CN1888813A - 图像获取设备 - Google Patents

Abstract

图像获取设备。本图像获取设备实现了检测对象的距离、倾角和/或姿态的功能，而与图像获取设备与对象之间的距离无关，同时减小了设备的尺寸和降低了设备的成本。该设备包括：图像获取摄像机，该摄像机获取对象的图像；光投射单元，该单元将平行或近似平行于所述图像获取摄像机的光轴的各个点光投射到该对象上；检测单元，该单元根据在由所述图像获取摄像机获得的对象图像上的由所述光投射单元投射的点光的位置，来检测所述图像获取摄像机与所述对象之间的距离。

Description

图像获取设备

技术领域

本发明涉及在与对象不直接接触的情况下获取该对象的画面图像的图像获取设备。本发明具体涉及一种具有检测对象的位置(与图像获取设备的距离)、倾角和姿态的功能的图像获取设备。

背景技术

有这样一些传统的图像获取设备：在与待获取图像的对象(下文中简称为“对象”)不相接触的情况下获取该对象的图像，同时检测该对象的位置、倾角和姿态。

这样的图像获取设备具有距离传感器100，该距离传感器100使用光学三角测量技术，如图13所示。

在图13的距离传感器100中，投射激光的光源101经由透镜102将点光(激光)投射到测量对象上，并且诸如PSD(位置灵敏检测器)的光学位置传感器(下文中将简称为“位置传感器”)103对从测量对象上反射回来的光进行检测。在这种情况下，在位置传感器103与测量对象之间插入有透镜104。

在这个距离传感器100中，反射光的反射角取决于从距离传感器100到测量对象A和B的距离。这样，利用光点位置A′和B′取决于从距离传感器100到测量对象A和B的距离这一事实，根据光点位置A′和B′测得从距离传感器100到测量对象A和B的距离。

此外，例如，下述的专利文献1公开了一种距离测量装置100a，如图14(a)和图14(b)所示，作为用于测量到测量对象的距离的装置。

图14(a)和图14(b)的距离测量装置100a包括：CCD摄像机110，水平视角为α(见图14(a))，垂直视角为β(见图14(b))；一对激光光源111a和111a，设置在CCD摄像机的两侧，具有辐射角θ，用于发射辐向直角平行激光111和111；以及操作单元112。这里，CCD摄像机110具有定焦透镜110a和CCD(电荷耦合装置)111b，该CCD 111b是光/电转换器。

如图15(a)和图15(b)所示，在距离测量装置100a中，操作单元112，例如，利用从激光源111a和111a投射到测量对象C上的线性光，基于由CCD摄像机110获得的画面图像120中的测量对象C上的亮线(由于来自激光源111a和111a的光投射产生的亮线)的位置，来计算测量对象C的距离。这里，图15(b)中的检测线123到125用于检测亮线121和122的位置。

图13的距离传感器100仅具有获得测量对象的距离的功能。这样，上面说明的传统图像获取设备需要两个或多个距离传感器100来检测对象的倾角(二维信息)。此外，该设备需要三个或更多个距离传感器100来检测对象的姿态(三维信息)。在这种情况下，增大了图像获取设备的大小，并且也增加了成本。

此外，这种距离传感器100的光源不是LED(发光二极管)，其中要使用昂贵的激光源。这也增加了设备的成本。此外，位置传感器103需要检测反射光的光点位置，这也增大了该设备的大小。

而且，上面说明的图14(a)和图14(b)的距离测量装置100a也使用激光源作为用于投射线性光的光源，从而增大了成本。

这里，如果距离测量装置100a使用便宜的LED作为光源111a，由CCD摄像机110获得的图像120中的亮线的两端会变得暗淡，或者它们会是模糊且展宽的，从而无法期望会有足够好的性能。

此外，在距离测量装置100a中，各个光源111a向测量对象C投射在一个方向上具有特定展开幅度(即幅射角θ)的线性光，并且由CCD摄像机110获得的屏幕图像120中的亮线121和122的长度总是同样与测量对象C的距离无关的。

因此，例如，如图16(a)所示，如果测量对象移开，则亮线121和22会与测量对象C保持一段距离，如图16(C)所示，结果，将无法得到期望的检测。

(专利文献1)日本特开2000-230807号公报

发明内容

在考虑了前述问题的情况下，本发明的目的是提供一种图像获取设备，它具有检测对象的距离、倾角和/或姿态的功能，而与图像获取设备与对象之间的距离无关，同时减小了该设备的尺寸并降低了成本。

为了实现上述目的，根据本发明，提供了一种图像获取设备，其包括：图像获取摄像机，该摄像机获取对象的图像；光投射单元，该单元将平行或近似平行于所述图像获取摄像机的光轴的各个点光投射到对象上；以及，检测单元，该单元根据在由所述图像获取摄像机获得的对象图像上的由所述光投射单元投射的点光的位置，来检测所述图像获取摄像机与对象之间的距离。

作为优选特征，光投射单元投射三个或更多个点光，并且检测单元基于在由所述图像获取摄像机获得的对象图像上的由所述光投射单元投射的三个或更多个点光的位置，来检测所述对象相对于所述图像获取摄像机的姿态信息。在这种情况下，光投射单元最好以这样一种方式投射三个或多个点光：在所获得的图像中，从图像的参考点到三个或更多个点光的位置的方向是相互不同的。

