CN112014858A - 修正测距异常的距离图像生成装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供修正测距异常的距离图像生成装置。该距离图像生成装置具备：投光部，其将参照光向被摄体投影；受光部，其具有二维排列的多个像素；光学系统，其将来自被摄体的光引导到受光部；影响度计算单元，其根据多个像素中的关注像素及其周边像素的受光量来计算关注像素以及周边像素中的光学现象的影响度；受影响度计算单元，其根据影响度来计算关注像素受周边像素影响的受影响度；以及距离图像生成单元，其根据受影响度来生成到被摄体的距离图像。
Description
技术领域
本发明涉及一种距离图像生成装置，特别涉及一种修正测距异常的距离图像生成装置。
背景技术
作为测量到物体的距离的距离图像生成装置，已知根据光的飞行时间来输出距离的TOF(time of flight飞行时间)摄像机。TOF摄像机大多采用以下的相位差方式，其将以预定周期进行了强度调制的参照光照射到对象空间，根据参考光和来自对象空间的反射光之间的相位差，输出对象空间的测距值。相位差是根据反射光的受光量来求出的。
在这样的TOF摄像机中，有时会在摄像机内部(透镜、摄像元件的硅层等)引起各种光学现象而产生测距异常。例如，在拍摄白色材料、递归反射材料等强反射材料的情况下，在摄像机内部散射的光可能使测距值失真到本来应该接收的像素的周围像素。这种测距异常不仅限于强反射材料，在将透镜朝向强光源例如太阳的情况下可能发生的闪烁、鬼影等光学现象也会引起发生。另外，由于作为透镜特性的像差的影响，周边像素的测距值有时也会发生异常。
图10A和图10B表示由强反射材料引起的测距异常的一个例子。图10A表示TOF摄像机30拍摄圆柱部件31和3种背景32(黑色背景、白色背景和递归背景)的情况，图10B表示由TOF摄像机30生成的强度图像、距离图像以及其测距值。在黑色背景的情况下，虽然不影响圆柱部件31的测距值，但是在白色背景的情况下，由于是强反射材料，所以在圆柱部件31和白色背景的边界区域中会发生测距异常33。在递归背景的情况下会引起所谓的饱和，已经不能测距了。
图11A-图11C表示该测距异常的原理。如图11A所示，摄像元件34的像素α本来应该只接受路径b的光，但有时会在摄像机内部(透镜35、摄像元件34的硅层等)接受路径a的光。上述杂散光和像差等光学现象的问题是不可避免的问题，但是在图像识别领域，只能够通过图像上的亮度来判断，所以几乎没有问题。
但是，在TOF摄像机领域，为了测定光的飞行时间，若通过路径b和路径a的合成来决定像素α的受光量，则构成像素α的路径b和路径a的亮度之比成为问题。当路径a的亮度大且路径b的亮度低时，由像素α计算出的测距值会指示路径a的距离而不是路径b的距离。图11B和图11C例如分别表示在点A、点B和点C的测距位置中的来自黑色物体的贡献度以及来自白色物体的贡献度的亮度值。作为解决由上述光学现象引起的测距异常问题的现有技术，后述的文献是公知的。
日本特开2018-063157号公报中记载一种形状测量装置，具有投光部和受光部，根据接受的光生成距离图像数据，在该形状测量装置中，设定包含与对象像素对应的高度数据和与周边像素对应的高度数据的一致度以及周边像素的最大受光量的判定式，根据通过判定式得到的值来判定是否根据杂散光生成了与对象像素对应的高度数据，根据杂散光判定的结果来修正高度数据。
日本特开2014-178186号公报中记载一种使用了TOF摄像机的系统，该TOF摄像机具有投光部和受光部，根据接受的光生成距离图像，检测对检测区域的对象进行检测并输出警报(安全信号)，在该系统中，图像处理部取得受光图像和距离图像，根据受光量和距离的一次函数，计算是否是雨滴反射后的雨滴像素，判定雨滴影响像素，并根据所生成的雨滴影响图像的雨滴像素的个数来判定对象是否是噪声。
日本特开2017-181291号公报中记载一种距离测量装置，具有投光单元和受光单元，根据检测出的光来生成距离图像，在该距离测量装置中，将输入图像(距离图像)中的二维坐标上的距离较近，并且距离值大不相同的较小区域进行分组来提取区域组，并判定为太阳光的影响造成的噪声。
发明内容
鉴于现有的问题，寻求简易且高精度地修正由于杂散光或像差等各种光学现象引起的测距异常的技术。
