JP2006511826A - 乗員の頭部の現在位置を求める方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、車両（１）のキャビン（２）内でエアバッグモジュール（５）前方の自動ダイナミック遮断ゾーン（６）へ向かって運動する乗員（８）の頭部（９）の現在位置（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，．．．）を求める方法に関する。本発明では、頭部（９）の理想運動方向（１４）がカメラ（１６）の理想観察方向（１７）に対して垂直となる空間内の点が測定のベストポジションであるという着想を利用している。有利な実施例では、カメラ（１６）のその時点での観察方向（１８）に対して垂直な頭部（９）の真の運動ベクトルが計算される。本発明によれば、有利には、車両（１）の乗員保護能力が高められる。本発明の方法は特に今日の車両の乗員保護システムに適する。

Description

本発明は、車両のキャビン内でエアバッグモジュール前方のダイナミック遮断ゾーンへ向かって運動する乗員の頭部の現在位置Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，．．．を求める方法に関する。

車両の将来の乗員拘束システムでは、エアバッグのトリガの際、最適な保護効果を得るために、車両乗員のその時点での頭部位置を考慮しなければならない。この点での開発は例えば米国でのＦＭＶＳＳ２０８のような法規の制定に基づいてさらに促進される。

この種の法規の重要な要素として、エアバッグモジュール前方の自動ダイナミック遮断ゾーンが挙げられる。これを以下ではＣＯＯＰゾーン（クリティカルアウトオブポジションゾーン）とも称する。典型的にはこのゾーンの境界はエアバッグモジュールから乗員にむかって約１０ｃｍの距離にある。法規では、車両の乗員の頭部が事故が起こったときに（例えばフルブレーキの結果）エアバッグモジュールの方向へ近づいている場合、ＣＯＯＰゾーンへ頭部または上半身が切迫していく前にエアバッグを遮断しなければならないと定められている。ここで重要なのはエアバッグへ向かう頭部（一般的には顔面部分）または上半身（一般的には胸部）からエアバッグモジュールまでの距離である。

この機能を最適化するための重要な基準はいわゆる切換ゾーンの大きさである。一方では頭部が切迫していく前にエアバッグを遮断しなければならないし、他方では乗員がエアバッグモジュールから充分に離れているのに保護能力が働かないということがないようにしなければならない。したがって切換ゾーンはできるだけ小さく選定すべきである。切換ゾーンの大きさは典型的には数ｃｍである。

乗員の頭部からエアバッグモジュールまでの距離を測定するために、無接触の光学装置が開発されている。この光学装置は有利にはステレオスコピック法、光束法または伝搬時間法（ＴＯＦ）にしたがった３Ｄカメラである。

この種の画像検出ユニットは典型的には車両座席のあいだの上方、ルーフモジュールに組み込まれている。これについては図１，図２を参照されたい。組み込み位置は有利には、カメラの視野が通常の状況のもとで（例えば乗員が新聞を読んだりしても）容易に塞がれない箇所に定められる。ただしこのカメラは頭部がＣＯＯＰゾーンへ切迫していくときにエアバッグモジュールに向かう部分（顔など）を捉えることができないという欠点を有している。画像検出ユニットはこの場合乗員の後頭部しか捉えられないからである。

この問題は頭部の平均の大きさを仮定することによって解決される。ただしこの仮定は例えば頭髪が広がっていたり、被り物をしていたりするときには大きなエラーを生ずることがある。こうしたときにはこの仮定は該当しない。したがって切換ゾーンを不確かなシナリオに基づいて想定されうるかなり大きな範囲に選定しなければならなくなってしまう。

図３にこうした状況が示されている。ふつうに着席している乗員の頭部位置Ａで、カメラは乗員の顔を捉えており、頭髪は捉えていない。ただしＣＯＯＰゾーンに顔のかかっている頭部位置Ｂではカメラは乗員の後頭部を捉えており、乗員の顔ではなくて髪が写っている。