作为另一种优选特征，光投射单元以这样一种方式投射三个或更多个点光：在所获得的图像中，由来自所述光投射单元的点光照射的、可由所述检测单元识别的各个区域与其毗邻的、由另一点光照射的区域不相干扰。

作为再另一种优选特征，检测单元从对象图像上由所述各个点光照射的区域中提取光点位置，并且根据所提取的光点位置与所获得的图像的中心点之间的距离来进行上述检测。在这种情况下，检测单元最好提取照射区域的中心点或重心点作为光点位置。

作为又一种优选特征，检测单元从所获得图像的中心点开始朝着规定的方向搜索照射区域，并且从最开始作为照射区域找到的区域中提取光点位置。

作为再一种优选特征，图像获取设备还包括：控制单元，该控制单元控制由所述图像获取摄像机进行的图像获取和由所述光投射单元进行的点光投射。控制单元控制所述图像获取摄像机，在没有来自所述光投射单元的点光照射到对象上的情况下获得对象的第一图像，并且在来自所述光投射单元的所述各个点光投射到对象上的情况下获取对象的第二图像，并且检测单元根据通过从第二图像中去除了第一图像中的亮区而得到的图像来进行上述检测。

作为一般性的特征，提供了一种图像获取设备，其包括：图像获取摄像机，该摄像机获取对象的图像；光投射单元，该单元将平行于或近似平行于所述图像获取摄像机的光轴的多个点光投射到对象上；以及，检测单元，该单元根据在由所述图像获取摄像机获得的对象图像上的多个点光的位置，来检测所述对象相对于所述图像获取摄像机的光轴的倾角。

作为另一种一般性特征，提供了一种图像获取设备，其包括：图像获取摄像机，该摄像机获取对象的图像；光投射单元，该单元将平行于或近似平行于所述图像获取摄像机的光轴的多个点光投射到对象上；以及，检测单元，该单元根据在由所述图像获取摄像机获得的对象图像上的由所述光投射单元投射的多个点光的位置，来检测(i)所述图像获取摄像机与所述对象之间的距离，以及(ii)所述对象相对于所述图像获取摄像机的光轴的倾角。

如上所述，根据本发明，基于在由图像获取摄像机获取的对象图像上的由光投射单元投射的点光的位置，检测单元检测出了(i)图像获取摄像机与对象之间的距离，和(ii)对象与图像获取摄像机10的光轴的倾角。因此，不需要单独设置用于检测图像获取摄像机与对象之间的距离的传感器(位置传感器等)，从而减小了整个设备的大小并且降低了成本。

当为现有的具有图像获取摄像机的设备添加检测对象的距离和倾角的功能时，在硬件方面，仅仅应当增加光投射单元，从而实现了尺寸减小和成本降低。

进一步地，在本发明中，由光投射单元投射的点光平行于或近似平行于图像获取摄像机的光轴。这样，只要对象沿着平行于图像获取摄像机的光轴的方向运动，则在由图像获取摄像机获得的多个图像中，在对象上的由点光照亮的亮区的位置就都是相同的。据此，在本发明的图像获取设备中，对于检测单元来说，能够可靠地检测对象的距离和倾角，而与对象离开图像获取摄像机的距离无关。

在结合附图进行阅读时，从下述的详细说明中，本发明的其它目的和进一步的特征将会显见。

附图说明

图1是根据本发明的优选实施例的图像获取设备的正视图；

图2是表示本实施例的图像获取设备的结构的示意图；

图3是用于说明本实施例的图像获取设备的光投射单元的结构的示意图；

图4是用于说明本实施例的图像获取设备的光投射单元的布置方式的示意图；

图5(a)是示意性表示根据本实施例获取对象的图像的图像获取状态的示意图；

图5(b)示出了分别表示在图5(a)的条件下由图像获取摄像机获得的画面图像的示意图；

图6是表示由根据本实施例的图像获取设备的图像获取摄像机获得的对象图像的示意图；

图7是表示由根据本实施例的图像获取设备的图像获取摄像机获得的对象图像的示意图；

图8是用于描述由根据本实施例的图像获取设备的检测单元的光点位置提取单元提取光点位置的方法的曲线图；

图9(a)和图9(b)是用于描述计算从图像获取摄像机到对象的距离的方法的示意图，该距离计算是由本实施例的图像获取设备的检测单元的距离计算单元进行的；图9(a)是示意性表示图像获取摄像机获取对象的图像的图像获取状态的示意图；图9(b)是表示在图9(a)所示的状态下由图像获取摄像机获得的图像的示意图；

图10是示出了本实施例的图像获取设备的光投射单元的位置的x-y平面图；

图11是用于描述本实施例的图像获取设备的光投射单元的位置与由图像获取摄像机获得的对象图像上的光点位置之间的对应关系的示意图；

图12是用于描述根据本发明的修改示例的图像获取设备的光投射单元的结构的示意图；

图13是用于描述传统图像获取设备的结构的示意图；

图14(a)和图14(b)是用于描述传统图像获取设备的结构的示意图；图14(a)是该设备的顶视图；图14(b)是该设备的侧视图；

图15(a)和图15(b)是用于描述计算图14(a)和图14(b)的传统图像获取设备与对象之间的距离的方法的示意图；图15(a)是表示对象的图像获取状态的示例的示意图；图15(b)是表示在图15(a)所示的状态下由CCD摄像机获得的画面图像的示意图；而

