。

［第１実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した第１実施形態に係る距離計測装置によれば、消失点から放射される直線上に複数の特定用ドットを配置した投光パターン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ので、本距離計測装置をロボットや車両等の移動物体に搭載しても計測対象物にドット光が順次照射され、途切れることなく常に距離を計測することができる。

また、本距離計測装置によれば、特定用ドットがそれぞれ弁別可能な唯一のパターンで構成されているので、計測対象物に照射されたドット光を確実に弁別することが可能となり、正確に計測対象物までの距離を計測することができる。

［第２の実施形態］
次に、本発明を適用した第２実施形態について図面を参照して説明する。尚、本実施形態に係る距離計測装置の構成は上述した第１実施形態と同様なので、詳細な説明は省略する。

［距離計測処理の手順］
本実施形態に係る距離計測装置による距離計測処理の手順を図６のフローチャートを参照して説明する。

図６に示すように、ステップＳ２０１において、投光器２３及び撮像部３の配置に合わせて予め作成された投光パターンをメモリ等の記憶装置から読み込んで生成する。

ここで、本実施形態の投光パターンを、図７を参照して説明する。図７に示すように、本実施形態の投光パターンは、第１実施形態で説明した特定用ドットに加えて計測用ドットをさらに配置した構成となっている。

図７に示すように、計測用ドットは、特定用ドットのそれぞれに対して複数配置されており、消失点から放射される直線上に配置され、撮像部３で撮像される画像の単位画素の大きさを有している。例えば、図７では１つの特定用ドットＴに対して計測用ドットＳ１〜Ｓ６の６個が配置されている。また、計測用ドットＳは特定用ドットＴの下方に少なくとも１つ配置され、特定用ドットＴの幅Ｗは計測用ドットＳが少なくとも２つ入る幅を有している。

次に、ステップＳ２０２では、ステップＳ２０１で生成された投光パターンを投光器２３のランプを点灯させて移動物体の移動方向に向かって照射する。そして、投光パターンが照射されると、ステップＳ２０３において投光パターンが照射された状態の画像を撮像部３が撮像する。

次に、ステップＳ２０４において投光器２３を消灯すると、ステップＳ２０５では投光パターンが照射されていない状態の画像を撮像部３が撮像する。こうして投光パターンが照射された画像と照射されていない画像が撮像されると、ステップＳ２０６において投光パターンが照射されたときの画像と投光パターンが照射されていないときの画像とを比較して各画素の差分を計算する。そして、ステップＳ２０７では、ステップＳ２０６で算出された差分に基づいて、計測対象物に当たって反射した投光パターンを抽出する。

次に、ステップＳ２０８では抽出された投光パターンを構成するドット光を大きさによって特定用ドットと計測用ドットとに弁別する。

ここで、上述した処理について、図８を参照して説明する。図８は、図７で示した投光パターンを車両から照射した場合に、投光パターンが計測対象物に照射されている様子を説明するための図である。図８では、時刻Ｔ０から時刻Ｔ２まで車両が移動した場合に、直立した計測対象物８０に投光パターンが照射されている様子を示している。時刻Ｔ０では特定用ドットＴと計測用ドットＳ１、Ｓ２が計測対象物８０に照射されており、時刻Ｔ１では特定用ドットＴの一部が計測対象物８０から外れて計測用ドットＳ１〜Ｓ３が計測対象物８０に順次照射されている。そして、時刻Ｔ２では特定用ドットＴと計測用ドットＳ１が計測対象物８０から外れて計測用ドットＳ２〜Ｓ４が計測対象物８０に順次照射されている。

上述したように、特定用ドットと計測用ドットが順次計測対象物に照射され、計測対象物で反射した特定用ドットと計測用ドットが弁別されると、ステップＳ２０９ではステップＳ２０８で弁別された特定用ドット及び計測用ドットについて、１フレーム前の特定用ドット及び計測用ドットとの同定処理を行う。

具体的に説明すると、抽出された特定用ドットが１フレーム前の画像のどの位置に撮像されていたかを特定して対応付けを行い、特定用ドットの推移を追跡する。このとき特定用ドットは弁別可能な唯一のパターンで形成されているので、１フレーム前の画像に撮像されている特定用ドットを特定することができる。そして、特定用ドットが特定されると、 次に特定用ドットからの順番によって計測用ドットのそれぞれを弁別して特定する。そして、ステップＳ２０８で弁別された計測用ドットが１フレーム前の画像のどの位置に撮像されていたかを特定して対応付けを行い、計測用ドットの推移を追跡する。

