JP2005504963A - イメージ・センサによるステレオイメージ形成を利用した湿気センサ - Google Patents
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Abstract
【選択図】図2
Description
【0001】
本発明は、車両のフロントガラス・ワイパー及び/又はデフロスタ又はデフォッガシステムを自動的に起動するために、自動車用車両フロントガラスの表面などにおける湿気の存在を自動的に検出するシステムに関する。
【背景技術】
【0002】
従来のフロントガラス・ワイパーシステムでは、フロントガラス・ワイパーは、フロントガラスの外部の湿気レベルではなく、むしろ拭き取り間の経過時間に基づいて起動される。例えば、比較的安定した降雨状態の間、雨が所望の可視レベルの地点まで蓄積する時間量に対応するように時間間隔を調節することができる。残念なことに、降雨の割合は、与えられた時間期間中に激変する可能性がある。更に、交通状態により、トラックの通過の際等、フロントガラスへの降雨量が変化する可能性もある。その結果、このような状態の間、運転者は頻繁にワイパーの時間間隔を調節しなければならなず、これは煩わしいものとなる。
【0003】
車両フロントガラスの湿気に基づいてフロントガラス・ワイパーの拭き取り間隔を自動的に制御する種々のシステムが知られている。ある既知のシステムでは、種々のコーティングが車両フロントガラスに施される。これらのコーティングの電気的測定は、フロントガラスの湿気含有量を表示するのに使用される。残念ながら、このような方法は、比較的高価な処理を必要とするので、このようなシステムは商業的には実施可能ではない。車両フロントガラスの湿気含有量を自動的に感知する他のシステムも知られている。例えば、乾いたフロントガラスと濡れたフロントガラスの反射光の差異を測定する光学システムが知られている。残念ながら、このような光学システムは、外部の光源からの干渉の影響を受けやすく、その結果、不十分な性能を与える。他の既知のシステムはフロントガラスに接着されなければならず、フロントガラスの交換を複雑にする。このような複雑さの結果、車両に湿気センサが備えられていることはほとんどない。
【0004】
フロントガラスの湿気含有量を自動的に検出する別のシステムは、特開平7−286130号で開示されており、これは雨滴を検出するために車両フロントガラスの一部をイメージ形成する電荷結合素子(CCD)イメージ・センサの使用を説明している。同特許で説明されているシステムは、各画素と全画素の平均との差異の合計を計算する。残念ながら、対向車両のヘッドランプは、完全にぼかすことが難しく、雨と解釈され易い明るいスポットをイメージ中に生成する。更に、このようなシステムを効果的に作動させるために、イメージ形成された場面内の遠距離の対象物を完全にぼかす必要がある。そうでない場合には、遠距離の対象物に対応してイメージ形成された場面内に明暗領域が存在する。上記公開特許には、この目的を達成するための光学システムは開示されていないが、対向ヘッドランプを完全にぼかす光学システムを開発することは非常に困難である。対向するヘッドランプを完全にぼかすことができなければ、上記の日本公開特許で開示されているシステムが誤起動を起こす恐れがある。
【0005】
発明の譲受人に譲渡された米国特許第5,923,027号、第6,097,024号、及び第6,262,410号では、上述の問題を克服する湿気感知システムが開示されている。それでもなお、フロントガラス・ワイパーの誤起動の原因となる恐れがあるイメージ形成された場面内の光源を区別するため、開示されたシステムの能力を更に改良することが望ましい。
【0006】
ドイツ特許第DE19803694Clでは、車両のフロントガラスの実質的に同じ部分から2つの一次元イメージが収集される湿気感知システムが開示されている。イメージは、遠視野対象物を除去するために互いから差し引かれる。1つの実施形態において、単一の一次元アレイのセンサが使用され、2つの異なる、オフセットした光源からの光が連続的にフロントガラスのイメージ形成される部分に向かって配向される。センサアレイは、フロントガラスのどのような湿気からの反射も感知する。第1のイメージが第1の光源を使用して取得されて記憶され、続いて、第2のイメージが第2の光源を使用して収集される。次に、2つのイメージは互いから差し引かれて遠視野対象物が除去される。この実施形態は、2つの光源からの光を高レベルの周囲光と区別するためにシステムの能力に大きく依存する。また、2つのイメージが連続的に収集されるので、2つのイメージ中の遠視野対象物が移動してしまい、近視野イメージとなる可能性が大きくなる。
【0007】
【特許文献1】
特開平7−286130号公報
【特許文献2】
米国特許第5,923,027号公報
【特許文献3】
米国特許第6,097,024号公報
【特許文献4】
米国特許第6,262,410号公報
【特許文献5】
ドイツ特許第DE19803694Cl公報
【特許文献6】
米国特許第5,990,465号公報
【特許文献7】
米国特許第6,008,486号公報
【特許文献8】
米国特許出願第09/970,728号公報
【特許文献9】
米国特許第5,990,469号公報
【特許文献10】
米国特許出願第09/799,310号公報
【特許文献11】
米国特許第5,837,994号公報
【特許文献12】
米国特許第6,049,171号公報
【特許文献13】
米国特許第6,255,639号公報
【特許文献14】
米国特許第6,281,632号公報
【特許文献15】
米国特許出願第09/800,460号公報
【非特許文献1】
Warren J.Smithによる「Modern Optical Engineering」(52ページ)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