図４には、平均的な頭部の大きさの仮定からはみ出した頭髪の様子が示されている。つまりカメラは遮断ゾーン外の位置を検出しているが、頭部はすでに遮断ゾーン内へ入ってしまっている。

本発明の課題は、前述の欠点を回避できる車両乗員の頭部位置の正確な検出方法および装置を提供することである。特に本発明によれば最小限の切換ゾーンが実現され、もちろん乗員からエアバッグモジュールまでの距離が充分あるときの保護能力は維持される。

この課題は独立請求項の特徴部分に記載の構成により解決される。本発明の有利な実施形態は個別にも任意に組み合わせても使用可能であり、従属請求項の対象となっている。

乗員の理想運動方向に対してほぼ垂直に延在する理想観察方向を有する画像検出ユニットを用いて、車両のキャビン内でエアバッグモジュール前方の自動ダイナミック遮断ゾーンへ向かって運動する乗員の頭部の現在位置Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，．．．を求める本発明の第１の方法では、画像検出ユニットにより少なくとも周期的に乗員を含む車両のキャビン内の画像シーンが記録されて乗員の画像情報が検出され、その時点の画像シーン内で頭部の幾何学的中心の位置と運動方向での頭部の見かけの大きさとが求められ、画像検出ユニットのその時点での観察方向が画像検出ユニットの定義位置から頭部の幾何学的中心のその時点の位置までを表すベクトルとして定義され、理想観察方向と画像検出ユニットのその時点での観察方向との為す角度αが計算され、角度αの最新値および頭部の見かけの大きさの最新値がメモリへ格納され、頭部の大きさとして角度αと０゜との差の絶対値が最小であったときの値がメモリから取り出され仮定される。

従来技術とは異なり、本発明では、平均的な頭部の大きさに代えて、現実に即した見かけの頭部の大きさが求められる。求められた頭部の大きさの集合から例えば並列動作での位置計算の最中、つねに真の頭部の大きさに最も近似する大きさ（もちろん理想的には真の頭部の大きさに相応する大きさ）が選択され、これに基づいて計算が行われる。頭部の大きさについて現実性を志向し、これをエアバッグモジュール前方のその時点での頭部位置検出の基礎とすることにより、従来技術よりもはるかに正確な位置検出が行われ、切換ゾーンを格段に小さくすることができる。したがって車両乗員に対する高い保護能力が保証される。

乗員の理想運動方向に対してほぼ垂直に延在する理想観察方向を有する画像検出ユニットを用いて、車両のキャビン内でエアバッグモジュール前方の自動ダイナミック遮断ゾーンへ向かって運動する乗員の頭部の現在位置Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，．．．を求める本発明の第２の方法では、画像検出ユニットにより少なくとも周期的に乗員を含む車両のキャビン内の画像シーンが記録されて乗員の画像情報が検出され、その時点の画像シーン内で頭部の幾何学的中心の位置と運動方向での頭部の見かけの大きさとが求められ、画像検出ユニットのその時点での観察方向が画像検出ユニットの定義位置から頭部の幾何学的中心のその時点の位置までを表すベクトルとして定義され、頭部の理想運動方向と画像検出ユニットのその時点での観察方向との為す角度βが計算され、角度βの最新値および頭部の見かけの大きさの最新値がメモリへ格納され、頭部の大きさとして角度βと９０゜との差の絶対値が最小であったときの値がメモリから取り出され、仮定される。この第２の方法によっても前述の利点が得られる。

本発明の有利な実施形態では、画像検出ユニットはステレオスコピック法、光束法、伝搬時間法またはその他の手法にしたがった３Ｄカメラである。３Ｄカメラの使用は特に本発明の第２の方法、すなわち理想運動方向および／または理想観察方向に代えてその時点での位置検出を３次元空間における真の運動ベクトルに基づいて行う場合に有利である。

