CN113728246A - ToF照相机、车辆用灯具、汽车 - Google Patents

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Abstract

光源(22)照射强度呈时间性变化的脉冲状的照射光(L1)。图像传感器(24)通过连续的两次曝光，测量来自物体的反射光(L2)。运算部(30)基于由两次曝光所得到的图像传感器(24)的输出(I1、I2)，编入照射光(L1)的波形，生成距离图像(I3)。

Description

ToF照相机、车辆用灯具、汽车
技术领域
本发明涉及ToF(Time of Flight：飞行时间)照相机。
背景技术
为了自动驾驶或自动控制前照灯的配光而利用物体识别系统，其感测存在于车辆的周围的物体的位置及种类。物体识别系统包括传感器、以及解析传感器的输出的运算处理装置。传感器是从照相机、LiDAR(Light Detection and Ranging：光检测与测距、LaserImaging Detection and Ranging：激光成像检测与测距)、毫米波雷达、超声波声纳等之中，考虑用途、需要的精度或成本而选择的。
如果是一般的单眼照相机，则无法获得进深的信息。因此，位于不同距离的多个物体重合时，难以将其分离。
作为获得进深信息的照相机，公知的是ToF照相机。ToF照相机通过发光器件投射红外光，测量反射光回到图像传感器的飞行时间(迟延时间)τ，得到将飞行时间τ转换为距离信息的图像。通过式(1)表示到达物体的距离d。
d＝cτ/2…(1)
c为光速。
ToF照相机的方式大致划分为直接型和间接型。直接型是直接测量迟延时间d的方法，利用高速的TDC(Time To Digital Converter：时间数字转换器)。直接型为了获得高分辨率而需要具有高速时钟的高频器件，难以采用生成包含多个像素的图像的照相机。
因此，当前在ToF照相机中，间接型是主流。作为间接型ToF照相机的一方式，存在矩形波照射型。图1是说明矩形波照射型ToF照相机的工作原理的图。ToF照相机向物体照射矩形波的照射光。该照射光由分开距离d的物体反射，经过τ＝2d/c后，反射光入射到ToF照相机中。
ToF照相机连续进行曝光时间与照射光的脉冲宽度tw相等的两次曝光(拍摄)。
通过第一次曝光，检测反射光的脉冲宽度tw之中在先的期间t1的部分，通过第二次曝光，检测反射光的脉冲宽度tw之中后续的期间t2的部分。第一次曝光中检测到的受光量(电荷量Q1)与第二次曝光中检测到的受光量(电荷量Q2)之比与期间t1和t2成比例。因此，
t1＝tw×Q1/(Q1+Q2)
t2＝tw×Q2/(Q1+Q2)
成立。
从照射光的发光推迟td而开始第一次曝光的情况下，以式(2)表示迟延时间τ。
τ＝td+t2＝td+tw×Q2/(Q1+Q2)
若将式(2)中得到的迟延时间代入式(1)，则得到到物体的距离d。
发明内容
[发明要解决的技术问题]
本发明的发明人针对矩形波照射型的ToF照相机进行研究，最终认识到以下的课题。矩形波照射型以照射光完全为矩形波，换言之，在脉冲的照射期间tw之间，照射光的强度恒定作为前提。然而，生成时间上均匀的矩形波的照射光并不容易，若要实现这一点，光源的设计是很难的，成本升高。
本发明是在这样的状况中得到的，其一方案的例示性的目的之一在于提供一种ToF照相机，其允许照射光的波形失真。
[用于解决技术问题的方法]
本发明的一方案涉及ToF照相机。ToF照相机包括：光源，照射脉冲状的照射光，照射光的强度呈时间性变化；图像传感器，通过连续的两次曝光，测量来自物体的反射光；以及运算部，构成为根据由两次曝光所得到的图像传感器的输出，编入照射光的波形，生成距离图像。
[发明效果]
根据本发明，可以提供一种ToF照相机，其允许照射光的波形失真。
附图说明
图1是说明矩形波照射型ToF照相机的工作原理的图。
图2是实施方式的ToF照相机的框图。
图3是说明图2的ToF照相机的工作的图。
图4是实施例3的运算部的框图。
图5的(a)、(b)是说明ToF照相机的校准的图。
图6是具备ToF照相机的物体识别系统的框图。