本公开的一个方式提供一种距离图像生成装置，具备：投光部，其向被摄体投射参照光；受光部，其具有二维排列的多个像素；光学系统，其将来自被摄体的光引导到受光部；影响度计算单元，其根据多个像素中的关注像素以及其周边像素的受光量来计算关注像素以及周边像素中的光学现象的影响度；受影响度计算单元，其根据影响度来计算关注像素受周边像素影响的受影响度；以及距离图像生成单元，其根据被影响度来生成被摄体的距离图像。
附图说明
图1是一个实施方式的距离图像生成装置的框图。
图2表示一个实施方式的测距值的计算方法。
图3表示杂散光引起的测距异常。
图4表示一个实施方式的距离图像生成方法。
图5表示一个实施方式的光学现象的影响度计算方法。
图6表示一个实施方式的被影响图像的生成方法。
图7A表示不对称滤波器的一例。
图7B表示不对称滤波器的一例。
图8是表示一个实施方式的距离图像生成装置的动作的流程图。
图9是说明其他实施方式的测距异常的修正方法的说明图。
图10A表示强反射材料引起的测距异常的一例。
图10B表示强反射材料引起的测距异常的一例。
图11A表示测距异常的原理。
图11B表示测距异常的原理。
图11C表示测距异常的原理。
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本公开的实施方式。在各个附图中，对相同或类似的结构要素赋予相同或类似的标记。另外，以下所记载的实施方式不限定请求专利保护的范围所记载的发明的技术范围以及用词的意思。
图1表示本实施方式的距离图像生成装置1的结构。距离图像生成装置1具备投光部10、受光部11、光学系统12、发光摄像控制部13、A/D转换部14、存储器15和处理器16。距离图像生成装置1还可以具备显示部17。
投光部10具备发出强度调制后的参照光的光源(例如发光二极管、半导体激光器等)、将发出的参照光向被摄体O扩散的扩散板，将参照光向被摄体O投射。受光部11具备：具有二维排列的多个像素的摄像元件(例如CCD(charge-coupled device电荷耦合器件)、CMOS(compulementary metal-oxide semiconductor互补金属氧化物半导体)等)。
光学系统12具备汇聚来自被摄体O的光的聚光透镜和使参照光的波长带透过的光学滤波器，将来自被摄体O的光引导到受光部11。发光摄像控制部13具备控制投光部10的发光及受光部11的摄像的控制电路，由处理器16来控制。A/D转换部14具备将由受光部11接收到的光的受光量进行A/D转换的A/D转换器。
存储器15具备存储各种信息的存储器(例如半导体存储器、磁记录装置等)。处理器16具备控制距离图像生成装置1的整体的处理器(例如CPU(central processing unit中央处理单元)、FPGA(field-programable gate aray现场可编程门阵列)等半导体集成电路)。显示部17具备显示各种信息的显示装置(例如液晶显示器、有机EL显示器等)。
图2表示本实施方式的测距值的计算方法。受光部11在相对于参照光相位不同的多种摄像定时，例如4种摄像定时(0°、90°、180°以及270°)重复拍摄，按照每个像素取得受光量Q1、Q2、Q3以及Q4。各个像素的测距值L例如通过下述公式来求出。在下述公式中，c是光速，f是参照光的调制频率。
图3示出了由杂散光引起的测距异常。如图11A所示，摄像元件34的像素α本来应该接收路径b的光，但是有时会在装置内部(透镜，摄像元件等)接收路径a的光。由于路径b和路径a的受光量Q1、Q2、Q3以及Q4各不相同，因此由上述公式计算出的测距值L成为路径a和路径b之间的距离。为了消除路径a的影响，需要从像素α的受光量中减去像素α受到路径a的影响。
图4表示本实施方式的距离图像生成方法。测距值的计算是通过生成在相对于参照光相位不同的多种摄像定时拍摄到的相位图像(相位1图像-相位4图像)来进行的，所以需要在各个相位图像中去除光学现象的影响。考虑如果不知道路径a的测距值就不能求出路径a对各个相位图像的影响，但杂散光和像差等光学现象的影响作为图像上的模糊而出现，所以实际上根据关注像素及其周边像素的受光量来计算光学现象的影响度，并根据影响度计算关注像素从周边像素受到影响的被影响度，从而可以求出路径a对各个相位图像的影响。即，如果对于各个相位图像生成受影响度图像(相位1受影响度图像-相位4受影响度图像)，并从各个相位图像中减去受影响度图像，则可以只确定路径b的光的受光量。即，能够简单且高精度地修正由各种光学现象引起的测距异常。