頭部の理想運動方向に基づいて位置を検出する手段に代えて、本発明によれば、有利にはその時点での頭部の真の運動ベクトルと画像検出ユニットのその時点での観察方向ベクトルとのあいだの角度βが計算される。これにより有利には、例えばサイドウィンドウを眺めて乗員が横向きに着席している場合などにも本発明の方法のローバスト性が保証される。

有利には頭部の幾何学的中心の位置を表す最新値が記憶され、その時点での運動ベクトルが記憶された頭部の３Ｄ位置の最新値から簡単に計算される。

本発明によれば、有利には、画像検出ユニットの定義位置が、画像検出ユニットの対物アパーチャの中心点を基礎として、すなわちステレオカメラの場合には左方の対物レンズを基礎として定められる。

本発明の別の有利な実施形態では、画像検出ユニットにより連続的にシーンの関心領域の画像が少なくとも１秒当たり２５枚、有利には少なくとも１秒当たり３０枚、特に有利には少なくとも３５枚記録される。これにより有利にはフィルム速度を有効に活用したオンライン観察が実現される。

有利には、メモリのサイズが、少なくとも関心領域の第１の頭部位置Ａ（初期位置）から第２の頭部位置Ｂ（ＣＯＯＰゾーンでの顔の位置）までの緩慢な頭部の運動の測定値全体を記憶できるように設計される。

本発明の別の有利な実施形態では、メモリは、少なくとも複数の値を中間記憶し、最も旧い値が最新値によってつねに置換されるリングバッファである。

また有利には、頭部の運動の記録はカルマンフィルタなどのフィルタおよび／または運動モデルによってフィルタリングされる。

画像検出ユニットによる頭部の位置検出に代えて、他の任意の身体部分の位置検出を基礎としてもよいことを付言しておく。特に車両の乗員の上半身の大きさを検出することができる。

本発明の別の有利な実施形態では、乗員の種々のプロフィルが３Ｄの全体像として結合される。このために有利には、乗員の前面、例えば容貌のプロフィルが全体像からシミュレートされる。これにより遮断ゾーンまたはエアバッグモジュールまでの距離が従来技術よりも正確に計算される。

完全性のために、本発明を任意に、車両のキャビン内でエアバッグモジュール前方の自動ダイナミック遮断ゾーンへ向かって運動する乗員の頭部の現在位置Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，．．．を求める装置にも適用可能であることを付言しておく。この装置は前述した本発明の方法を実行するのに適した手段を備えている。

冒頭に言及した法規ＦＭＶＳＳ２０８に関連して周知のように、カメラシステムによる認可法における頭部位置測定の信頼性および再現性の問題が提起される。いずれにしても本発明はｃｍ領域での頭部位置測定によってそもそも著しい改善が得られる。車両の乗員の保護能力は有利に高められる。本発明は特にこんにちの車両の乗員保護装置に適している。

本発明を以下に図示の実施例に則して説明する。図１には車両キャビン内の画像検出ユニットの典型的な組み込み位置の平面図が示されている。図２には図１の組み込み位置を側方から見た図が示されている。図３には乗員の頭部の大きさを仮定して頭部位置を測定する様子が示されている。図４には図３の仮定に基づいて乗員の頭部位置を測定したが長い頭髪によって誤りが生じた様子が示されている。図５には本発明の頭部位置の測定手段の第１の実施例が示されている。図６には本発明の頭部位置の測定手段の第２の実施例が示されている。

図１には画像検出ユニット１６を車両１のキャビン２へ組み込む際の典型的な組み込み位置が示されている。

図２には図１のキャビンを横から見た図が示されている。

一般に、画像検出ユニット１６、例えば３Ｄカメラは典型的には車両座席３の上方、ルーフモジュール２０に組み込まれている。座席３の前方、典型的には計器パネル４にエアバッグモジュール５が収容されている。エアバッグモジュールの前方の自動ダイナミック遮断ゾーン（ＣＯＯＰゾーン）６は、法規にしたがって、最小距離が得られないとき、乗員８がエアバッグモジュールによって怪我をするのを防ぐために利用される。カメラ１６の組み込み位置２０は有利には、カメラの視野が通常の状況のもとで（例えば乗員８が新聞を読んだりしても）容易に塞がれない箇所に定められる。ただしこのカメラ１６は頭部９がＣＯＯＰゾーン６へ切迫していくときにエアバッグモジュール５に向かう部分（顔など）を捉えることができないという欠点を有している。カメラ１６はこの場合乗員の後頭部しか捉えられないからである。

