JP2005123832A - 車載用撮像装置及びカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】
逆光時にスミアやブルーミング現象が起きて、画像処理性能が低下する対策として、従来は、製造上の取り付け誤差や信頼性やコストなどについて配慮がされていないという課題がある。
【解決手段】
撮像素子とレンズを有する車載カメラ装置において、撮像素子の全体又は一部に到達する光量を段階的に異ならせるグラデーション生成手段を備える。これによって撮像素子上にグラデーション領域が形成され、製造上の組み立て誤差や、路面の勾配などに起因する位置ずれを吸収する。逆光状態が発生しても、安価な構成で画像処理性能を向上させることが可能となる。
【選択図】図５

Description

本発明は、車載用撮像装置及びカメラに関する。

近年、自動車に撮像装置を搭載し、撮像した画像情報を用いて、ドライバーの運転操作の補助や疲労軽減を目的とした制御が行われている。

このような、車載用撮像装置に用いられるＣＣＤなどの撮像素子は、高輝度の光が入射された場合、１画素が蓄積できる電荷量の制限（飽和容量）を越えてしまい、電荷が信号の取り出し方向にあふれ出てしまう現象が発生する。このため、高輝度の被写体を撮像した場合には、その高輝度被写体周辺の、実際には輝度の低い部分も明るく撮像されるブルーミング現象や、高輝度被写体の垂直方向に明るい帯をひくスミア現象などが発生する。これらの現象は映像を著しく乱すノイズとなり、必要な情報を損失し、画像処理において処理精度を低下させる要因となる。このような現象は、車載用撮像装置においては、特に朝夕の太陽の逆光時に多く発生し、図２に示すように映像が乱されることになる。

上記問題に対応する従来技術としては、カメラ装置に、逆光センサ手段とフィルタ駆動手段とフィルタ制御手段を備え、逆光センサ手段が撮影画像範囲内での高輝度光源の入射状態すなわち逆光状態を検出したときに、フィルタ手段を駆動し、高輝度直接入射光を遮蔽するもの（特開平６−７５９７７号公報）や、ＣＣＤ素子を光学系の結像範囲に対して天側にオフセットさせ、太陽光がＣＣＤ素子の使用領域よりも外側で結像するように配置することで、スミアの少ない画像を得るもの（特開平１１−３３１７１２号公報）がある。

特開平６−７５９７７号公報 特開平１１−３３１７１２号公報

しかし、特許文献１記載の技術においては、フィルタ手段を駆動するためのモーターや逆光センサ（フォトダイオード）など、通常の車載用撮像装置に比べて構成部品が増えるため、装置の大型化やコストの増大といった問題が発生する。また、モーターなどのように可動部を有する機械部品は、車載用機器としては、振動に対する信頼性に問題がある。また、可動部があることによりメンテナンスの面でも問題が生じる。

また、特許文献２記載の技術においては、ＣＣＤを光学系の結像範囲に対してオフセットして一部のみを使用領域としているため、車が坂道を走行する場合には、ＣＣＤ上の使用領域に太陽等の高輝度被写体が結像してスミアが発生したり、逆に路面の画像がＣＣＤの非使用領域に結像したりするという問題がある。この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、車載カメラ装置の性能向上を目的とする。

撮像素子とレンズを有する車載カメラ装置において、撮像素子の全体又は一部に到達する光量を段階的に異ならせるグラデーション生成手段を備える。

逆光状態においてもスミアやブルーミングの影響を受けることなく、安価な構成で、画像処理性能を向上させることができるという効果が得られる。

また、製造上の組み立て誤差や、路面の勾配などに起因して撮像領域における水平線の位置ずれが起きた場合であっても、上述の画像処理性能向上という効果が得られる。

以下、図を参照して、本発明の一実施例について説明する。図１は一般的な車載用撮像装置の概念図である。図１に示すように、車載用撮像装置は、路面などを撮像するカメラ部１，カメラ部で撮像したデータを処理する画像処理部２，画像処理結果から車両制御を行うための判定等を行う判定部３，車両との通信を行う通信部４を備えたものが考えられる。

ここでカメラ部１は、レンズ３０とＣＣＤ３１などの撮像素子や、撮像素子の出力信号のデジタル変換を行うＡＤ変換部５を備え、画像処理部２は、撮像データの画像処理を行う画像処理用ＬＳＩ６と、撮像データや撮像したデータに画像処理を施したデータを保管するメモリ７などを備える。判定部３は、画像処理部２の画像処理結果から車両制御の車両制御値の算出や、車両制御をするか否かの判定を行うＣＰＵ８などを備え、通信部４は、判定部３より算出された車両制御値や車両制御の判定結果を車両側の通信ユニットへ通信する。