ドイツ特許第DE19803694Cl号では、フロントガラスの同じ部分をイメージ形成するために、2つの別個の水平にオフセットした一次元イメージ・センサアレイが2つの別個のレンズと組み合わせて使用される第2の実施形態が開示されている。この実施形態は第1の実施形態に関して上述の問題の一部に対処するものであるが、2つの別個のイメージ・センサアレイを必要とすることによってシステムのコストが増大する。2つの実施形態は、いずれも、フロントガラス上の対象物の空間的な分布などの有益な情報を取得することができるか、又は検出された光のレベルのける異常を容易に切り捨てることができるといった非常に堅牢なイメージを得ることができるものではない。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明の1つの実施形態によれば、周囲環境にあるとすることができる車両のランプ及び他の光源といった遠視野対象物を、車両のフロントガラスの湿気などの近視野イメージと確実に区別する湿気感知システムが提供される。これら及び他の態様及び利点を達成するために、第1及び第2の部分を有するセンサアレイと、表面の同じ部分をセンサアレイの第1及び第2の両方の部分にイメージ形成するように作動する少なくとも1つの光学システムと、センサアレイと通信しており、センサアレイの第1及び第2の部分からのイメージを解析して湿気を検出するように作動する処理システムとを備える、表面の湿気を検出するシステムが提供される。
【0010】
本発明の別の実施形態によれば、周囲環境にあるとすることができる車両のランプ及び他の光源なといった遠視野対象物を、車両のフロントガラスの湿気などの近視野イメージと確実に区別する湿気感知システムが提供される。これら及び他の態様及び利点を達成するために、互いに空間的にオフセットした第1及び第2のセンサアレイと、表面の同じ部分を第1及び第2のセンサアレイの両方にイメージ形成するように作動する少なくとも1つの光学システムと、センサアレイと通信しており、センサアレイからのイメージを解析して湿気を検出するように作動する処理システムとを備える、表面の湿気を検出するシステムが提供される。処理システムは、第1のセンサアレイの少なくとも1つの横列であるが全てではない横列からのイメージデータと、第2のセンサアレイの対応する横列からのイメージデータとを読み取り、読み取ったイメージデータを比較し、この比較の結果を記憶した後に、前記センサアレイの別の横列からのイメージデータを読み取る。
【0011】
別の実施形態によれば、第1及び第2の二次元イメージ・センサと、車両のフロントガラスの表面の同じ部分を第1及び第2のイメージ・センサ上にイメージ形成するように作動する光学システムと、イメージ・センサと通信しており、イメージ・センサからのイメージを解析し、フロントガラスの湿気を検出して、湿気が検出されたときにフロントガラス・ワイパーを起動するように作動する処理回路とを備える車両用フロントガラス・ワイパー制御システムが提供される。
【0012】
本発明の別の実施形態によれば、センサのアレイを含む光学システムと、センサと通信しており、制御される車両のフロントガラス上の湿気を感知し、制御される車両のほぼ前方の車両の光を検出して制御される車両の外部灯を制御する処理サブシステムとを備える制御される車両で使用されるシステムが提供される。
【0013】
本発明の別の実施形態によれば、制御される車両内で使用されるシステムが提供され、本システムは、センサの2つのアレイと2つのセンサアレイの1つに投射された光から赤色光以外の全てをフィルタリングするための赤色フィルタとを含む光学システムと、赤色光を制御される車両のフロントガラス上に投射するための光源と、センサと通信しており、制御される車両のフロントガラス上の湿気を感知するための処理サブシステムとを備える。
【0014】
本発明のこれら及び他の特長、利点、及び目的は、以下の明細書、特許請求の範囲、及び添付図面を参照することによって当業者には更に理解され認識されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
本発明による湿気感知システムは、車両のフロントガラスなどの表面の湿気を検出することができる。このようなシステムは、車両のフロントガラス・ワイパー、デフロスタ、及び/又はデフォッガシステムを自動的に制御するのに有用である。車両のフロントガラスの湿気を感知するシステムは、既知の湿気感知システムの性能上の欠陥の多くを排除し、湿気感知システムを商業的に成立し得るコストで提供する。本明細書で使用されるように、用語「湿気」は、降雨、降雪、氷、及び曇り、並びに虫、埃等の車両のフロントガラスに一般的に堆積する他の物質のような、様々な天候状態の間に車両のフロントガラスに見出すことができる種々の形の湿気及び降水を表すのに用いられる。システムは、氷、曇り、及び降雨、降雪の変化するレベル等の、むしろ一般的な天候状態の間に他の既知のシステムよりも優れた性能をもたらすことができる。
【0016】
以下で更に詳細に説明するように、フロントガラスの同じ部分を第1のイメージ・センサアレイと第2のイメージ・センサアレイの両方にイメージ形成する。次に、以下で詳細に説明するように、第1及び第2のイメージ・センサアレイから得られた2つのイメージをデジタル化し、互いに比較することができる。処理システムは、同じ面積を有する2つのイメージを2つのわずかに異なるパースペクティブから取得して解析することによって、両眼視差(ステレオイメージ形成としても知られる)の原理を利用して、近視野対象物を遠視野対象物と区別する能力を得ることができ、これにより、遠視野対象物をぼかすための高価な光学素子が不要となる。
【0017】
図1を参照すると、本発明の湿気感知システムは、全体が参照番号20で識別される。湿気感知システムは、自動車用バックミラー24の取り付けブラケット22に固定して取り付けるか、又は、バックミラーハウジング24の後部に取り付けることができる。更に別の代替案として、湿気感知システムは、オーバーヘッドコンソール、Aピラー、インストルメントパネルのダッシュボード、フロントガラス取り付けコンソール、又は他の任意の車両付属品に取り付けることができる。湿気感知システム20は、地面に実質的に平行か又は地面に対してわずかに角度が付けられた光軸で車両のフロントガラス26の55mmから105mm後に取り付けられたイメージ・センサ32を含む。最新の乗用車のフロントガラス26の角度は、モデル毎にかなり異っている。自動車フロントガラスの角度の一例は、約27°である。トラックのフロントガラスの角度は、大きく異なる可能性がある。このような構成は、イメージ・センサ32の視野に対して湿気がどこにあるかによって、雨滴及び他の湿気がイメージ・センサ32から異なった距離にあるものとなる。この問題の補償を支援するために、イメージ・センサ32の上部がフロントガラス26に接近して移動するようにイメージ・センサ32をフロントガラス26に向けて角度を付けることができる。例えば、フロントガラス角度が約27°の場合、イメージ・センサ32をフロントガラス26に向けて約12°から17°角度を付けることができる。
【0018】