次に、ステップＳ２１０において、ステップＳ２０９で対応付けられた計測用ドットの照射方位を算出して照射方位情報として保持する。このとき新たに観測された計測用ドットは消失点方向にある隣の計測用ドットあるいは上に存在する特定用ドットによって照射方位を特定して保持する。

こうして照射方位が算出されると、ステップＳ２１１では、撮像された画像位置から計測用ドットの撮像方向を算出し、この撮像方向とステップＳ２１０で算出した照射方位と、投光器２３と撮像部３との間の幾何学的配置から三角測量によって距離を計測する。

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による距離計測処理は終了する。

［第２実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した第２実施形態に係る距離計測装置によれば、撮像部で撮像される画像の単位画素の大きさを有する計測用ドットをさらに含み、計測用ドットは特定用ドットのそれぞれに対して複数配置されているので、特定用ドットが計測対象物に分断して照射されるような場合でも、計測用ドットが計測対象物に必ず照射され、これによって途切れることなく常に距離を計測することができる。

また、本距離計測装置によれば、特定用ドットは計測用ドットが少なくとも２つ入る幅を有し、特定用ドットの下方に少なくとも１つ計測用ドットが配置されているので、特定用ドットの位置に基づいて特定用ドットの下方に配置された計測用ドットの位置を特定することができ、これによって正確に計測対象物までの距離を計測することができる。

さらに、本距離計測装置によれば、ドットの大きさによって特定用ドットと計測用ドットとを弁別し、特定用ドットからの順番によって計測用ドットのそれぞれを弁別して各計測用ドットが照射された照射方位を算出するので、それぞれの計測用ドットの位置を特定することができ、これによって正確に計測対象物までの距離を計測することができる。

なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施の形態に限定されることはなく、この実施の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。

１ 距離計測装置
２ 投光部
３ 撮像部
４ 照射光抽出部
５ 照射方位算出部
６ 距離計測部
２１ 投光パターン生成部
２２ 投光パターン制御部
２３ 投光器
２５ 演算ユニット
８０ 計測対象物

Claims (6)

1. 移動物体に搭載されて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、
   前記移動物体の移動方向にある消失点から放射される直線上に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照射された方向の画像を撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段で撮像された画像から前記計測対象物に照射された前記投光パターンのドットを抽出する照射光抽出手段と、
   前記照射光抽出手段で抽出された前記投光パターンのドットから前記投光パターンのドットが照射された照射方位を算出する照射方位算出手段と、
   前記照射方位と前記撮像手段の撮像方向と前記投光手段と前記撮像手段との間の距離とを用いて幾何学的関係から前記計測対象物までの距離を計測する距離計測手段と
   を備えていることを特徴とする距離計測装置。
2. 前記消失点から放射される直線上に配置された複数のドットは、それぞれ弁別可能な唯一のパターンで構成された特定用ドットであることを特徴とする請求項１に記載の距離計測装置。
3. 前記消失点から放射される直線上に配置された複数のドットは、前記撮像手段で撮像される画像の単位画素の大きさを有する計測用ドットをさらに含み、前記計測用ドットは前記特定用ドットのそれぞれに対して複数配置されていることを特徴とする請求項２に記載の距離計測装置。
4. 前記特定用ドットは前記計測用ドットが少なくとも２つ入る幅を有し、前記計測用ドットは前記特定用ドットの下方に少なくとも１つ配置されていることを特徴とする請求項３に記載の距離計測装置。
5. 前記照射方位算出手段は、ドットの大きさによって前記特定用ドットと前記計測用ドットとを弁別し、前記特定用ドットからの順番によって前記計測用ドットのそれぞれを弁別して、弁別された前記計測用ドットが照射された照射方位を算出することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の距離計測装置。
6. 移動物体と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、
   前記移動物体の移動方向にある消失点から放射される直線上に複数のドットを配置した投光パターンを、前記移動物体に設置された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照射された方向の画像を前記移動物体に設置された撮像手段から撮像する撮像ステップと、
   前記撮像ステップで撮像された画像から前記計測対象物に照射された前記投光パターンのドットを抽出する照射光抽出ステップと、
   前記照射光抽出ステップで抽出された前記投光パターンのドットから前記投光パターンのドットが照射された照射方位を算出する照射方位算出ステップと、
   前記照射方位と前記撮像手段の撮像方向と前記投光手段と前記撮像手段との間の距離とを用いて幾何学的関係から前記計測対象物までの距離を計測する距離計測ステップと
   を含むことを特徴とする距離計測方法。

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