图16(a)和图16(b)是用于描述计算图14(a)和图14(b)的传统图像获取设备与对象之间的距离的方法的示意图；图16(a)是表示对象的图像获取状态的示例的示意图；图16(b)是表示在图16(a)所示的状态下由CCD摄像机获得的画面图像的示意图。

具体实施方式

现在将参照相关附图说明本发明的一个优选实施例。

(1)一个优选实施例

下文中将对根据本发明的一个优选实施例的图像获取设备进行说明。图1是本发明的一个优选实施例的图像获取设备的正视图；图2是表示本实施例的图像获取设备的结构的图。

如图1和图2所示，图像获取设备1具有图像获取摄像机10、多于一个(这里是四个)的光投射单元20a到20d和操作单元30。

图像获取摄像机10获取处于图像获取摄像机10前方的对象的图像。

所有的光投射单元20a到20d(当不在它们之间进行具体区分时，简单地使用附图标记“20”表示这些单元)在结构上是相同的，并且，如图2所示，各个光投射单元20a到20d向待获取图像的对象上投射与图像获取摄像机的光轴平行或近似平行的点光。这里，优选地，从投射单元20投射的光是红外光。采用这种方案，当从人体的一部分上或在有其他人的情况下获取图像时，由投射单元20进行的光投射而不会被这些人注意到。

如图3所示，各个投射单元20包括：光源21；透镜(例如，准直透镜)22，该透镜将光源21发出的光转换成平行光；和调节单元24，具有用于对经透镜22投射的光(点光)的光点直径进行调节(这里是减小)的光阑23。

这里，光源(发光装置)21优选地是LED(发光二极管)。

如图4所示，以如下方式相对于图像获取摄像机10布置光投射单元20a到20d：使从图像获取摄像机10的参考点(这里是中心点)朝向光投射单元20a到20d的方向(图4中的虚线)Da到Dd相互不同。也就是说，根据图像获取设备1，在由图像获取摄像机10获取的画面图像中，来自光投射单元20a到20d的点光是以这样的方式投射的：使从由图像获取摄像机10获取的画面图像的参考点(这里是中心点)朝向所投射的点光的位置的方向相互不同。

在本发明的图像获取设备1中，通过将由图像获取摄像机10获得的画面图像水平地和垂直地划分为二而得到的四个区域中的每一个包含有由各个投射单元20所投射的点光照亮的一个亮区(点光所投射的区域；下文中也称为“点光”)。

以如下方式布置投射单元20：在所获得的画面图像中，由来自光投射单元20的点光照射的亮区与由其它点光照射的相邻亮区不相干扰。也就是说，根据图像获取设备1，在所获得的图像中，点光是这样投射的：使得由点光照亮的各个亮区与由其它点光照亮的相邻亮区不相干扰。

因此，在该图像获取设备1中，对于位置提取单元32a(稍后将进行说明)而言，从所获得的画面图像中可靠地提取光点位置是可能的。

如图5(a)所示，在该图像获取设备1中，在圆柱形对象T沿着平行于图像获取摄像机10的光轴的方向向位置P、Q和R移动的情况下，图像获取摄像机10获取对象T在位置P、Q和R上的画面图像。这里，在图5(b)中，画面图像P′是对象T位于位置P时获得的画面图像；画面图像Q′是对象T位于位置Q时获得的画面图像；画面图像R′是对象T位于位置R时获得的画面图像。此外，画面图像P′、Q′和R′中的附图标记“20a′”表示由光投射单元20a投射的点光所照亮的亮区；附图标记“20b′”表示由光投射单元20b投射的点光所照亮的亮区；附图标记“20c′”表示由光投射单元20c投射的点光所照亮的亮区；附图标记“20d′”表示由光投射单元20d投射的点光所照亮的亮区。

如图5(b)所示，在该图像获取设备1中，由光投射单元20投射的点光平行或近似平行于图像获取摄像机10的光轴，并且由光投射单元20投射的点光相互平行。因此，在由图像获取摄像机10获得的画面图像P′、Q′和R′当中，在对象T上的点光位置是相同的(也就是说，在画面图像P′、Q′和R′当中，在对象T上的亮区20a′到20d′的位置是相同的)。对象T的大小根据从图像获取摄像机10到对象T的距离而改变。随着对象T的大小的这种变化，点光的相对位置会发生变化。也就是说，在图5(b)的图像P′、Q′和R′中，在图像P′中对象T上的点光之间的距离较大，而在图像R′中这些距离较小。

因此，在该图像获取设备1中，在由图像获取摄像机10获得的画面图像内，在对象上总是有由光投射单元20投射的点光所照亮的亮区，而与从图像获取摄像机10到对象的距离无关。因此光点位置提取单元32a(稍后将做说明)有可能可靠地从亮区提取光点位置。

操作单元30是例如由CPU(中央处理器)构成的，并且包括控制单元31和检测单元32，如图2中所示。

控制单元31控制图像获取摄像机10的图像获取操作和光投射单元20的点光投射。这里，控制单元31控制图像获取摄像机10和光投射单元20，使得由图像获取摄像机10进行的图像获取与由光投射单元20进行的点光投射同步地进行。这样，控制单元31使图像获取摄像机10获得投射了点光的对象的图像。