各像素中的光学现象的影响度Fi例如可以用以下公式来描述。在以下公式中，A是各像素的受光量，C1是影响度系数，C2是与装置内部的个体特性(透镜特性、传感器特性等)对应的修正系数。
Fi＝C1A+C2 公式2
图5表示本实施方式的光学现象的影响度计算方法。光学现象的影响度Fi相当于图像上的模糊的强度，因此例如能够从以下公式求出上述的影响度系数C1。在下述公式中，w是浓淡边缘的扩张宽度，h是浓淡边缘的高度。
C1＝f(w，h) 公式3
影响度系数C1例如可以拍摄预先准备的预定图案的被摄体并由装置提供者来预先设定，或者也可以在装置使用中根据相位图像上的关注像素及其周边像素的受光量的分布即浓淡边缘的扩张宽度w以及高度h来求出。另外，修正系数C2可以由装置提供者根据装置内部的个体特性预先通过实验求出。
影响度Fi强烈地影响关注像素附近的像素，并且远离时会减弱，因此影响度系数C1可以通过平滑化滤波器、特别是高斯滤波器来良好地描述。另外，在其他实施方式中，也可以应用其他平滑化滤波器，例如移动平均滤波器、中值滤波器、低通滤波器等。此外，可以根据情况准备专用的滤波器，例如后述的不对称滤波器。
一般的高斯过滤器可以用以下公式来描述。在以下公式中，x和y是将滤波器中心设为(0，0)的滤波器内的位置，σ是高斯分布的标准偏差。标准偏差σ的值越大，高斯分布变得越平，平滑化(模糊)的效果越大，相反，标准偏差σ的值越小，高斯分布越变为凸状，平滑化(模糊)的效果越小。因此，标准偏差σ可以从上述公式3求出，或者由装置提供者预先设定固定值。
图6表示本实施方式的受影响度图像的生成方法。受影响度图像通过例如将5×5的高斯过滤器应用于各个相位图像而生成。
但是，杂散光或像差等光学现象的影响有时根据距离图像中心的距离或滤波器内的位置而不同，所以在实际使用中，将离开图像中心的距离(i’，j’)和滤波器内位置的权重(a，b)中至少一方的校正系数应用到高斯滤波器中的不对称滤波器更适合。不对称滤波器例如可以用以下公式来描述。在以下公式中，如果将图像内的像素位置设为(i，j)，并且将图像中心的像素位置设为(ic，jc)，则距离图像中心的距离(i’，j’)＝(i-ic，j-jc)。
图7A以及图7B表示通过上述公式生成的不对称滤波器(相当于“影响度系数”)的一例。如图7A所示，不对称滤波器20随着接近图像中心(ic，jc)，不对称性变小，随着接近图像边缘，不对称性变大。此外，还可以根据滤波器内位置的权重(a，b)使高斯分布即滤波器形状变形。由此，能够高精度地表示杂散光、像差等各种光学现象的影响度。图7B表示适用于图像周边的不对称滤波器的一例。
图8是表示本实施方式中的距离图像生成装置1的动作的流程图。当距离图像生成装置1开始动作时，在步骤S10中，在相对于参照光相位不同的多种摄像定时重复摄像，并且取得各个相位图像。各个相位图像可以存储在存储器中。
在步骤S11中，根据各相位图像中的关注像素及其周边像素的受光量来计算光学现象的影响度。即，在该步骤中，根据关注像素和周边像素的受光量的分布来生成高斯滤波等平滑化过滤器(相当于“影响度系数”)，根据影响度系数与关注像素以及周边像素的受光量之间的关系来计算影响度。但是，也可以由装置提供者预先设定平滑化滤波器(影响度系数)，并加载固定值。此外，也可以根据此时计算出的影响度生成影响度图像，并将影响度图像存储在存储器中。
在步骤S12中，根据计算出的影响度计算关注像素从周边像素受到影响的受影响度。即，在该步骤，将平滑化滤波器(相当于“影响度系数”)应用于各个相位图像，生成受影响度图像。此时，也可以将受影响度图像存储在存储器中。
在步骤S13中，从各相位图像减去受影响度图像来生成差分图像。差分图像相当于本来应该受光的相位图像。在步骤S14中，根据上述公式1的距离计算式，从各差分图像生成距离图像。此时，可以将差分图像存储在存储器中。另外，所生成的距离图像可用于控制机器人、机床、汽车等机械的控制系统、对监视区域内的物体进行监视的物体监视系统等。