イメージ平面が対象物平面に平行ではない場合、光学焦点は、レンズの平面で対象物平面とイメージ平面が互いに交差するときに得られる。これは、Warren J.Smithによる「Modern Optical Engineering」で見ることができるScheimpflug状条件の詳細として知られる(52頁)。
【0019】
或いは、適切な被写界深度で設計されたレンズシステムは、イメージ・センサがレンズ平面に平行に配置されているときにフロントガラス面のイメージを実質的にぼかすことができる。それにもかかわらず、このようなぼかしは、本明細書で説明されるようなステレオイメージ形成を用いたときには不要である。実際、両方の機能を得るために共通のイメージ・センサアレイを使用することができるように、本発明の降雨センサの機能をヘッドランプ減光システムと兼用することが有益とすることができる。このような構成では、フロントガラス上の対象物(すなわち雨)と遠距離にある対象物(すなわちヘッドランプ)の両方をイメージ形成するのに十分な被写界深度を有するように光学システムを構成することが望ましい。従って、ステレオイメージ形成センサ構成を用いることにより、両方の機能が得られるように共通の光学システムを使用することができる。
【0020】
本発明の湿気感知システム20には、4つの主要構成要素、すなわち、イメージ形成光学システム、発光ダイオード、イメージ・センサ、及び処理システムがある。イメージ形成光学システムは、図2、図6A、及び図6Bに示され、イメージ・センサアレイは、図2及び図5に示されている。
【0021】
イメージ形成光学システムは、フロントガラス26から近距離にある対象物はイメージ平面で焦点が合って鮮鋭であると共に、遠距離にある対象物は焦点が外れてぼけるように、フロントガラス26の所定部分をイメージ・センサの2つのセンサアレイ32a及び32bにイメージ形成するのに使用される。イメージ形成されるフロントガラス26の領域は、比較的小雨の条件の間で雨滴を受ける可能性がかなり高いように充分に大きくすべきである。更に、フロントガラスのイメージ形成領域もまた、フロントガラス・ワイパーによって拭き取られるフロントガラスの領域でなければならない。
【0022】
イメージ形成光学システムは、2つの両凸レンズ33a及び33bを含むことができる。レンズ33a及び33bは、レンズの真正面に直径約5mmのストップを形成する機械的なレンズマウントによって担持することができる。イメージ・センサ32は、レンズ33の後ろに配置され、約12°から17°だけわずかに角度が付けられている。
【0023】
レンズ33a及び33bは、共通の素子内に形成されたマイクロレンズとすることができる。このような構造の一実施例を図6A及び図6Bに示す。特に、フロントガラスからの距離がより短いことが所望の特長である場合には、例えば、付加要素、非球面要素、又はディフラクティブ対象物を有する、より精巧な光学システムを全て使用することができる。しかしながら、収集されるイメージは写真目的ではないことから、このような光学的品質は湿気検出用途には必要ない。
【0024】
イメージ・センサアレイ32は、CMOSアクティブ画素イメージ・センサであるのが好ましい。CMOSアクティブ画素イメージ・センサは、CMOSプロセスで製造されたチップ上で低コストで高感度のイメージ形成を提供する。このようなCMOSアクティブ画素イメージ・センサは、低電力消費の普及しているCMOS製造技術、同じチップ上に追加の回路構成を集積するための低コストの能力、可変読み出しウィンドウ、及び可変光統合時間を含む、他のセンサを上回る幾つかの利点を有する。このようなCMOSアクティブ画素イメージ・センサは、例えば、Photobit部品番号PB−0111を含むカリフォルニア州パサディナ所在のPhotobit Inc.,から市販されている。好適なシステムは、Jon H. Bechtel他による「CONTROL CIRCUIT FOR IMAGE ARRAY SENSORS」と題され、発明の譲受人に譲渡された米国特許第5,990,465号、及びJoseph S. Stam他による「WIDE DYNAMIC RANGE OPTICAL SENSOR」と題され、発明の譲受人に譲渡された米国特許第6,008,486号で詳細に説明されている。CMOSイメージ・センサの別個のサブウィンドウからイメージを取得する能力により、このシステムはイメージ・センサアレイが2つのアレイすなわち「サブウィンドウ」に分割される本発明において特に好適なものとなる。好適な実施形態において、処理システムは、Joseph S. Stam他によって2001年10月4日に出願された、「MOISTURE SENSOR AND WINDSHIELD FOG DETECTOR」と題された発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第09/970,728号で開示された方法でイメージ・センサアレイ部32a及び32bの各々の様々なサブウィンドウの露光を独立して制御する。
【0025】
CMOSアクティブ画素センサは実質的な利点を有するが、他のイメージ・センサもまた好適であり、本発明の範囲内であると考えられる。画素の大きさ及び数は、費用効果を維持しながら、小雨を適切に検出するのに十分に大きくかつ十分に詳細にフロントガラスの領域をイメージ形成するように決定される。例えば、2つの等しいアレイ32a及び32bに分割され、30μm画素サイズを有する64×80アクティブ画素アレイは、標準的な乗用車フロントガラス上で約30mm×30mmの面積をイメージ形成する。より好ましい実施例によれば、画素間隔7.8μmの352×288アクティブ画素アレイを有するPhotobit PB−0111共通中間フォーマット(CIF)イメージャが使用される。図5は、光学システムの2つのレンズが重ね合わされたCIFイメージャの実施例を示す。図示するように、部分32a及び32bは各々、画素が約176画素、すなわち1.3728mmだけ離間された2つのレンズ33a及び33bの中心に配置された288×176アレイである。非球面1mm厚アクリル製レンズ33a及び33bは、直径1.0mmであり、2.20mmの半径、円錐定数が−1.0を有し、イメージ・センサ表面から3.8mmの位置に配置されている。レンズ33a及び33bの焦点距離は、680mm波長で4.5mmである。最大視野は、17.4°×28.0°である。85mmに設定された例示的なフロントガラス−レンズ間距離では、最大可視面積は、フロントガラス角度27°の場合、43mm×63mmである。55mmに設定された例示的なフロントガラス−レンズ間距離では、最大可視面積は、フロントガラス角度27°の場合は28mm×41mmである。