図２から図５に、車載用撮像装置を車両前方に向けて搭載したときに、レンズ３０およびＣＣＤ３１を通じて撮像される撮像領域を示す。なお、レンズ３０の特性やＣＣＤ３１との位置関係によってＣＣＤ３１に結像する画像は反転する場合もある。

図２は、従来の車載用撮像装置の逆光状態における画像である。カメラの視野の中に太陽１１があるため、その部分の撮像素子が飽和してスミア現象が発生している。このような状況では、車両制御に必要な路面情報１３（例えば白線など）が損なわれ、車両制御の精度が低下する場合がある。

ここで、図２に示すように、逆光の原因であり、必要な情報を損失させる要因となる太陽１１は、必ず水平線１２より天の方向に存在する。また、白線認識などに必要な路面情報１３は水平線１２より地の方向にある。さらに、理論的には、車載用撮像装置の光軸と路面が作る角度から、撮像素子における水平線の位置が算出できる。そこで、撮像素子の撮像領域１４において水平線１２の位置より天方向を遮蔽すれば、逆光による必要な情報の損失を防ぐことが理論的には可能である。

しかしながら、実際の撮像素子における水平線の位置は、車両が走行する勾配が変化すれば、それにつれて変化する。例えば上り坂のような場合には、図３に示すように太陽
１１が遮光領域を外れて、太陽光が撮像素子に到達し、スミア現象等の逆光の影響を回避できない場合があり、下り坂の場合には、図４に示すように水平線１２よりも低い側までが遮蔽されて到達光量０％の真っ黒な映像となり、必要な路面の情報が失われる場合がある。

また、車載用撮像装置の車体への取り付け方法や、車載用撮像装置の製造上の組み立て誤差，材料寸法のばらつき等によっても、算出した撮像素子上の水平線１２の位置と、実際の撮像素子における水平線１２の位置とは異なる場合がある。例えば１／３インチ光学サイズ、２７万画素ＣＣＤを想定した場合、垂直方向における隣接する画素間の距離は約
０.０１mmである。組み立てや材料による寸法誤差を仮に±０.２mmに押えたとしても垂直方向で最大４０画素ずれることになり、画面の約１／１０に相当する遮光できない領域が発生する場合がある。

そこで本実施例では、路面勾配を一定、且つ製造上の組み立て誤差を０と仮定した場合の、撮像領域１４における水平線１２の位置を定義し、図５に示すように、水平線１２より天地それぞれ方向の一部の領域に、段階的に撮像領域への到達光量が変化するようなグラデーション領域１５を生成する。

グラデーション領域１５は天方向に撮像素子への到達光量を小さくし、地方向に撮像素子への到達光量を大きくするよう定める。これにより、撮像素子上における水平線１２が、路面の勾配などによって上下に移動しても、太陽１１はグラデーション領域１５内にあるため、撮像素子に到達する太陽１１の光量を低減し、スミア現象等の逆光の影響を低減することが可能となる。また、撮像素子上における水平線１２が路面の勾配などによって上下に移動した場合でも、白線などの必要な路面情報１３はグラデーション領域１５内にあるため、単に遮光部を設ける場合と比較して、情報の損失を低減することが可能となる。すなわちグラデーション領域１５が製造上の組み立て誤差や、路面の勾配などによる撮像領域１４における水平線１２の位置ずれを吸収する。

なお、朝夕のように逆光が発生しやすい状況では、太陽１１は水平線に近い、低い位置にあり、このような位置の太陽は比較的暗いため、グラデーション領域１５によって撮像素子に到達する光量を低減すれば、遮光をしなくてもスミア現象やブルーミング現象の発生を防ぐことが可能である。

ここで、グラデーション領域は、撮像素子の一端から別の一端に向かって、到達する光量が連続的に変化する構成としてもよいが、撮像素子上を幾つかの領域に分けて、到達する光量をステップ上に変化させる構成としてもよい。また、撮像素子の全体に対してグラデーション領域を設定する必要は無く、撮像素子上の一部の領域にグラデーション領域を生成し、他の部分については光の透過率を一定の値としてもよい。

以下、本発明の具体的な実施例を、図６に示すような５１０（Ｈ）×４９２（Ｖ）の有効画素２５万画素のＣＣＤ撮像素子を例にとって説明をする。図６においてＣＣＤの下端を０画素とし、上端を４９２画素とする。なお、ＣＣＤで結像する像は凸レンズの特性から反転されるため、高い位置にある太陽などの光は、通常ＣＣＤの下方向に現れる。