检测单元32(包括光点位置提取单元32a、距离计算单元32b和对象信息检测单元32c)根据由图像获取摄像机10获得的图像中的对象上的由光投射单元20投射的点光在位置，来检测(i)图像获取摄像机10与该对象之间的距离，以及(ii)该对象相对于图像获取摄像机10的光轴的倾角(二维信息)。另选地，检测单元32基于点光的上述位置，来检测(i)上述距离和(ii)该对象相对于图像获取摄像机10的光轴的姿态(三维信息)。

光点位置提取单元32a识别在由图像获取摄像机10获得的图像(下文中将简称为“图像”)中的该对象上的由光投射单元20投射的点光所照亮的亮区，并且从所识别的亮区中提取光点位置。

光点位置是亮区中的用于识别由点光照亮的亮区的位置的参考点。这里，光点位置提取单元32a选择亮区的中心点或重心点，作为光点位置。

此外，光点位置提取单元32a搜索数量与光投射单元20的数量相当的亮区。

如图6所示，光点位置提取单元32a沿着直线Da′到Dd′搜索亮区，这些直线分别与图4中的方向Da到Dd相对应。如参照图5(a)和图5(b)描述过的那样，只要对象沿着平行于图像获取摄像机10的光轴的方向运动，则在所获得的图像当中，在对象上的由点光照亮的亮区的位置就都是相同的。据此，本技术利用了在图像中的由光投射单元20的点光所照亮的亮区总是沿着与图4中的方向Da到Dd相对应的直线出现的特点。

更加具体地讲，光点位置提取单元32a从图像的中心点U开始，朝着光投射单元20在图像获取设备1中排列的方向搜索亮区，也就是说，搜索是朝着点光投射在图像中的对象上的规定方向进行的。

根据光点位置提取单元32a，不必搜索图像上的所有区域，该搜索应当仅在放置光点投射单元20的直线上进行，以识别亮区，从而这些亮区的识别是相当高效地进行的。

此外，光点位置提取单元32a进行上述搜索，并且将最开始在上面提到的直线上找到的亮区识别为由光投射单元20投射的点光所照亮的亮区。

这里，如图7所示，因为在图像获取摄像机10获取对象T的画面图像时存在除了来自光投射单元20的点光之外的光，所以假设在图像中除了由点光照亮的亮区Da到Dd之外还有另一个亮区V。即使在这种情况下，由于光点位置提取单元32a以中心点U作为起始点开始搜索亮区，因此最开始在线20a′到20d′上找到的亮区总是在对象T上的由点光照亮的亮区Da到Dd。据此，光点位置提取单元32a能够可靠地搜索到亮区Da到Dd。

此后，光点位置提取单元32a提取所找到(识别到)的亮区的中心点或重心点(这里是中心点)作为光点位置。

在图像获取设备1中，光点位置提取单元32a沿着直线Da′到Dd′进行搜索。这样，如图8中所示，在直线Da′到Dd′上找到了具有高亮度的亮区(高斯曲线分布)，并且光点位置提取单元32a提取各个所找到的亮区的中心点M作为光点位置。

图2中的距离计算单元32b根据由光点位置提取单元32a提取的光点位置与画面图像的中心点之间的距离，来计算图像获取摄像机10与对象之间的距离。

更加具体地讲，距离计算单元32b计算从光投射单元20所照亮的亮区中提取的各个光点位置与画面图像的中心之间的距离。这样，在本图像获取设备1中，针对一个对象计算了四个方向的总和。

这里，将参照图9(a)和图9(b)，对由距离计算单元32b执行的距离计算的方法进行描述。注意，在图9(a)中，附图标记“E”表示对象T上的亮区，该区域由光投射单元20投射的点光所照亮。图9(b)示出了在图9(a)所示的条件下由图像获取摄像机10获得的图像。

根据图像获取设备1，在理想应用情况下，图像获取摄像机10的光轴平行于由光投射单元20投射的点光的轴。然而，使这两个轴精确平行必须要有精度非常高的应用(组件)，因此在实际应用情况下难以实现。因此，在实际的图像获取设备1中，可以接受以下的情况：由光投射单元20投射的点光的轴不完全平行于图像获取摄像机10的轴，并且该轴稍稍倾斜。

因此，如图9(a)所示，距离计算单元32b考虑了由光投射单元20投射的点光的轴的倾角(这里是θ)，并且计算图像获取摄像机10与对象T之间的距离。

在这种情况下，就由光投射单元20投射的点光的轴与图像获取摄像机10的光轴之间的倾角而言，考虑连接图像获取摄像机10与光投射单元20(光源21)的直线的方向就足够了，可以忽略该直线垂直方向上的倾角。补充说明一下，垂直方向上的倾角与点光的运动直线偏离图像上的假想线的距离有关。

如图9(a)中所示，假设对象T离开图像获取设备1的距离为l，并且处于与图像获取摄像机10的光轴正交的位置上，将图像获取摄像机10的图像获取范围设为w，将所投射的点光在对象T上的位置设为d+x。此外，将从图像获取摄像机10的中心到光投射单元20(这里是光源21)的中心的距离设为d，将照射位置的偏差(是由光轴的偏移θ₁造成的位移量)设为x。另一方面，如图9(b)所示，在由图像获取摄像机10获得的图像中，观察到亮区E′的光点位置处于离开图像的中心U的距离为a的位置上。将点光的运动方向(对应于直线Da′到Dd′)上的图像范围设为W。