【0026】
第1及び第2のイメージ・センサアレイ32a及び32bの両方は、単一のイメージ・センサアレイ32のサブウィンドウ部分であるとして開示されているが、特に、より大きな離間距離が所望される場合、2つの別個のイメージ感知素子を使用して第1及び第2のイメージ・センサアレイ32a及び32bを実施することができることは理解されるであろう。
【0027】
湿気感知回路のブロック図を図7に示す。上述のように、フロントガラス26の所定部分は、イメージ・センサ32の2つのアレイ部32a及び32bにイメージ形成される。イメージ・センサは、センサ32から取得されたデータを更に読み取って処理する処理システム/回路によって制御される。処理システムは、アナログ−デジタル変換器32、タイミング制御回路37、及びマイクロコントローラ38を含む。センサ32内の各画素のアナログ電圧は、アナログ−デジタル変換器35によってデジタル化されたグレースケール値に変換される。アナログ−デジタル変換器35は、タイミング制御回路37の制御下で作動され、該タイミング制御回路37は、マイクロコントローラ38によって制御される。タイミング制御回路37は、Jon H. Bechtel他による、「CONTROL CIRCUIT FOR IMAGE ARRAY SENSORS」と題された、発明の譲受人に譲渡された米国特許第5,990,469号で詳細に説明されている。
【0028】
好適なマイクロコントローラ38は、Motorola STAR12(商標)、部品番号MCS912D64である。マイクロコントローラが、イメージ・センサからのイメージ全体を記憶するのに十分なランダムアクセスメモリ(RAM)を収容していない場合には、CMOSイメージ形成センサのウィンドウ機能を使用して、マイクロコントローラ38の実装RAMにおいて十分に小さなサイズの異なる領域を代替的にイメージ形成及び処理することができる。或いは、Joseph S. Stam他によって2001年3月5日に出願された、「IMAGE PROCESSING SYSTEM TO CONTROL VEHICLE HEADLAMPS AND OTHER VEHICLE EQUIPMENT」と題された、発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第09/799,310号で開示されているインライン処理手順を使用して、プロセッサのメモリ要件を低くすることができる。
【0029】
上記の米国特許出願第09/970,728号で開示されているように、本明細書で開示されているような湿気感知システムは、イメージ・センサアレイのサブウィンドウを別個にイメージ形成することができるだけでなく、サブウィンドウの露光レベルを独立して調節することができる。また、上述の米国特許出願第09/970,728号の教示によれば、狭帯域フィルタと、フロントガラスのイメージ形成された領域を照光するための補助光源66(すなわち、LED)とを利用することが望ましいであろう。別個のイメージを補助照光が有る状態と無い状態で取得して、例えば、周囲光が小さい状況時のフロントガラス表面のイメージ形成を支援し、及び近視野対象物と遠視野対象物の識別を支援するための相関関係を有する二重サンプリング手法を用いて互いに比較することができる。従って、4つのイメージ、すなわち、補助照光を用いないレンズ33aを通る第1のイメージA、補助照光を用いたレンズ33aを通る第2のイメージA’、補助照光を用いないレンズ33bを通る第3のイメージB、補助照光を用いたレンズ33bを通る第4のイメージB’を効果的に獲得して処理することができる。従って、補助照光を用いないイメージデータを補助照光を用いたイメージデータから差し引くことにより、外部照光が除去されたイメージデータ(すなわち、A’−A、及びB’−B)が得られる。次に、レンズ33aを通るイメージを33bを介したイメージと比較するために、以下の処理、すなわち、(A’−A)−(B’−B)を行う。この処理に必要とされるメモリを最小限に抑えるために、両方のレンズ33a及び33bを介したイメージ(A’及びB’)を発光器がオンにされた状態で読み取って、これらの2つのイメージを差し引き(すなわち、A’−B’)、両方のレンズ33a及び33bを介したイメージ(A及びB)を発光器がオフにされた状態で読み取って、これらの2つのイメージを差し引き(すなわち、A−B)、次に、後者の差異を前者の差異から差し引く(すなわち、(A’−B’)−(A−B))。
【0030】
イメージがイメージ・センサ32によって収集されると、アナログ電圧によって表される各画素の輝度は、アナログ−デジタル変換器35よってデジタルグレースケール値に変換される。これらの値は、マイクロコントローラ38に実装することができるメモリに書き込まれ、マイクロコントローラ38、或いはデジタル信号プロセッサによって処理される。
【0031】
第1及び第2のイメージ・センサアレイ32a及び32bからのデジタル化されたイメージは、遠視野対象物を近視野対象物と区別するため互いに比較される。図3A及び図3Bに示すように、遠視野対象物(ツリー状に図示)は、レンズ33a及び33bの光軸に対してイメージ・センサアレイ32a及び32bの同じ位置にイメージ形成される。図3Cに示すように、2つのイメージが互いに差し引かれると、結果として得られるイメージから遠視野対象物のイメージが除去される。図4A及び図4Bに示すように、フロントガラス上の雨滴などの近視野対象物は、イメージ・センサアレイ32a及び32bの異なる位置にイメージ形成される。図4Cに示すように、2つのイメージが互いに差し引かれたときに、近視野対象物のイメージは、任意の遠視野対象物のイメージと異なり、結果として得られるイメージから除去されず、存在する可能性がある。
【0032】