图7是示出具备物体识别系统的汽车的图。
图8是示出具备物体检测系统的车辆用灯具的框图。
具体实施方式
(实施方式的概要)
本说明书所公开的一实施方式涉及ToF照相机。ToF照相机包括：光源，照射脉冲状的照射光，照射光的强度呈时间性变化；图像传感器，通过连续的两次曝光，测量来自物体的反射光；运算部，构成为基于由两次曝光所得到的图像传感器的输出，编入照射光的波形，生成距离图像。
根据该实施方式，在照射光不是理想的波形的情况下，可以提高测距的精度。因此，能够使光源的设计容易，可以降低光源的成本。
也可以是，运算部利用根据照射光的波形所规定的运算式，生成距离图像。
也可以是，运算部包括：距离计算部，计算照射光的强度假设为恒定时的距离；校正部，根据与照射光的波形对应的校正特性校正距离计算部算出的距离。
也可以是，通过校准获取校正特性。
(实施方式)
下面，基于优选的实施方式参照附图说明本发明。对于各附图所示的相同或同等的构成要素、部件、处理，标注相同的附图标记，适当省略重复的说明。另外，实施方式并不用于限定发明而是例示，并非实施方式记述的所有特征或其组合都是发明的本质部分。
图2是实施方式的ToF照相机20的框图。ToF照相机20包括光源22、图像传感器24、控制器26、运算部30。
光源22照射强度呈时间性变化的脉冲状的照射光L1。图像传感器24是适用于ToF照相机的传感器，通过连续的两次曝光，测量来自物体OBJ的反射光L2。图像传感器24具有多个受光元件(下面，称为像素)的阵列，被构成为针对两次曝光，分别将入射到受光元件(像素)的光转换为电荷或电流，能够将其进行累计。在不同的定时(timing)(迟延时间τ)，反射光L2入射到图像传感器24的各像素。图像传感器24生成与两次曝光对应的两张图像数据I1、I2。第一次曝光所得到的图像数据I1的各像素的像素值表示在第一次曝光中入射到该像素的反射光L2的的累计值(即累计电荷Q1)。同样地，第二次曝光所得到的图像数据I2的各像素的像素值表示在第二次曝光中入射到该像素中的反射光L2的累计值(累计电荷Q2)。
此外，也可以是，为了生成一次距离图像I3，多次重复光源22进行的照射和图像传感器24进行的曝光的组合。
运算部30构成为根据由两次曝光所得的图像传感器24的输出I1、I2，编入照射光L1的波形以生成距离图像I3。
以上为ToF照相机20的结构。接着说明其动作。图3是说明图2的ToF照相机20的动作的图。图3示出一个像素的动作。在该示例中，在照射期间tw之间，照射光L1随着时间而衰减。若不存在反射及传播引起的波形的散乱，反射光L2具有与照射光L1相同的波形。在图3中，以相同强度示出照射光L1和反射光L2，但实际上反射光L2比照射光L1衰减得更多。
通过第一次曝光，检测反射光L2之中前侧的部分t1的受光量，生成表示累计值的像素值Q1。该像素值Q1表示反射光L2的左侧的面积S1。
通过第二次曝光，检测反射光L2之中后面的部分t2的受光量，生成表示累计值的像素值Q2。该像素值Q2表示反射光L2的右侧的面积S2。
照射光L1的波形、换言之反射光L2的波形是已知的，若面积S1、S2是已知的，则可以取得时间t1、t2。而且，根据式(1)和(2)，可以计算距离d，其是至反射入射到该像素中的反射光的物体的距离。
以上为ToF照相机20的动作。根据该ToF照相机20，在照射期间tw，允许照射光L1的强度变动，并且能够正确地测量距离。另外，可以允许照射光L1的强度变动，从而能够降低光源22的成本。
接着，基于一些实施例说明运算部30的处理。
(实施例1)
在实施例1中，运算部30利用根据照射光L1的波形所规定的运算式，计算距离。
将照射光L1、进一步而言反射光L2的强度波形设定为I(t)。此外，将脉冲上升的时刻设定为t＝0。此时，通过下述的式(3)、(4)表示图3的面积S1、S2。
[式1]
Figure BDA0003316659270000051
Figure BDA0003316659270000052
I(t)为已知，tw为常数时，运算部30可以根据测量结果Q1、Q2，获得t1。