这里，在图9(a)和9(b)所示的条件下，拥有下述公式(1)表示的比例关系。

$\frac{a}{W}=\frac{d+x}{w}---\left(1\right)$

这里，图像获取范围w可以由摄像机视角的半值α₁和距离l表示，并且由光轴偏移角θ造成的偏差x可以由距离l和光轴偏移角θ₁表示。这样，上述公式(1)可由下述公式(2)代替：

$\frac{a}{W}=\frac{d+l{\tan \mathrm{\θ}}_1}{l\tan {\mathrm{\α}}_1}---\left(2\right)$

然后，通过针对距离l求解等式(2)得到了下述公式(3)：

$l=\frac{d}{\frac{a}{W}\tan {\mathrm{\α}}_1-\tan {\mathrm{\θ}}_1}---\left(3\right)$

距离计算单元32b根据由此得到的公式(3)来计算距离l。

上面公式(3)中光轴偏移角θ₁是未知值，因此距离计算单元32b在初始设置图像获取设备1时根据下述公式(4)到(7)获得光轴偏移角θ₁。

即，下述公式(4)是通过针对光轴偏移角θ₁求解上面的等式(3)获得的：

$\tan {\mathrm{\θ}}_1=\frac{a}{W}\tan {\mathrm{\α}}_1-\frac{d}{l}---\left(4\right)$

为了根据公式(4)求解光轴偏移角θ₁，距离计算单元32b通过在初始设置图像获取设备1时在已知距离l上测量光点位置a来计算(校准)tanθ₁。注意，这个处理是针对各个光投射单元20a到20d进行的。

这里，在正常情况下，tanθ₁可以通过仅使用已知距离l来计算。

不过，由于例如图像获取摄像机10的透镜的应用中的限制，有时很难精确地获得用于确定已知距离l的距离原点(即，图像获取设备1的透镜上用于获得已知距离l的起始点)。在这样的情况下，距离测量单元32b通过使用两个校准测量点来计算tanθ₁。

即，tanθ₁是根据两个校准测量点之间的距离(差)计算出来的，而不是简单地根据从图像获取摄像机10的透镜到对象的距离l计算出来的。

更加具体地讲，将对象放在已经预先精确地获得了距离差Δ的两个校准测量点中的每一个上，然后图像获取摄像机10获取对象的图像。距离计算单元32b通过所获取的图像计算到对象的距离，从而校准光轴偏移角θ₁。

更加准确地说，距离计算单元32b测量在距离L已知的校准测量点a₁处获得的图像中的光点位置a₁′，并且进一步地，距离测量单元32测量在偏离校准测量点a₁距离Δ的校准测量点a₂处获得的图像中的光点位置a₂′。将这两个光点位置a₁′和a₂′代入上面的公式(4)，从而得到下述公式(5)

$\frac{{\mathrm{\α}}_1^{\′}}{W}{\tan \mathrm{\α}}_1-\frac{d}{L}=\frac{a_2^{\′}}{W}\tan {\mathrm{\α}}_1-\frac{d}{L+\mathrm{\Δ}}---\left(5\right)$

然后，通过针对距离L求解上面的等式(5)获得下述公式(6)：

$L=\frac{-\mathrm{\Δ}+\sqrt{{\mathrm{\Δ}}^2-4k}}{2}---\left(6\right)$

这里，上面公式(6)中的k是由下述公式(7)表示的：

$k=\frac{\mathrm{\Δ}\·d}{(a_1^{\′}-a_2^{\′})\frac{\tan {\mathrm{\α}}_1}{W}}---\left(7\right)$

距离计算单元32b从而计算出距离L，并且还通过将上面的公式(6)代入到上面的公式(4)中计算出(校准)tanθ₁。

通过这种方式，距离计算单元32b从通过图像获取摄像机10在初始设置时在两个已知距离上获取的对象的图像中提取出光点位置，并且根据所提取的光点位置来完成用于计算到对象的距离的上述公式(3)。结果，对于距离计算单元32b而言，有可能在考虑由光投射单元20投射的点光的轴与图像获取摄像机10的光轴的偏移的情况下，计算出到对象的距离。

结果，在图像获取设备1中，由光投射单元20投射的点光的轴不必与图像获取摄像机10的光轴严格平行，从而不再需要精度很高的组件，从而降低了制造成本。

图2的对象信息检测单元32c检测对象与图像获取摄像机10的光轴的倾角和对象相对于图像获取摄像机10的轴的姿态信息。

换句话说，对象信息检测单元32c根据由距离计算单元32b计算出来的两个距离，来检测对象在一个方向上的倾角(二维信息)，并且还根据由距离计算单元32b计算出来的三个或四个距离，来检测对象的姿态(两个方向上的倾角；三维信息)。

这里，将参照图10和图11对由对象信息检测单元32c进行的检测对象的倾角和姿态的方法进行说明。

如图10所示，光投射单元20a到20d在图像获取设备1中的位置是以光投射单元20c为原点在x-y平面上表示的。光投射单元20b具有x轴上的坐标(n，0)；光投射单元20d具有y轴上的坐标(0，n)；光投射单元20a具有坐标(n，n)。