本実施例では、下方から１００画素までの領域を遮光領域２０とし、到達光量を０％とする。１０１画素から２００画素をグラデーション領域２１とし、到達光量を０％から
１００％まで段階的に異ならせる。２０１画素から４９２画素までは、有効情報領域２２とし、有効情報領域２２の到達光量を１００％とする。このように設定することで、太陽１１によるスミア現象やグルーミング現象の発生を抑制し、必要な情報の損失を低減することが可能になる。

また、この実施例では、車両に取り付けられた状態において上下方向に相当する向きに光の透過する割合を変化させ、垂直方向に相当する向きには変化させない構成としている。

なお、本実施例の数値は一例であり、車載用撮像装置を使用する環境に応じて設定することが出来る。例えば、緯度の低い地域では、逆光状態が少ないためグラデーション領域２１を狭くしても良く、逆に緯度の高い地域ではグラデーション領域２１を広く設定しても良い。また、例えば砂漠などの光量の多い地域では有効情報領域２２の到達光量を100％未満の値としても良い。

以上のような、ＣＣＤの任意の領域に到達する光量を調整できるように、図７，図８に示すように遮光板フィルタの撮像面からの距離を設定する。レンズ３０の画角と、ＣＣＤ３１の光学サイズによって、焦点位置は決定され、レンズ３０とＣＣＤ３１の位置関係は固定される。以降に説明する光源については直接光でも反射光でもよい。

図７において、ＣＣＤ３１の撮像面上の位置Ｐ（１００画素）で結像する光は、光源Ａ３２から放射され、光軸ＸＡ３３，光束ＦＡ３４を形成する。ここで、ＣＣＤ３１の撮像面上の位置Ｐに到達する光量は、光束ＦＡ３４を遮蔽する割合で決定される。例えば遮光板３５の位置をＬ１において、光束ＦＡの範囲Ｗ１に対し、１００％遮蔽する範囲の大きさであれば、光源Ａ３２における撮像面上の位置Ｐへの到達光量は０になる。

図８において、ＣＣＤ３１の撮像面上の位置Ｑ（２００画素）で結像する光は、光源Ｂ３６から放射され、光軸ＸＢ３７，光束ＦＢ３８を形成する。ここで、ＣＣＤ３１の撮像面上の位置Ｑに到達する光量は、光束ＦＢ３８を遮蔽する割合で決定される。例えば遮光板３５の位置Ｌ２において、光束ＦＢの範囲Ｗ２に対し、０％遮蔽する範囲の大きさであれば、光源Ｂ３６における撮像面Ｑの位置への到達光量は１００％になる。

図９は、図７と図８の条件を重ねたものであり、光源Ａ３２と光源Ｂ３６の光軸及び光束は図９に示すようになる。遮光板３５は、撮像面への到達光量を、光源Ａ３２からの光を０％とし、光源Ｂ３６からの光を１００％とする条件を同時に満たすように設定する。ここで、遮光板３５はＣＣＤ３１からの距離Ｌにおいて、光源Ａ３２からの光束ＦＡ３４を１００％遮蔽し、光源Ｂ３６からの光束ＦＢ３８の遮蔽は０％である。これによって、ＣＣＤ３１の０〜１００画素で結像する光の到達光量は０％になり、２０１〜４９２画素で結像する光の到達光量は１００％で、その間の１０１画素〜２００画素の間に到達する光束は段階的に遮光され、グラデーション領域となる。この実施例によれば、遮光板３５の位置と大きさによってＣＣＤ３１上にグラデーション領域を作ることができ、特別なフィルタ等が不要であるという効果も得られる。