この問題は頭部の平均の大きさを仮定することによって解決される。ただしこの仮定は例えば長い髪が広がっていたり被り物をしていたりするときには大きなエラーを生ずることがある。こうしたときには仮定は該当しない。したがって遮断ゾーンの前方の切換ゾーン７について、不確かなシナリオに基づいて想定されうるかなり大きな範囲を選定しなければならなくなってしまう。

図３に頭部の平均の大きさを仮定して乗員８の頭部位置を測定するこうした状況が示されている。ふつうに着席している乗員８の頭部位置Ａでは、カメラ１６は乗員の顔１２を捉えており、頭髪は捉えていない。ただしＣＯＯＰゾーンに顔のかかっている頭部位置Ｂでは、カメラは乗員の後頭部を捉えており、乗員８の顔１２ではなく頭髪が写っている。

図４には、図３の仮定に基づく測定に誤りの生じるケースが示されている。平均的な頭部の大きさの仮定からわずかにはみ出した頭髪により、頭部９はすでに遮断ゾーン６内へ入っているというのに、カメラは遮断ゾーン６外の位置を検出してしまう。

図５には頭部位置を測定する本発明の方法の第１の実施例が示されている。特に頭部位置Ｃで乗員８の頭部９の大きさ１１ができるかぎり正確に求められる。本発明では、こうした測定に対する最良位置は頭部９の理想運動方向１４がカメラ１６の理想観察方向１７に対して垂直となる空間内点であるという着想を基礎としている。測定は有利には頭部９の幾何学的中心１０がこの点を通るときに行われる。

例えばアルゴリズムとして構成される頭部９の実際の大きさ１１を求める方法は有利には次のようになる。

まずその時点の３Ｄ画像において周知の画像処理の手法により頭部９の幾何学的中心１０の位置が測定され、運動方向１４での頭部９の見かけの大きさ１１が求められる。

カメラ１６のその時点での観察方向１８は定義されたカメラ位置１９、例えばカメラ１６の対物アパーチャの中心点（ステレオカメラの場合には左方の対物レンズ）から頭部９の幾何学的中心１０へのベクトルとして定義される。

線形代数の周知の手法にしたがって、３Ｄカメラ１６の理想観察方向１７と実際の観察方向１８との為す角度αが計算される。これに代えて、または妥当性検査としてこれに加えて、頭部９の理想運動方向１４と画像検出ユニット１６の実際の観察方向１８との為す角度βを求めてもよい。

角度α，βのそのつどの最新値および頭部の見かけの大きさ１１は、有利には、図示されていないリングバッファに記憶される。リングバッファでは最も旧い値が最新の値によってつねに置換される。リングバッファの大きさは、有利には、少なくとも頭部位置Ａから頭部位置Ｂへの緩慢な頭部の運動１４についての測定値全体を記憶可能であるように選定されている。

頭部位置として、本発明によれば、角度αと０゜との差の絶対値または角度βと９０゜との差の絶対値が最小であったときの値がリングバッファから取り出され、仮定される。

図６には本発明の頭部位置の測定方法の第２の実施例が示されている。

まずその時点での３Ｄ画像について周知の画像処理法を用いて頭部９の幾何学的中心１０の位置と、運動方向１４での頭部９の見かけの大きさ１１とが求められる。

またカメラ１６のその時点での観察方向１８が、定義されたカメラ位置１９、例えばカメラの対物アパーチャの中心点（ステレオカメラの場合には左方の対物レンズ）から頭部９の幾何学的中心１０の位置までのベクトルとして定義される。