图11表示这些光投射单元20在对象上投射点光的结果(即，光点位置提取单元32a在图像中提取的光点位置Pa到Pd)。在这种情况下，如图11所示，光点位置Pa对应于光投射单元20a；光点位置Pb对应于光投射单元20b；光点位置Pc对应于光投射单元20c；光点位置Pd对应于光投射单元20d。

这里，假设由距离计算单元32b计算出的到光点位置Pa到Pd的距离分别为La到Ld，光点位置Pa到Pd的三维坐标(x，y，z)为如下所述：光点位置Pa具有坐标(n，n，La)；光点位置Pb具有坐标(n，0，Lb)；光点位置Pc具有坐标(0，0，Lc)；光点位置Pd具有坐标(0，n，Ld)。

对象的面对图像获取摄像机10的表面是平面或者可以被看作平面，图像获取表面可由下述公式(8)表示：

ax+by+cz+d＝0                                         …(8)

其中a、b、c和d是系数。

这样，对象信息检测单元32c通过将光点位置Pa到Pd的坐标代入到上述公式(8)中求解公式(8)，从而得到系数a、b、c和d。对象信息检测单元32c确定由光点位置Pa到Pd形成的平面，并且根据由此得到的平面来获取对象的倾角和姿态。

这里，三个光点位置就足以确定该平面了。因此，由于四个或更多的光点位置是多余的，对象信息检测单元32c通过最小二乘法获得了近似平面。另外，可以将该平面分成三角形，并且获得为合成平面。

在图11所示的例子中，对象信息检测单元32c可以用穿过光点位置Pb和Pd的直线分割该平面，可以获得两个平面：一个经过光点位置Pb、Pc和Pd；另一个经过光点位置Pa、Pb和Pd。

当对象信息检测单元32c检测对象相对于y轴的倾斜程度时，就是说，当对象信息检测单元32c检测图11中的角度θ₂时，根据上述的公式(8)获得了下述公式(9)，以检测倾角θ₂。

tanθ₂＝a/c                                              …(9)

这里，对象信息检测单元32c能够通过下述公式(10)获得θ₂，而不用根据公式(8)计算平面

tanθ₂＝(Lb-Lc)/n                                               …(10)

进一步地，对象信息检测单元32c进行上面提到的用于获取三维倾角的处理，即，获得相对于x轴、y轴和z轴的倾角，以检测对象的姿态信息。

如上所述，根据图像获取设备1，基于图像获取摄像机10获取的对象的图像上的由光投射单元20投射的点光的位置(光点位置)，检测单元32检测出了(i)图像获取摄像机10与该对象之间的距离，和(ii)该对象与图像获取摄像机10的光轴的倾角，或者(i)图像获取摄像机10与该对象之间的距离，和(ii)该对象相对于图像获取摄像机10的光轴的姿态信息。因此，不需要象前面说明的传统图像获取设备(见图13)中那样，设置用于检测图像获取摄像机10与对象之间的距离的传感器(位置传感器等)，从而减小了整个设备的尺寸并且降低了成本。

这里，当为现有的具有图像获取摄像机10的设备添加检测对象的距离、倾角和姿态的功能时，在硬件方面，仅仅应当增加光投射单元20，从而实现了尺寸减小和成本降低。

此外，在图像获取设备1中，检测单元32根据在由图像获取摄像机10获得的图像中的对象上的由光投射单元20投射的点光所照亮的亮区，来检测上述距离。这样，由光投射单元20投射的点光不必是象激光这样的高精度的点光(就是说，具有小光点直径的平行光)。因此，在图像获取设备1中，由于可以使用便宜的LED作为光投射单元20的光源21，从而实现了成本的降低。

进一步地，在图像获取设备1中，由光投射单元20投射的点光平行于或近似平行于图像获取摄像机10的光轴。这样，如参照图5(a)和图5(b)所说明的那样，只要对象沿着平行于图像获取摄像机10的光轴的方向运动，则在由图像获取摄像机10获得的多个图像中，对象上的由点光所照亮的亮区的位置就都是相同的。据此，在图像获取设备1中，对于检测单元32来说，能够可靠地检测对象的距离和倾角或者距离和姿态，而与对象距图像获取摄像机10的距离无关。

(2)其它

本发明决不应当局限于上面描述的实施例，在不超出本发明的主旨的前提下，可以提出各种不同的改变或改进。

例如，在上面说明的实施例中，图像获取设备1具有四个光投射单元20(光投射单元20a到20d)。本发明决不仅限于此，当检测单元32检测对象的倾角时，需要至少两个光投射单元。当检测单元32检测对象的姿态信息时，需要至少三个光投射单元20。

进一步地，在上述的实施例中，操作单元30的控制单元31控制图像获取摄像机10和光投射单元20，使得由图像获取摄像机10进行的图像获取是与由光投射单元20进行的光投射是同步进行的。由此，图像获取摄像机10仅获取到光投射单元20投射了点光的图像。然而，本发明决不应当仅局限于此，例如，控制单元31可以控制图像获取摄像机10和光投射单元20，从而获得未被投射来自光投射单元20的点光的第一画面图像和被投射了来自光投射单元20的点光的第二画面图像。

在这种情况下，检测单元32的光点位置提取单元32a根据第一图像和第二图像之间的差图像(即，通过从第二图像中去除第一图像中的亮区而获得的图像)，来识别由来自光投射单元20的点光所照亮的亮区，然后从所识别的亮区中提取光点位置。