例如，考虑照射光L1以一定的斜率变化的情况。此时，以式(5)表示波形I(t)。其中，k是表示斜率的系数，具有时间的倒数的维数。
[式2]
I(t)＝I0(1-kt)…(5)
将式(2)代入式(3)、(4)进行计算，得到式(6)、(7)。
[式3]
Figure BDA0003316659270000053
Figure BDA0003316659270000054
可以由式(6)和(7)得到式(8)，并且若消掉I0，则得到t1的二次方程，即式(9)。
[式4]
Figure BDA0003316659270000055
Figure BDA0003316659270000056
求解二次方程得到式(10)。
[式5]
Figure BDA0003316659270000057
运算部30根据式(10)，可以计算时间t1。若求得t1，则迟延时间τ可以由式(11)计算。
τ＝td+t2＝td+tw－t1…(11)
而且，距离d可以由式(3)计算。
(实施例2)
在式(10)中，tw·Q1/(Q1+Q2)项仅是假设照射光L1是没有强度变化的矩形波时的时间t1’。因此，照射光L1的强度变动时的时间t1可以是作为通过校正假设没有强度变动时的时间t1’而获得的值来求得。用式(12)表示此时的校正式。其中，t1’＝0时设定为t1＝0。
[式6]
Figure BDA0003316659270000061
(实施例3)
图4是实施例3的运算部30的框图。运算部30包括距离计算部32及校正部34。距离计算部32接受图像数据I1和图像数据I2，根据对应的各像素的像素值Q1、Q2，计算该像素的距离d。该距离d的计算是将照射光L1的强度假设为一定而进行的，因此，根据式(2)及(3)进行。距离计算部32中生成的距离图像I4与现有技术的距离图像是同样的，包含波形失真引起的误差。
校正部34根据与照射光L1的波形对应的校正特性，校正距离计算部32算出的距离d，输出包含校正后的距离dc的校正后的距离图像I3。
例如，校正部34中使用的校正特性可以通过校准得到。图5的(a)、(b)是说明ToF照相机20的校准的图。校准是一边改变至物体的实际距离x，一边获取距离计算部32的输出d。图5的(a)是示出实际距离x和计算值d的关系的图。波形为理想型时，得到虚线所示的直线d＝x，但若波形失真，则如实线所示脱离直线。这样得到失真特性。
图5的(b)是示出与图5的(a)的失真特性对应的校正特性的图。图5的(a)的失真特性以d＝f(x)的函数表示时，校正特性为函数f(x)的反函数f－1(x)。
x＝f－1(d)
该校正特性被转换为多项式近似或图表，存储在校正部34中。校正部34根据校正特性，生成表示正确的距离x的校正后的距离dc。
dc＝f－1(d)
如图5的(c)所示，校正后的距离dc与实际距离x一致。
校正特性也可以是不通过校准取得，而是通过模拟计算。或者，也可以是，照射光S1的波形通过简单的函数I(t)表示的情况下，由函数I(t)求得校正特性，将其保持在校正部34中。
(用途)
说明ToF照相机20的用途。图6是具备ToF照相机410的物体识别系统400的框图。物体识别系统400包括ToF照相机410、运算处理装置420。ToF照相机410是上述的ToF照相机20，生成距离图像I3。
运算处理装置420被构成为能够根据距离图像I3，识别物体的位置及种类(范畴，类型)。运算处理装置420可以包含分类器422。运算处理装置420可以通过CPU(CentralProcessing Unit：中央处理器)或MPU(Micro Processing Unit：微处理器)、微型计算机等的处理器(硬件)与处理器(硬件)执行的软件程序的组合来实现。运算处理装置420也可以是多个处理器的组合。或者，运算处理装置420也可以仅由硬件构成。