続いて、遮光板３５の大きさ及び設置位置の決定方法の一例を、図１０及び図１１を用いて説明する。図１０に示すようなレンズ３０とＣＣＤ３１を有するカメラ装置において、ＣＣＤの撮像面上、座標ｈ１の位置において透過率がＲ１となり、座標ｈ２の位置において透過率がＲ２となるように設定する場合、レンズ３０の口径をＤ、焦点距離をｆ、
ＣＣＤ３１の高さをＨとすると、遮光板３５の高さ（遮蔽板高さ：ＣＣＤ３１の下端を基準とする）Ａ、及び、遮光板３５のＣＣＤ３１からの距離（遮蔽板距離）Ｂは、下記の連立方程式の解として求められる。
（数１）
Ａ＝Ｄ×Ｂ／ｆ（１−Ｒ１）＋（（Ｄ／２−Ｈ／２＋ｈ１）×（ｆ−Ｂ））／ｆ
Ａ＝Ｄ×Ｂ／ｆ（１−Ｒ２）＋（（Ｄ／２−Ｈ／２＋ｈ２）×（ｆ−Ｂ））／ｆ
なお、遮光板３５を一定の透過率を持つ減光フィルタとした場合、ＣＣＤ３１の撮像面に到達する光量は、座標ｈ１の位置においてＲ１×（減光フィルタの透過率）となり、座標ｈ２の位置においてＲ２×（減光フィルタの透過率）となる。

図１１に遮光板３５の大きさ及び設置位置の計算例を示す。この計算例は、レンズ３０の口径を１２mm、ＣＣＤ３１の高さＨを５mm、焦点距離ｆを９mm、透過率をそれぞれｈ１＝０.５mmの位置で６０％、ｈ２＝３.５mmの位置で９０％としたものであり、この数値に基づいて遮蔽板高さＡ及び遮蔽板距離Ｂを計算すると、Ａ≒４.３７mm、Ｂ≒４.０９１mmとなる。

続いて、本発明の別の実施例について説明する。前述の実施例では、遮光板３５の位置と大きさによってグラデーション領域を実現したが、レンズ３０とＣＣＤ３１の位置関係を固定するためのレンズホルダの形状等によっては、前述の実施例に示すような遮光板
３５の位置と大きさが実現できない場合が考えられる。このような場合には、遮光板３５をＣＣＤ３１上にグラデーション領域が形成されるような光の透過率を持つＮＤフィルタに置き換えてもよい。さらにグラデーションを生成する別の手段として、ＣＣＤの前方にグラデーションシートを配置しても良い。この実施例によれば、同じ筐体であってもグラデーション特性の異なる撮像装置を提供することが可能となる。

なお、以上に説明した車載カメラ装置を車両に取り付けるときは、車載カメラ装置を、その視野に車両前方の路面が入る位置に、かつ、前記撮像素子の全体又は一部において、前記レンズに入射した光が前記撮像素子に到達する割合が、上側の画素ほど大きくなる向きに取り付け、さらに、車両前方の路面が、前記撮像素子の上側の画素に結像するように取り付ける。このように取り付けることによって、逆光時における太陽光はグラデーション領域によって遮光または減衰されて撮像素子に到達し、路面情報は、ほぼそのまま撮像素子に到達することとなるので、逆光状態においてもスミアやブルーミングの影響を受けることなく、安価な構成で、画像処理性能を向上させることができる。また、製造上の組み立て誤差や、路面の勾配などに起因して撮像領域における水平線の位置ずれが起きた場合であっても、スミアやブルーミングが発生する確率が低下するので、画像処理性能の向上が図られる。

車載用撮像装置のブロック図。 従来の車載用撮像装置の逆光状態におけるスミア発生時の画像。 車載用撮像装置の撮像で、遮光板で遮光できない画像例。 車載用撮像装置の撮像で、路面情報を損失した画像例。 車載用撮像装置の撮像で、グラデーション領域を設けた画像例。 本発明の実施の形態を説明するための撮像素子と画像。 本発明の一実施形態を示す図。 本発明の一実施形態を示す図。 本発明の一実施形態を示す図。 本発明の一実施形態における、遮蔽板の寸法及び位置の算出例。 本発明の一実施形態における、遮蔽板の寸法及び位置の算出例。

符号の説明

１…カメラ部、２…画像処理部、３…判定部、４…通信部、５…ＡＤ変換部、６…画像処理ＬＳＩ、７…メモリ、８…ＣＰＵ、１０…逆光、１１…太陽、１２…水平線、１３…路面情報、１４…撮像領域、１５，２１…グラデーション領域、２０…遮光領域、２２…有効情報領域、３０…レンズ、３１…ＣＣＤ、３２…光源Ａ、３３…光軸ＸＡ、３４…光束ＦＡ、３５…遮光板、３６…光源Ｂ、３７…光軸ＸＢ、３８…光束ＦＢ。

Claims (20)