2つのイメージは、単一のイメージアレイセンサの2つのサブウィンドウで同時に取得することができ、イメージデータは、インターリーブの様式で2つのサブウィンドウから読み取ることができる。例えば、第1のサブウィンドウの第1の横列を読み取り、第2のサブウィンドウの第1の横列を読み取ることができ、その結果、2つのサブウィンドウの第1の横列を比較することができる。これに続いて、2つのサブウィンドウの第2の横列を読み取って比較するなどを行うことができる。インターリーブの様式でイメージデータを読み取ることによって、両方のサブウィンドウイメージのイメージデータを記憶するのに必要とされるメモリが少なくなる。横列データが比較されると、記憶する必要があるのは比較データのみであり、横列データは、2つのサブウィンドウの次の横列データを読み出す前に破棄することができる。この方法によって処理が簡素化され、コストが低減される。また、これによって任意の一時的な誤差が最小限に抑えられ、サブウィンドウ間の差異の推定がより正確なものになる。同様の方法で、1より多いが全てではない横列を各サブウィンドウから読み取って比較することができる。このようなイメージ読み取りを達成する方法については上述の米国特許第5,990,469号を参照されたい。また、1つの横列のデータが読み取られるときに、その列がアレイの両方の領域32a及び32bを横切り、従って、単一の横列のデータが両方の領域32a及び32bからの対応するデータを含むように、イメージ・センサ32を光学システムに対して配向することができることに注意されたい。従って、本発明の利点を達成するために、単一の横列を読み取り、その列の半分を残りの半分から差し引くことができる。
【0033】
好ましい実施形態において、レンズ33a及び33bは、レンズの中心が横方向に互いから約1.3mmオフセットした状態でフロントガラスから約55mmから85mm後方に配置される。フロントガラスからの距離は、レンズ33aと33b間のオフセットを大きくすることによって延ばすことができる。好ましい実施形態では、レンズからの距離が150mmから200mmを上回る対象物は、上述の本発明の手法を用いてイメージ形成された場面から除去される遠視野対象物として効果的に処理される。これを立証するために、好ましいシステムの計算による解析を以下で説明する。
【0034】
図8は、レンズ33a及び33bの平面から距離dの距離に位置決めされ、かつ光学システムの中心から角度Aで配置された対象物70を示す。レンズ33a及び33bは、イメージ・センサ32から光学システムの焦点距離fに相当する距離に配置されており、レンズ33a及び33bの中心軸は、距離sだけ離間されている。図8では、A1は、イメージ形成された対象物とレンズ33aの中心間の角度に相当し、A2は、イメージ形成された対象物とレンズ32bの中心間の角度に相当し、X1は、イメージ平面上のレンズ33aを通るイメージの位置に相当し、X2は、イメージ平面上のレンズ33bを通るイメージの位置に相当する。好ましいCIFイメージャを使用して、
A(α)=α・π/180
s=1.3728mm
f=4.5mm
p=7,8μm
であり、ここで、
pは、イメージャ画素サイズ/間隔である。角度A1及びA2は、以下のように計算することができる。
A1(d、α)≡atan[d・tan(A(α))+s/2]/d
A2(d、α)≡atan[d・tan(A(α))−s/2]/d
【0035】
イメージ角度が対象物角度と同じと仮定する(ピンホールレンズによる近似)と、レンズ33a及び33bの中心に対するイメージ平面のイメージの位置X1及びX2は、それぞれ、以下のように計算することができる。
X1(α1)≡f・tan(α1)
X2(α2)≡f・tan(α2)
【0036】
画素において、その位置は、
X1p(α1)≡X1(α1)/p
X2p(α2)≡X2(α2)/p
【0037】
図9は、角度Aが4°、8°、12°である場合における、レンズからの対象物の距離dの関数としてイメージ平面での両方のレンズを通るイメージの画素位置を示すグラフである。図10は、0から1mの距離を示す対象物までの距離の関数としての、レンズ33aを通るイメージとレンズ33bを通る対応するイメージ間の位置の差異のグラフである。また、図11は、45mmから95mmの距離を示す対象物までの距離の関数としての、レンズ33aを通るイメージとレンズ33bを通る対応するイメージ間の位置の差異のグラフである。図9乃至図11から明らかなように、イメージの位置間の差異は、1m以上の距離にある対象物については実質的にゼロであり、一方、イメージの位置間の差異が95mm以下の距離については少なくとも8画素である。従って、遠距離にある対象物は、イメージの差し引きによって効果的に除去することができ、一方、フロントガラス表面の近距離の対象物は、イメージを差し引いた後でも残ることになる。レンズ33a及び33bを通るイメージの位置間の差は、対象物の角度Aが異なっても実質的には変化しない。
【0038】
従って、本発明は、遠距離にある対象物、特に別の方法では車両フロントガラス上の雨滴と区別し難い、ヘッドランプ、テールランプ、街路灯、交通信号、及び他の光源と容易に雨滴を区別することができる。
【0039】
一般に、任意の相対的な誤差の存在を判断するために第1及び第2のイメージ・センサアレイ32a及び32bからの2つのイメージが比較される。相対的誤差は、イメージ間の未処理の差異を考慮するか、2乗誤差の比を計算して解析するか、又は最も好ましくは相関定数を計算して解析することによって求めることができる。
【0040】
システムの精度を更に向上させるため、及びシステムが雨滴とフロントガラスのひび又はフロントガラス上の破片とを区別可能にするために、処理システム38は、エッジ検出法を用いることができ、及びイメージの空間的高周波成分を解析することができる。エッジ検出は、比較する前に第1及び第2のイメージ・センサアレイ32a及び32bからのイメージに対して別個に行うことができ、又は、既に除去された遠視野対象物との比較の結果として形成されたイメージに対して行うことができる。更に詳細には、雨滴は、フロントガラス上の雨滴の鋭いエッジから結果として生じる不連続部を定量化することによって検出される。これらの鋭いエッジは、小滴又は他の湿気による遠視野の対象物のランダムな光学イメージ形成と共に、雨又は他の水滴の合焦されたイメージによって生じる。イメージ内のエッジを検出するために、ラプラシアンフィルタ、ソーベルフィルタ、又は好ましくはプレビットフィルタを利用することができる。
【0041】
処理システムは、雨滴又は他の湿気のエッジ、及び小滴による遠距離にある対象物のランダムな合焦によって生じる鋭い不連続部に対して、第1及び2のイメージ・センサアレイからのイメージを解析することができる。これらの不連続部は、空間的な高周波成分を表す。高周波空間成分の大きさは、フロントガラス・ワイパーブレードの拭き取り頻度(すなわち、拭き取りの時間間隔)がフロントガラスの湿気量の関数として制御されるように、フロントガラス・ワイパーモータ制御40を制御するために使用される。
【0042】