结果，除了上面说明的实施例的效果之外，实现了下述的优点。即，即使在图像获取摄像机10获得的图像中，存在除了由来自光投射单元20的点光所照亮的亮区之外的其它亮区，这些亮区也通过从第二画面图像中去除第一画面图像中的亮区而被删除，从而仅有由点光照亮的亮区得被可靠识别出。

进一步地，控制单元31能够对图像获取摄像机10和光投射单元20进行控制，以使得图像获取摄像机10获得多个点光的亮度互不相同的画面图像。对图像获取摄像机10进行控制，以在光投射单元20改变点光的亮度的同时获取画面图像。

在这种情况下，检测单元32的光点位置提取单元32a将在由图像获取摄像机10获得的亮度在多个图像之间发生变化的区域识别为由光投射单元20投射的点光所照亮的亮区，从而从所识别的亮区中提取光点位置。

利用这种结构，除了上述的实施例的效果之外，还能够实现下述的优点。例如，即使在由图像获取摄像机10获得的画面图像中，在来自对象的背景的光强到难于识别出由光投射单元20投射的点光所照亮的亮区的情况下，通过识别亮度在多个画面图像之间发生变化的亮区，仍然能够可靠地仅识别出由点光照亮的亮区。

此外，光投射单元20在图像获取摄像机10获取对象的画面图像时，能够根据光投射模式(亮度)投射点光。光点位置提取单元32a将亮度根据与光投射单元20的光投射模式相同的模式变化的亮区识别为由来自光投射单元20点光所照亮的亮区。这使得进一步可靠地识别出由光投射单元20投射的点光照亮的亮区成为可能。

而且，在上述的实施例中，检测单元32的距离计算单元32b根据公式计算出图像获取摄像机10与对象之间的距离。本发明决不应仅局限于此，例如，操作单元30可以具有表明由图像获取摄像机10获得的画面图像中的点光的光点位置(即，从画面图像的中心到光点位置的距离)与图像获取单元10和对象之间的距离间的对应关系的表。距离计算单元32b根据这个表获得图像获取摄像机10与对象之间的距离。

在这种情况下，将这种表保存在操作单元30的ROM(只读存储器)或RAM(随机存取存储器)中。

而且，在这种情况下，如上述的实施例一样，距离计算单元32b在初始设置图像获取设备1时根据已知距离修正该表。

即，在初始设置过程中，距离计算单元32b根据通过光点位置提取单元32a从由图像获取摄像机10在一个或多个已知距离上并且在这些已知距离上获得的对象的图像中提取的光点位置，来修正该表。这使得能够如上面说明的实施例一样地修正光投射单元20与图像获取摄像机10的光轴的偏移角，从而不需要高精度的组件。此外，在根据表检测距离的机制中如上所述那样修正表，使得能够针对各个图像获取设备1修正由它们的制造工艺所造成的轻微位移偏差。

此外，由于距离计算单元32b根据该表来检测到对象的距离，所以消除了在上述实施例中进行上述计算的必要性。因此，即使是运算能力很差的CPU，也可以用在处理过程中，从而有助于降低本图像获取设备1的成本。而且，可将图像获取设备1应用于集成装置。

这里，在足以确定对象是否位于规定的距离之内的情况下，要预先确定规定距离上的图像中的光点位置。如果由光投射单元20投射的点光的位置比预先确定的光点位置更接近参考点(例如，中心点)(即，如果由光投射单元20投射的点光的位置位于图像的参考点与预先设定的光点位置之间)，则检测单元32判定对象处于规定距离以内。

此外，控制装置31能够对图像获取摄像机10和光投射单元20进行控制，以使得能够交替地获得被光投射单元20投射了点光的图像和未被光投射单元20投射点光的图像。这使得如拍摄运动画面一样，能够在获取对象的画面图像的同时获得对象的信息(例如对象的倾角和姿态)。例如，能够在获取正在运动的对象的图像的同时获知根据时间序列的对象的信息。

而且，在图像获取设备1中，在除了在图像获取摄像机10的图像获取范围之内不存在对象的情况之外的其它情况下，可以暂停由图像获取摄像机10进行的图像获取，从而在不需要进行图像获取时，可以暂停电路(例如，操作单元30)。这降低了功耗。更加准确地说，例如，图像获取摄像机10以规定的时间间隔获取画面图像，并且只有当在图像中发现对象时，才由光投射单元20进行光投射和由操作单元30(具体来说，是检测单元32)进行处理。

在上述的实施例中，光投射单元20包括透镜22和调节单元24，而本发明决不应该仅限于此。如已经说明的那样，在图像获取设备1中，由光投射单元20投射的光点不必是诸如激光之类的高精度点光。这样，如图12所示，可以仅设置调节单元24，而不用设置透镜22。反之，可以仅设置透镜22，而不用设置调节单元24。这种结构实现了相同的效果并且有益于上面的实施例，从而进一步实现了成本的降低。

此外，在以上的实施例中，各个光投射单元20具有一个投射一个点光的光源21。本发明决不应仅局限于此，例如，调节单元24配有多个光阑，从而光投射单元20具有一个用于投射多个点光的光源21。

Claims (20)