1. 撮像素子とレンズを有する車載カメラ装置において、
   前記撮像素子の全体又は一部に到達する光量を段階的に異ならせるグラデーション生成手段を備えることを特徴とする車載カメラ装置。
2. 請求項１において、
   前記グラデーション生成手段は、前記撮像素子と前記レンズとの間に設けた遮光板であることを特徴とする車載カメラ装置。
3. 請求項２において、
   前記グラデーション生成手段は、前記遮光板の大きさと位置によってグラデーションの濃度と領域を決定することを特徴とする車載カメラ装置。
4. 請求項１において、
   前記グラデーション生成手段は、前記撮像素子と前記レンズとの間に設けたＮＤフィルタであることを特徴とする車載カメラ装置。
5. 請求項１において、
   前記グラデーション生成手段は、前記撮像素子と前記レンズとの間に設けたグラデーションシートであることを特徴とする車載カメラ装置。
6. 請求項１において、
   前記グラデーション生成手段は、前記レンズ前方に設けたグラデーションシートであることを特徴とする車載カメラ装置。
7. 請求項１において、
   前記グラデーション生成手段は、前記撮像素子上の一方の方向に対して、到達する光量を変化させ、これと所定の角度をなす方向に対して、到達する光量を変化させないことを特徴とする車載カメラ装置。
8. 請求項１において、
   前記グラデーション生成手段は、前記撮像素子上に、
   前記レンズから入射した光が実質的に遮蔽される遮光領域と、
   前記レンズから入射した光の透過率が段階的に変化するグラデーション領域と、
   前記レンズから入射した光が実質的にそのまま透過される有効情報領域と、を
   生成することを特徴とする車載カメラ装置。
9. 請求項８において、
   前記カメラ部を車両に取り付けたときに、前記有効情報領域が前記遮光領域よりも上側に位置することを特徴とする車載カメラ装置。
10. 撮像素子とレンズを有するカメラ部と、
    カメラ部で撮像した画像データを処理する画像処理部と、
    を有する車載用画像処理装置であって、
    前記カメラ部は、前記撮像素子の全体又は一部に到達する光量を段階的に異ならせるグラデーション生成手段を備え、
    前記画像処理部は、撮像した画像データのうち一部の素子から出力された画像データを用いることを特徴とする車載用画像処理装置。
11. 請求項１０において、
    前記グラデーション生成手段は、前記撮像素子と前記レンズとの間に設けた遮光板であることを特徴とする車載用画像処理装置。
12. 請求項１０において、
    前記グラデーション生成手段は、前記遮光板の大きさと位置によってグラデーションの濃度と領域を決定することを特徴とする車載用画像処理装置。
13. 請求項１０において、
    前記グラデーション生成手段は、前記撮像素子と前記レンズとの間に設けたＮＤフィルタであることを特徴とする車載用画像処理装置。
14. 請求項１０において、
    前記グラデーション生成手段は、前記撮像素子と前記レンズとの間に設けたグラデーションシートであることを特徴とする車載用画像処理装置。
15. 請求項１０において、
    前記グラデーション生成手段は、前記レンズ前方に設けたグラデーションシートであることを特徴とする車載用画像処理装置。
16. 請求項１０において、
    前記グラデーション生成手段は、前記撮像素子上の一方の方向に対して、到達する光量を変化させ、これと所定の角度をなす方向に対して、到達する光量を実質的に変化させないことを特徴とする車載用画像処理装置。
17. 請求項１０において、
    前記グラデーション生成手段は、前記撮像素子上に、
    前記レンズから入射した光が実質的に遮蔽される遮光領域と、
    前記レンズから入射した光の透過率が段階的に変化するグラデーション領域と、
    前記レンズから入射した光が実質的にそのまま透過される有効情報領域と、
    を生成することを特徴とする車載用画像処理装置。
18. 請求項１７において、
    前記カメラ部を車両に取り付けたときに、前記有効情報領域が前記遮光領域よりも上側に位置することを特徴とする車載用画像処理装置。
19. 請求項９において、
    前記画像処理部は、前記撮像素子の画素のうち、縦方向の座標が所定の値よりも大きい又は小さい画素のデータを用いることを特徴とする車載用画像処理装置。
20. 撮像素子とレンズを有し、前記撮像素子の全体又は一部に到達する光量を段階的に異ならせるグラデーション生成手段を備えた車載カメラ装置の車両への取り付け方法であって、
    前記車載カメラ装置を、その視野に車両前方の路面が入る位置に、かつ、前記撮像素子の全体又は一部において、前記レンズに入射した光が前記撮像素子に到達する割合が、上側の画素ほど大きくなる向きに取り付け、
    車両前方の路面が、前記撮像素子の上側の画素に結像するように取り付けることを特徴とする車載カメラ装置の車両への取り付け方法。
    

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