また、上述のシステムはまた、フロントガラスのイメージ形成領域を通るワイパーブレードの通過を検出するのに使用することができる。自動車のワイパーがイメージ形成領域を横切る際に絶対に略垂直にならないように設計される場合には、上述のフィルタをこのような構成に適応するように変更することができる。例えば、イメージ処理の技術分野で良く知られた他の様々なエッジ検出方法も使用することができる。更に、車両フロントガラス・ワイパーのワイパー速度が速すぎて、必要な露光時間に対してイメージが若干ぼける場合、現在の画素のすぐ次の画素ではなく、現在の画素の左右の2つの位置にある画素を除外するように水平フィルタを変更することができる。
【0043】
ワイパーがイメージ形成領域を清浄にした後、フロントガラスの追加のイメージが取得される。これらのイメージは、次の拭き取りまで、後続の全ての測定値から差し引くことができるゼロ点測定値として使用することができる。このようにして、汚れたフロントガラス、割れ、引っ掻き傷、及び凍結した氷のイメージの長期の高周波空間成分は、検出される雨量には影響がない。
【0044】
フロントガラス・ワイパーが与えられた時間フレーム内で検出されなかった場合、システムは、フロントガラス・ワイパーがフロントガラスに凍結した結果として生じる可能性のある不具合が発生したものとみなす。このような状況では、氷が解凍することができる期間の間、本発明による湿気センサの動作を一時的に停止することができる。外気温度情報が利用可能である場合、凍結の気象条件を考慮して、ワイパーの故障が機械的な不具合か、或いは氷によるものかを判断することができる。
【0045】
また、本システムは、変動する光レベルに適応させることができる。特に、選択されたサイクルの間に、イメージの平均グレースケール値を計算することができる。この値が高い場合は光に対して過度露出であることを示しており、次のサイクルでの統合時間を短縮して平均輝度を下げることができる。同様に、光のレベルが低い場合、統合時間を長くすることができる。比較的暗い状態では、幾つかのイメージ・センサは、適度な時間内に十分な光を集めるて雨滴などの湿気を適切にイメージ形成することができない場合がある。このような状況では、イメージが取り込まれている間、背後から関心領域を短時間だけ照光するために追加の発光器66を設置することができる。車両のフロントガラスが赤外線をあまり吸収しない場合には、波長がイメージ・センサの検出可能な領域内にあれば、近赤外の発光器を用いることができる。赤外線発光器は、人間の目には見えず、従って運転者の気をそらさない利点がある。
【0046】
システムに選択性を与えるために、運転者オン/オフ感度制御回路44を設けることができる。この制御回路44を特別な状況、例えば、車両が自動洗車機に掛けられているときに使用して、システムの誤作動を防ぐことができる。間欠ワイパー制御を使用して、システムの感度の調節を可能にすることができる。
【0047】
また、本発明のシステムは、フロントガラスの内面又は外面上の曇りを検出するための機構を含むことができる。このような機構は、米国特許第5,923,027号で開示されている。本発明の湿気感知システムに対してこのような曇り検出機構を実施するために、発光器66に加えてLEDなどの発光器が追加されることになる。フロントガラスのイメージ形成された領域全体を照光する発光器66と異なり、追加の発光器は、イメージ・センサアレイの1つ又は両方を使用して感知される合焦された光点をフロントガラス上に照射するように構成されることになる。場合によっては、車両は、登坂走行時に装置が直接太陽をイメージ形成するような車両位置になることがある。この位置付けによって生じる放射負荷は、イメージ・センサ32に経時的な損傷を与える可能性がある。このような問題を軽減するために、防眩フィルタを使用してイメージ平面から太陽光のほとんどを一時的に排除することができる。他の光学電子デバイス又は光学機械デバイスもまた、使用することができる。
【0048】
上で開示したように、本発明の湿気感知システムは、ヘッドランプ減光システムと一体化することができる。ヘッドランプ減光システムの例は、発明の譲受人に譲渡された米国特許第5,837,994号、第6,049,171号、第6,255,639号、及び第6,281,632号で開示されている。上述のように、湿気感知システム及びヘッドランプ減光システムは、同じ光学システムを共有することができる。本発明のステレオ感知システムは、イメージ・センサを利用する他の形態の湿気感知システムのように、遠距離にある対象物をぼかすように光学システムを構成する必要がないことから、特にこのような一体化には好適である。更に、上記特許では、本明細書で開示されているものと同様の光学システムを利用するヘッドランプ減光回路が開示されている。
【0049】
図7は、本発明の一体化された湿気感知/ヘッドランプ減光システムを示すブロック図形態の電気回路図を示す。図示するように、共通のマイクロコントローラ38は、共通のセンサアレイ32からのイメージデータを処理するのに使用される。マイクロコントローラ38は、フロントガラス・ワイパー及びデフロスタの作動を制御すると共に、車両の外部灯75の作動を制御する。このような外部灯75には、ハイビーム及びロービームヘッドランプ、昼間走行灯、フォグライトなどの悪天候灯、パーキングランプ、テールランプ、ブレーキランプなどが含まれる。ヘッドランプ減光機能と湿気感知機能のデータ処理はかなり異なるものであり、これ以外の方法では両方の機能を処理するにはマイクロプロセッサ38の処理能力の大半を必要とするが、両機能の処理負荷を低減し、或いは両用途の処理作業のバランスを取るための措置を講じることができる。特に、降雨時にはロービームヘッドランプのみを作動することが一般に望ましいので、マイクロコントローラ38は、湿気が検出され及び/又はフロントガラス・ワイパー作動しているときには単に車両のハイビームヘッドランプを無効にし、コントローラの処理リソースを湿気感知機能に対して消費するようにすることができる。同様に、周囲の明るさが比較的大きい時間の間は、処理リソースを車両のヘッドランプ減光用の検出に消費する必要はなく、むしろ、湿気感知に対して使用することができる。必要であれば、イメージ・センサから読み取られたデータを処理するために別のプロセッサを利用した後に、処理されたデータをマイクロコントローラ38に伝達することができる。例えば、Joseph Stam他によって2001年3月5日に出願された、「SYSTEM FOR CONTROLLING EXTERIOR VEHICLE LIGHTS」と題された米国特許出願第09/800,460号で開示されているように、増設プロセッサを使用して、他の車両の可能性がある車両前方のランプのランプリストを特定することができる。同様に、フロントガラス上で検出される対象物に対してエッジ検出を行うために、このような増設プロセッサを使用することができる。