1、一种图像获取设备，包括：

图像获取摄像机，该摄像机获取对象的图像；

光投射单元，该单元将平行或近似平行于所述图像获取摄像机的光轴的各个点光投射到对象上；和

检测单元，该单元根据在由所述图像获取摄像机获得的对象图像上的由所述光投射单元投射的点光的位置，来检测所述图像获取摄像机与所述对象之间的距离。

2、根据权利要求1所述的图像获取设备，

其中所述光投射单元投射三个或更多个点光，并且

其中所述检测单元根据在由所述图像获取摄像机获得的对象图像上的由所述光投射单元投射的三个或更多个点光的位置，来检测所述对象相对于所述图像获取摄像机的光轴的姿态信息。

3、根据权利要求2所述的图像获取设备，其中所述光投射单元以如下方式投射三个或更多个点光：在所获得的图像中，从所述图像的参考点到三个或更多个点光的位置的方向是相互不同的。

4、根据权利要求2所述的图像获取设备，其中所述光投射单元以如下方式投射三个或更多个点光：在所获得的图像中，由来自所述光投射单元的点光照射的可由所述检测单元识别的各个区域与其毗邻的由另一个点光照射的区域不相干扰。

5、根据权利要求1所述的图像获取设备，其中所述光投射单元具有光源，该光源是发光二极管。

6、根据权利要求1所述的图像获取设备，其中所述光投射单元包括调节单元，该调节单元具有用于减小由所述光源发出的光的光点直径的光阑。

7、根据权利要求1所述的图像获取设备，其中所述光投射单元包括透镜，该透镜将由所述光源发出的光转换成平行光。

8、根据权利要求1所述的图像获取设备，其中由所述光投射单元投射的所述各个点光是红外光。

9、根据权利要求1所述的图像获取设备，其中所述检测单元从所述对象图像上的由所述各个点光照射的区域提取光点位置，并且根据所提取的光点位置与所获得的图像的中心点之间的距离进行上述检测。

10、根据权利要求9所述的图像获取设备，其中所述检测单元提取所照射区域的中心点或重心点作为光点位置。

11、根据权利要求9所述的图像获取设备，其中所述检测单元从所获得图像的中心点开始朝着规定的方向搜索照射区域，并且从最开始作为照射区域找到的区域中提取光点位置。

12、根据权利要求1所述的图像获取设备，还包括：控制单元，该控制单元对所述图像获取摄像机和所述光投射单元进行控制，以使由所述图像获取摄像机进行的图像获取是与由所述光投射单元进行的点光投射同步进行的。

13、根据权利要求1所述的图像获取设备，还包括：控制单元，该控制单元对由所述图像获取摄像机进行的图像获取和由所述光投射单元进行的点光投射进行控制，

所述控制单元控制所述图像获取摄像机，以在没有来自所述光投射单元的点光照射到对象上的情况下获得该对象的第一图像，并且在来自所述光投射单元的所述各个点光投射到该对象上的情况下，获取该对象的第二图像，并且

所述检测单元根据通过从第二图像中去除第一图像中的亮区而得到的图像，来进行上述检测。

14、根据权利要求1所述的图像获取设备，还包括：控制单元，该控制单元对由所述图像获取摄像机进行的图像获取和由所述光投射单元进行的点光投射进行控制，

所述控制单元控制所述图像获取摄像机，以在来自所述光投射单元的所述各个点光的亮度正在变化的情况下获取所述对象的多个图像，并且

所述检测单元将多个图像之中的亮度发生变化的部分识别为各个所述点光的位置。

15、根据权利要求1所述的图像获取设备，其中所述检测单元根据表示由图像获取摄像机获得的图像中的所述各个点光的位置与所述图像获取摄像机和所述对象间的距离之间的对应关系的计算公式，来检测所述图像获取摄像机和所述对象之间的距离。

16、根据权利要求15所述的图像获取设备，其中所述检测单元在初始设置时，从由所述图像获取摄像机在已知距离上获得的对象图像中提取光点位置，并且根据所提取的光点位置和已知距离，来校准所述计算公式。

17、根据权利要求1所述的图像获取设备，还包括表明由所述图像获取摄像机获得的图像中的各个所述点光的位置与所述图像获取摄像机和所述对象间的距离之间的对应关系的表，

所述检测单元根据所述表来检测所述图像获取摄像机与对象之间的距离。

18、根据权利要求17所述的图像获取设备，其中所述检测单元在初始设置时，从由所述图像获取摄像机在已知距离上获得的对象图像中提取光点位置，并且根据所提取的光点位置和该已知距离来修正所述表。

19、一种图像获取设备，包括：

图像获取摄像机，该摄像机获取对象的图像；

光投射单元，该单元将平行于或近似平行于所述图像获取摄像机的光轴的多个点光投射到所述对象上；和

检测单元，该单元根据在由所述图像获取摄像机获得的对象图像上的多个点光的位置，来检测所述对象相对于所述图像获取摄像机的光轴的倾角。

20、一种图像获取设备，其包括：

图像获取摄像机，该摄像机获取对象的图像；

光投射单元，该单元将平行于或近似平行于所述图像获取摄像机的光轴的多个点光投射到所述对象上；和

检测单元，该单元根据在由所述图像获取摄像机获得的对象图像上的由所述光投射单元投射的多个点光的位置，来检测(i)所述图像获取摄像机与所述对象之间的距离，和(ii)所述对象相对于所述图像获取摄像机的光轴的倾角。

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