分类器422是基于通过机械学习所生成的预测模型而实现的，判断输入的图像中所包含的物体的种类(范畴，类型)。分类器422的算法没有特别的限定，但可以采用YOLO(You Only Look Once：你只需看一次)、SSD(Single Shot MultiBox Detector：单发多边框检测器)、R-CNN(Region-based Convolutional Neural Network：基于区域的卷积神经网络)、SPPnet(Spatial Pyramid Pooling：空间金字塔池化)、Faster R-CNN、DSSD(Deconvolution-SSD：去卷积SSD)、Mask R-CNN等，或者可以采用将来开发的算法。运算处理装置420和ToF照相机410的运算部30可以在相同处理器或者相同FPGA中实现。
物体识别系统400的输出可以利用在车辆用灯具的配光控制中，也可以发送给车辆侧ECU而利用在自动驾驶控制中。
图7是示出具备物体识别系统400的汽车300的图。汽车300包括前照灯302L、302R。物体识别系统400的一部分或者全部内置于前照灯302L、302R的至少一者。前照灯302位于车身的最前端，在检测周围的物体的方面，作为ToF照相机20的设置位置是最有利的。
图8是示出具备物体检测系统210的车辆用灯具200的框图。车辆用灯具200与车辆侧ECU304一起构成灯具系统310。车辆用灯具200包括光源202、点灯电路204、光学系统206。并且，物体检测系统210设置于车辆用灯具200。物体检测系统210与上述的物体识别系统400对应，包括ToF照相机20、运算处理装置40。
运算处理装置40检测到的与物体OBJ相关的信息也可以利用在车辆用灯具200的配光控制中。具体而言，灯具侧ECU208根据运算处理装置40生成的与物体OBJ的种类和其位置相关的信息，生成适当的配光图案。点灯电路204及光学系统206工作以获得灯具侧ECU208生成的配光图案。
另外，运算处理装置40检测到的与物体OBJ相关的信息可以发送给车辆侧ECU304。车辆侧ECU可以根据该信息，进行自动驾驶。物体检测中运算处理装置40的功能也可以安装在车辆侧ECU304中。
如图7或图8所示，将ToF照相机20的光源22内置于车辆用灯具的情况下，定制该光源22以适合车辆用灯具，或者从零开始设计。此时，通过对后级的运算部30实现波形失真的校正，可以允许光源22生成的照射光L1的波形失真。因此，可以大幅缓和光源22所要求的规格，从而能够降低成本。
根据实施方式，使用具体的语句说明了本发明，但实施方式仅示出本发明的原理、应用的一个侧面，对于实施方式，在不脱离权利要求书所规定的本发明的思想的范围内，允许多种变形例或配置的变更。
[工业上的可利用性]
本发明涉及ToF(Time of Flight：飞行时间)照相机。
[附图标记说明]
20 ToF照相机
22 光源
24 图像传感器
26 控制器
30 运算部
32 距离计算部
34 校正部
L1 照射光
L2 反射光
400 物体识别系统
420 运算处理装置
422 分类器
200 车辆用灯具
202 光源
204 点灯电路
206 光学系统
300 汽车
302 前照灯
304 车辆侧ECU
310 灯具系统。

Claims (7)

1.一种ToF照相机，其特征在于，包括：
光源，照射脉冲状的照射光，所述照射光的强度呈时间性变化；
图像传感器，通过连续的两次曝光，测量来自物体的反射光；以及
运算部，被构成为基于所述由两次曝光所得到的图像传感器的输出，编入所述照射光的波形，生成距离图像。
2.根据权利要求1所述的ToF照相机，其特征在于，包括：
所述运算部利用根据所述照射光的波形而规定的运算式，生成所述距离图像。
3.根据权利要求1所述的ToF照相机，其特征在于，
所述运算部包括：
距离计算部，计算所述照射光的强度假设为恒定时的距离；以及
校正部，根据与所述照射光的波形对应的校正特性，校正所述距离计算部算出的距离。
4.根据权利要求3所述的ToF照相机，
通过校准获取所述校正特性。
5.一种车辆用灯具，其特征在于，
具备权利要求1至4的任一项所述的ToF照相机。
6.一种汽车，其特征在于，
具备权利要求1至4的任一项所述的ToF照相机。
7.根据权利要求6所述的汽车，其特征在于，
在车辆用灯具中内置所述ToF照相机的所述光源。
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