図５には位置１０の先行値および最新値が記憶される様子が示されている。頭部９の真の運動ベクトル１５は３次元の頭部位置１０について記憶された最新値から計算される。

線形代数の周知の手法にしたがって、頭部９の真の運動ベクトル１５と３Ｄカメラ１６の実際の観察方向１８との為す角度βが計算される。

角度βのそのつどの最新値および頭部の見かけの大きさ１１は有利には図示されていないリングバッファに記憶される。リングバッファではつねに最も旧い値が最新値によって置換される。

頭部の大きさとしてつねに角度βと９０゜との差の絶対値が最小であったとき、つまりジオメトリが最良に“垂直条件”に相応するときの値がメモリから取り出され、仮定される。

前述の方法は別の手段によって安定化することができることを付言しておく。有利には、頭部の運動１４，１５はカルマンフィルタなどのフィルタおよび／または運動モデルによってフィルタリングすることができる。

上述の方法は有利には乗員の上半身１３からエアバッグモジュール５までの距離を測定する際にも適用可能である。この場合には頭部９の大きさ１１に代えて、乗員８の上半身１３の大きさが３Ｄカメラ１６により求められる。

上述の方法はさらに乗員８の種々のプロフィルに対して適用することもできる。これはカメラ１６に対する乗員８の種々の位置Ａ，Ｂ，Ｃ，．．．に基づいて取得され、３次元の乗員の全体像として結合される。例えば乗員がふつうに着席しているときの前向きの像Ａ、カメラ１６の側方の横向き像Ｃ、および腰を折っているときの背面像Ｂとが結合される。

乗員８の部分像Ａ，Ｂ，Ｃ，．．．を結合するために、乗員８の前方への運動において３Ｄカメラ１６により記録されリングバッファに中間記憶されていた全ての部分像Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，．．．が利用される。

乗員がＣＯＯＰゾーン６の近傍に位置している場合、３Ｄカメラ１６では実質的には当該の乗員の背面しか捉えられない。乗員８の不可視の前面１２は上述のようにして求められた全体像からシミュレートされ、エアバッグモジュール５までの距離が正確に計算される。

本発明によれば、有利には、車両１の乗員８の保護能力が高められる。本発明の方法は特にこんにちの車両１の乗員保護システムに適している。

車両キャビン内の画像検出ユニットの典型的な組み込み位置の平面図である。 図１の組み込み位置を側方から見た図である。 乗員の頭部の大きさを仮定して頭部位置を測定する様子を示す図である。 長い頭髪によって誤りが生じた様子を示す図である。 本発明の頭部位置の測定手段の第１の実施例を示す図である。 本発明の頭部位置の測定手段の第２の実施例を示す図である。

Claims (14)