【0050】
本発明を特定の好ましい実施形態に従って本明細書で詳細に説明してきたが、当業者であれば本発明の新規教示及び利点から実質的に逸脱することなく、多くの修正及び変更を行うことができる。従って、全てのこのような修正は、特許請求の範囲で定義されるように本発明の範囲内に包含されることを意図しており、従って、添付の特許請求の範囲の範囲によってのみ限定され、本明細書で示した実施形態を説明する詳細及び手段によって限定されるものではないことは、出願人が意図するところである。
【図面の簡単な説明】
【0051】
【図1】本発明に従って構成された湿気感知システムを組み込むバックミラー組立体を示す側面図である。
【図2】本発明に従って構成された湿気感知システムを示す拡大図である。
【図3A】本発明の湿気感知システムを使用する遠視野対象物のイメージ形成を示す図である。
【図3B】図3Aに示すような遠視野対象物がイメージ形成されたときに本発明の湿気感知システムの2つのイメージ・センサアレイ部によって得られた例示的なイメージを示す図である。
【図3C】本発明の湿気感知システムによる一方のステレオイメージを他方のステレオイメージから差し引くことによって得られた遠視野イメージを示す図である。
【図4A】本発明の湿気感知システムを使用して近視野対象物のイメージ形成を示す図である。
【図4B】図4Aに示すような近視野対象物がイメージ形成されたときに本発明の湿気感知システムの2つのイメージ・センサアレイ部によって得られた例示的なイメージを示す図である。
【図4C】本発明の湿気感知システムによる一方のステレオイメージを他方のステレオイメージから差し引くことによって得られた近視野イメージを示す図である。
【図5】光学システムの2つのレンズが重ね合わされたCIFイメージャの実施例の平面図である。
【図6A】本発明の湿気感知システムに使用することができるレンズ33の平面図である。
【図6B】図6Aに示すレンズの側面図である。
【図7】本発明の湿気感知システムの電気回路のブロック図である。
【図8】対象物がレンズの平面から距離dに位置決めされ、かつ光学システムの中心から角度Aで配置された本発明のシステムの概略図である。
【図9】角度Aが4°、8°、12°である場合における、レンズからの対象物の距離dの関数としてイメージ平面での両方のレンズを通るイメージの画素位置を示すグラフである。
【図10】0から1mの距離を示す対象物までの距離の関数としての、レンズ33aを通るイメージとレンズ33bを通る対応するイメージ間の位置の差異のグラフである。
【図11】45mmから95mmの距離を示す対象物までの距離の関数としての、レンズ33aを通るイメージとレンズ33bを通る対応するイメージ間の位置の差のグラフである。
【符号の説明】
【0052】
26 フロントガラス
32 センサアレイ
33 両凸レンズ
66 補助光源
Claims (37)
- 表面の湿気を検出するシステムであって、
第1及び第2の部分を有するセンサアレイと、
前記表面の同じ部分を前記センサアレイの前記第1及び第2の部分の両方にイメージ形成するように作動する少なくとも1つの光学システムと、
前記センサアレイと通信しており、前記センサアレイの前記第1及び第2の部分からのイメージを解析して湿気を検出するように作動する処理システムと、
を備えるシステム。 - 前記処理システムは、前記イメージのエッジを前記イメージ・センサアレイの前記部分から検出するように構成されることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
- 前記処理システムは、更に、前記センサアレイの前記第1の部分からのイメージ内で検出されるエッジの相対位置を前記センサアレイの前記第2の部分からのイメージ内で検出されるエッジの相対位置と比較して、前記表面上の対象物を遠視野対象物と区別するように構成されることを特徴とする請求項2に記載のシステム。
- 前記処理システムは、前記センサアレイの前記第1の部分からのイメージ内の対象物の相対位置を前記センサアレイの前記第2の部分からのイメージ内の対象物の相対位置と比較して、前記表面上の対象物を遠視野対象物と区別するように構成されることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
- 前記処理システムは、前記センサアレイの前記第1及び第2の部分からのイメージをデジタル化して差し引き、前記表面上の対象物を遠視野対象物と区別するように構成されることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
- 前記センサアレイの前記第1及び第2の部分は、互いに垂直にオフセットしていることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
- バックミラー組立体を更に含み、前記センサアレイは前記バックミラー組立体上に支持されることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
- バックミラー組立体を更に含み、前記処理システムの少なくとも一部は前記バックミラー組立体上に支持されることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
- 前記処理システムは、前記センサアレイの前記第1の部分の少なくとも1つの横列であるが全てではない横列からのイメージデータと、前記センサアレイの前記第2の部分の対応する横列からのイメージデータとを読み取り、読み取ったイメージデータを比較し、この比較の結果を記憶した後に、前記センサアレイの前記第1及び第2の部分の別の横列からのイメージデータを読み取ることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
- 前記センサアレイの前記第1及び第2の部分は、二次元アレイであることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
- 前記センサアレイの前記第1及び第2の部分は、データを同時に収集することを特徴とする請求項1に記載のシステム。
- 表面の湿気を検出するシステムであって、
互いに空間的にオフセットした第1及び第2のセンサアレイと、
前記表面の同じ部分を前記センサアレイの前記第1及び第2の部分の両方にイメージ形成するように作動する少なくとも1つの光学システムと、