虽然不是必须的，但是在步骤S15中，根据需要在显示部上显示相位图像、影响度图像、受影响度图像以及差分图像中至少一个。特别是通过显示影响度图像以及受影响度图像，更容易探究测距异常的原因。因为测距异常在受影响度大的地方变大，所以可以实施以下对策，通过确定被推测为对该场所有影响的影响度大的场所来使引起测距异常的被摄体移动。
参照图9说明另一实施方式中的测距异常的修正方法。在该实施方式中，注意与上述实施方式的不同的点在于不使用相位图像、受影响度图像、差分图像等。图9示出了关注像素E和其周边像素A、B、C、D、F、G、H、I。
测距异常的影响由受影响的关注像素E的真实距离值、赋予影响的周边像素A、B、C、D、F、G、H、I的真实距离值、关注像素以及周边像素的影响系数来决定。因此，关注像素E的测距值l可以用以下公式来记述。在以下公式中，la、lb、lc、ld、le、lf、lg、lh、li是关注像素以及周边像素的真实距离值，a、b、c、d、e、f、g、h、i是影响度系数。
如果针对真实距离值le求解上述公式，可进一步得到以下公式。在下面的公式中，由于不清楚周边像素的真实距离值la、lb、lc、ld、lf、lg、lh、li，所以在实际利用中也可以代替真实的距离值而使用周边像素的测距值。另外，影响度系数a、b、c、d、e、f、g、h、i也可以根据关注像素以及周边像素中的受光量的分布(例如上述公式3)来求出。
如上述公式那样，根据关注像素以及周边像素中的受光量的分布，计算用于计算影响度的影响度系数a、b、c、d、e、f、g、h、i，根据影响度系数与周边像素的测距值之间的关系，计算受影响度ala、blb、clc、dld、flf、glg、hlh、ili，由此可以求出关注像素E的本来的距离值le(即距离图像)。
根据上述实施方式，能够简单地确定关注像素本来应接受的光的受光量，能够高精度地修正由各种光学现象引起的测距异常。
另外，由距离图像生成装置1执行的程序也可以记录在计算机可读的非瞬态记录介质例如CD-ROM等中来提供。
在本说明书中说明了各种实施方式，但是应当认识到，本发明不限于上述实施方式，而是可以在请求专利保护的范围所记载的范围内进行各种变更。
Claims (6)
1.一种距离图像生成装置，其特征在于，
该距离图像生成装置具备：
投光部，其向被摄体投射参照光；
受光部，其具有二维排列的多个像素；
光学系统，其将来自上述被摄体的光引导到上述受光部；
影响度计算单元，其根据上述多个像素中的关注像素及其周边像素的受光量来计算上述关注像素以及上述周边像素中的光学现象的影响度；
受影响度计算单元，其根据上述影响度来计算上述关注像素受上述周边像素影响的受影响度；以及
距离图像生成单元，其根据上述受影响度来生成上述被摄体的距离图像。
2.根据权利要求1所述的距离图像生成装置，其特征在于，
上述受影响度计算单元针对在相对于上述参照光相位不同的多个摄像定时所拍摄的多个相位图像，生成基于上述受影响度的受影响度图像，上述距离图像生成单元根据上述相位图像与上述受影响度图像之间的差分图像来生成上述距离图像。
3.根据权利要求1或2所述的距离图像生成装置，其特征在于，
上述影响度计算单元根据上述影响度来生成影响度图像，上述受影响度计算单元根据上述受影响度来生成受影响度图像，上述距离图像生成装置还具备显示上述影响度图像以及上述受影响度图像中至少一个的显示单元。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的距离图像生成装置，其特征在于，
上述影响度计算单元根据上述关注像素以及上述周边像素中的受光量的分布来计算用于计算上述影响度的影响度系数。
5.根据权利要求4所述的距离图像生成装置，其特征在于，
上述影响度系数根据从图像中心到上述关注像素或上述周边像素的距离和由上述关注像素以及上述周边像素构成的区域内的位置中的至少一方来进行计算，使得以上述关注像素为中心成为不对称。
6.根据权利要求1所述的距离图像生成装置，其特征在于，
上述影响度计算单元根据上述关注像素以及上述周边像素中的受光量的分布来计算用于计算上述影响度的影响度系数，上述受影响度计算单元根据上述影响度系数与上述周边像素的测距值之间的关系来计算上述受影响度。
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