1. 乗員（８）の理想運動方向（１４）に対してほぼ垂直に延在する理想観察方向（１７）を有する画像検出ユニット（１６）を用いて、車両（１）のキャビン（２）内でエアバッグモジュール（５）前方の自動ダイナミック遮断ゾーン（６）へ向かって運動する乗員（８）の頭部（９）の現在位置（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，．．．）を求める方法において、
   画像検出ユニット（１６）により少なくとも周期的に乗員（８）を含む車両（１）のキャビン（２）内の画像シーンを記録して乗員（８）の画像情報を検出し、
   その時点の画像シーン内で頭部（９）の幾何学的中心（１０）の位置と運動方向（１４）での頭部（９）の見かけの大きさ（１１）とを求め、
   画像検出ユニット（１６）のその時点での観察方向（１８）を、画像検出ユニット（１６）の定義位置（１９）から頭部（９）の幾何学的中心（１０）のその時点の位置までを表すベクトルとして定義し、
   理想観察方向（１７）と画像検出ユニット（１６）のその時点での観察方向（１８）との為す角度αを計算し、
   角度αの最新値および頭部（９）の見かけの大きさ（１１）の最新値をメモリへ格納し、
   頭部（９）の大きさとして角度αと０゜との差の絶対値が最小であったときの値をメモリから取り出して仮定する
   ことを特徴とする乗員の頭部の現在位置を求める方法。
2. 乗員（８）の理想運動方向（１４）に対してほぼ垂直に延在する理想観察方向（１７）を有する画像検出ユニット（１６）を用いて、車両（１）のキャビン（２）内でエアバッグモジュール（５）前方の自動ダイナミック遮断ゾーン（６）へ向かって運動する乗員（８）の頭部（９）の現在位置（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，．．．）を求める方法において、
   画像検出ユニット（１６）により少なくとも周期的に乗員（８）を含む車両（１）のキャビン（２）内の画像シーンを記録して乗員（８）の画像情報を検出し、
   その時点の画像シーン内で頭部（９）の幾何学的中心（１０）の位置と運動方向（１４）での頭部（９）の見かけの大きさ（１１）とを求め、
   画像検出ユニット（１６）のその時点での観察方向（１８）を、画像検出ユニット（１６）の定義位置（１９）から頭部（９）の幾何学的中心（１０）のその時点の位置までを表すベクトルとして定義し、
   頭部（９）の理想運動方向（１４）と画像検出ユニット（１６）のその時点での観察方向（１８）との為す角度βを計算し、
   角度βの最新値および頭部（９）の見かけの大きさ（１１）の最新値をメモリへ格納し、
   頭部（９）の大きさとして角度βと９０゜との差の絶対値が最小であったときの値をメモリから取り出して仮定する
   ことを特徴とする乗員の頭部の現在位置を求める方法。
3. 画像検出ユニット（１６）をステレオスコピック法、光束法、伝搬時間法またはその他の適切な手法にしたがった３Ｄカメラとする、請求項１または２記載の方法。
4. 頭部（９）の理想運動方向（１４）を基礎とすることに代えて、頭部（９）の真の運動ベクトル（１５）と画像検出ユニット（１６）のその時点での観察方向（１８）との為す角度βを計算する、請求項２または３記載の方法。
5. 頭部（９）の幾何学的中心（１０）の位置を表す最新値を記憶し、その時点での運動ベクトル（１５）を記憶された頭部（９）の３Ｄ位置の最新値から計算する、請求項４記載の方法。
6. 画像検出ユニット（１６）の定義位置（１９）を、画像検出ユニット（１６）の対物アパーチャの中心点を基礎として、すなわちステレオカメラの場合には左方対物レンズを基礎として定める、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 画像検出ユニット（１６）により連続的にシーンの関心領域の画像を少なくとも１秒当たり２５枚、有利には少なくとも１秒当たり３０枚、特に有利には少なくとも３５枚記録する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 少なくとも関心領域の第１の頭部位置（Ａ）から第２の頭部位置（Ｂ）までの緩慢な頭部の運動の測定値全体を記憶できるようにメモリサイズを設計する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 少なくとも複数の値を中間記憶し、最も旧い値が最新値によってつねに置換されるリングバッファをメモリとして用いる、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 頭部の運動（１４または１５）の記録をフィルタおよび／または運動モデルによってフィルタリングする、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
11. 頭部（９）の大きさ（１１）に代えて、乗員（８）の上半身（１３）の大きさまたは他の身体部分の大きさを画像検出ユニット（１６）により求める、請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。
12. 乗員（８）の種々のプロフィルを３Ｄの全体像として結合する、請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法。
13. 乗員（８）の前面、例えば容貌のプロフィル（１２）を全体像からシミュレートし、遮断ゾーン（６）またはエアバッグモジュール（５）までの距離を計算する、請求項１１記載の方法。
14. 車両（１）のキャビン（２）内でエアバッグモジュール（５）前方の自動ダイナミック遮断ゾーン（６）へ向かって運動する乗員（８）の頭部（９）の現在位置（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，．．．）を求める装置において、
    請求項１から１３までのいずれか１項記載の方法を実行する適切な手段を有する
    ことを特徴とする乗員の頭部の現在位置を求める装置。

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