前記センサアレイと通信しており、前記センサアレイからのイメージを解析して湿気を検出するように作動する処理システムと、
を備え、
前記処理システムは、前記第1のセンサアレイの少なくとも1つの横列であるが全てではない横列からのイメージデータと、前記第2のセンサアレイの対応する横列からのイメージデータとを読み取り、読み取ったイメージデータを比較し、この比較の結果を記憶した後に、前記センサアレイの別の横列からのイメージデータを読み取ることを特徴とするシステム。 - 前記処理システムは、前記イメージ・センサアレイからの前記イメージのエッジを検出するように構成されることを特徴とする請求項12に記載のシステム。
- 前記第1及び第2のセンサアレイは、二次元アレイであることを特徴とする請求項12に記載のシステム。
- 前記第1及び第2のセンサアレイは、2つの別個のイメージ・センサの一部であることを特徴とする請求項12に記載のシステム。
- 前記第1及び第2のセンサアレイは、同じイメージ・センサの2つの異なる部分であることを特徴とする請求項12に記載のシステム。
- 前記第1及び第2のセンサアレイは、互いに垂直にオフセットしていることを特徴とする請求項12に記載のシステム。
- バックミラー組立体を更に含み、前記第1及び第2のセンサアレイは、前記バックミラー組立体上に支持されることを特徴とする請求項12に記載のシステム。
- 表面の湿気を検出する方法であって、
前記表面の同じ部分の二次元イメージを2つの異なる角度から取得する段階と、
前記2つのイメージをデジタル化する段階と、
前記2つのデジタル化されたイメージを互いに差し引いて、これにより結果として得られるイメージに前記表面の湿気に相当する近視野対象物に関係した情報を残しながら、前記結果として得られるイメージから遠視野対象物を除去する段階と
を含む方法。 - 車両用フロントガラス・ワイパー制御システムにおいて、
第1及び第2の二次元イメージ・センサと、
前記車両のフロントガラス表面の同じ部分を前記第1及び第2のイメージ・センサ上にイメージ形成するように作動する光学システムと、
前記イメージ・センサと通信しており、前記イメージ・センサからのイメージを解析し、前記フロントガラスの湿気を検出して、湿気が検出されたときに前記フロントガラス・ワイパーを起動するように作動する処理回路と、
を備えるシステム。 - 前記処理回路は、前記イメージ・センサからの前記イメージ内のエッジを検出するように構成されることを特徴とする請求項20に記載のシステム。
- 前記処理システムは、更に、前記第1のイメージ・センサからのイメージ内で検出されたエッジの相対位置を前記第2のイメージ・センサからのイメージ内で検出されたエッジの相対位置と比較して、前記表面上の対象物を遠視野対象物と区別するように構成されることを特徴とする請求項20に記載のシステム。
- 前記処理回路は、前記第1のイメージ・センサからのイメージ内の対象物の相対位置を前記第2のイメージ・センサからのイメージ内の対象物の相対位置と比較して、前記表面上の対象物を遠視野対象物と区別するように構成されることを特徴とする請求項20に記載のシステム。
- 前記処理回路は、前記第1及び第2のイメージ・センサからの前記イメージをデジタル化して差し引き、前記表面上の対象物を遠視野対象物と区別するように構成されることを特徴とする請求項20に記載のシステム。
- 前記第1及び第2のイメージ・センサは、同じイメージ・センサデバイスの2つの隣接する部分であることを特徴とする請求項20に記載のシステム。
- 前記第1及び第2のイメージ・センサは、2つの別個のイメージ・センサデバイスの一部分であることを特徴とする請求項20に記載のシステム。
- バックミラー組立体を更に含み、前記イメージ・センサアレイは、前記バックミラー組立体上に支持されることを特徴とする請求項20に記載のシステム。
- バックミラー組立体を更に含み、前記処理回路の少なくとも一部は前記バックミラー組立体上に支持されることを特徴とする請求項20に記載のシステム。
- 制御される車両で使用されるシステムであって、
センサのアレイを含む光学システムと、
前記センサと通信しており、前記制御される車両のフロントガラス上の湿気を感知し、前記制御される車両のほぼ前方の車両の光を検出して前記制御される車両の外部灯を制御する処理サブシステムと、
を備え、
前記処理サブシステムは、湿気が前記車両のフロントガラス上で検出されたときに前記制御される車両のハイビームヘッドランプの起動を無効にすることを特徴とするシステム。 - 前記処理サブシステムは、前記制御される車両の外部灯制御回路とフロントガラス・ワイパー制御回路の両方に結合されたマイクロプロセッサを含むことを特徴とする請求項30に記載のシステム。
- 前記処理サブシステムは、湿気が前記フロントガラス上で感知されたときに前記制御される車両のほぼ前方にある車両の光を検出しようしないことを特徴とする請求項30に記載のシステム。
- 前記処理サブシステムは、湿気が前記フロントガラス上で感知されたときに前記制御される車両のロービームヘッドランプを起動することを特徴とする請求項30に記載のシステム。
- 制御される車両内で使用されるシステムであって、
センサの2つのアレイと、該2つのセンサアレイの1つに投射された光から赤色光以外の全てをフィルタリングするための赤色フィルタとを含む光学システムと、
赤色光を前記制御される車両のフロントガラス上に投射するための光源と、
前記センサと通信しており、前記制御される車両のフロントガラス上の湿気を感知するための処理サブシステムと、
を備えるシステム。 - 前記光学システムは、各々のレンズが前記フロントガラス上の同じ領域からの光を前記センサアレイの異なる1つに合焦する2つのレンズを含むことを特徴とする請求項34に記載のシステム。
- 前記2つのセンサアレイは、センサの大きな方のアレイの異なる領域であることを特徴とする請求項34に記載のシステム。
- 前記処理サブシステムは、前記制御される車両のほぼ前方にある車両の光を検出して、前記制御される車両の外部灯を制御することを特徴とする請求項34に記載のシステム。
- 前記処理サブシステムは、湿気が前記車両フロントガラス上で検出されたときに前記制御される車両のハイビームヘッドランプの起動を無効にすることを特徴とする請求項37に記載のシステム。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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