JP2008164338A - 位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の相関を用いた方法で検出しにくいような測定対象でも、距離検出ができる位置測定装置を提供する。
【解決手段】照明装置より、レンズを通して、被測定対象物をスポット光により照明し、そのスポット光の位置を左右のカメラで撮像し、撮像面にスポットの画像を得る（撮像スポットと称する）。撮像スポットは、例えば、撮像された画面中で一番輝度の高い点、又は輝度が所定の閾値を超えた点をスポット光が照射された点とすればよい。左右のカメラで撮像された撮像スポットの撮像面上での位置が分かれば、ステレオ法により、スポット光が照射された点までの距離が計測できる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、位置検出装置に関するものである。

互いの光軸が平行になるように設置され、特定の基線長をもつ対をなす２つのカメラからなるステレオ画像入力手段を用いた位置計測装置は、ロボットや自動車などに使用され、三角測量の原理で測距し、対象周辺の情報や位置を監視するために使用されている。

このステレオ法による測距では、左右のカメラにて得られた像の視差により対象までの距離を計算する。この視差を求める際に左右の画像における測定対象の位置の対応を求めるために、互いの画像の相関度合いを、ＳＡＤ（Sum of Absolute Difference）法等を用いて求め、対をなす左右の画像を決定する。

この対をなす画像における測定対象の像は、光学的な歪みなどが無いかぎりは距離や位置が異なっても必ず対をなす画像において互いに対応する直線上に存在する。この直線はエピポーラ線と呼ばれ事前に光学的な歪み等を補正し直線になるようにし、相関を取る際にこの直線上の相関をとり左右のカメラにて得られた像の位置関係を演算する。また、このエピポーラ線が両画像にて互いに水平等位になるようにカメラを構成すれば画像処理上、演算量が減少するため処理が向上する。
特開平１１−３２５８９０号公報

左右二つの画像内の像の位置関係は、それぞれの各画素（あるいは小エリア）の相関をとることを行いながら相関値の高いものを対応付けるやり方が一般的である。しかし、測距対象が均一なパターンであったり、他にも類似性の高いパターンがあると相関を取ることが困難になってくる。

また、上記にて述べたようなカメラ構成は、たとえば振動や温度によるレンズの変形やカメラ筐体のゆがみなどによる経年変化などには対応できず、絶えず定期的に校正し直す必要がある。また、このような狂いが生じてしまうと左右のマッチングを取ることができない。又、誤検出を起こすため信頼性が低下するとともに、特開平１１−３２５８９０号公報（特許文献１）に記載されているようなあらかじめ位置が決められている基準マーカなどに対しても誤検出をおこしている可能性がある。

また誤検出している場合でも、実際に誤検出なのかどうか判定しにくいので、再校正のタイミングも難しいという問題点がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、従来の相関を用いた方法で検出しにくいような測定対象でも、距離検出ができる位置測定装置、及び、自身の異常を検出できる位置測定装置を提供することを課題とする。

前記課題を達成するための第１の手段は、互いの光軸が平行になるように設置され、特定の基線長をもつ対をなす２つのカメラからなるステレオ画像入力手段と、前記ステレオ画像入力手段で取得した一対の画像から、測定対象物の位置を検出する手段を備えた位置検出装置であって、前記測定対象物の１つ以上の場所を照明するためのスポット光照明装置を装備し、前記スポット光照明装置を時系列的に発光させ、それぞれの発光タイミングで前記スポット光により照射された前記測定対象物の撮像を前記ステレオ入力画像入力手段により行い、この撮像結果に基づいて前記測定対象物の位置を検出することにより、前記測定対象物の前記スポット光が照射された位置までの距離をそれぞれ検出することを特徴とする位置検出装置である。

「時系列的に発光させる」とは、測定対象物の異なる場所を順次照明していくことを意味するが、照明位置が１つの場合は、１回の発光であることは言うまでもない。

前記課題を解決するための第２の手段は、互いの光軸が平行になるように設置され、特定の基線長をもつ対をなす２つのカメラからなるステレオ画像入力手段と、前記ステレオ画像入力手段で取得した一対の画像から測定対象物の位置を検出する手段を備えた位置検出装置であって、前記測定対象物を照明するためのスポット光照明装置を装備し、前記スポット光照明装置を発光させ、発光タイミングで、前記スポット光により照射された前記測定対象物の撮像を前記ステレオ入力画像入力手段により行い、一方、前記スポット光照明装置を発光させないで前記測定対象物の撮像を、別の時点で前記ステレオ入力画像入力手段により行って、両撮像結果の差分をとり、前記差分の大きさが最大となる点、又は前記差分の大きさが所定の閾値を超える点を、前記スポット光が照射された位置として、その結果に基づいて、前記測定対象物の前記スポット光が照射された位置までの距離を検出することを特徴とする位置検出装置である。

前記課題を解決するための第３の手段は、互いの光軸が平行になるように設置され、特定の基線長をもつ対をなす２つのカメラからなるステレオ画像入力手段と、前記ステレオ画像入力手段で取得した一対の画像から、測定対象物の位置を検出する手段を備えた位置検出装置であって、前記測定対象物を照明するためのスポット光照明装置を装備し、前記スポット光照明装置を発光させ、発光タイミングで前記測定対象物に照射された前記スポット光の撮像を行い、前記２つのカメラで撮像された前記スポット光が、対応するエピポーラ線上に無い場合、装置が異常であるとして警報を発する機能を有することを特徴とする位置測定装置である。

本発明によれば、従来の相関を用いた方法で検出しにくいような測定対象でも、距離検出ができる位置測定装置、及び、自身の異常を検出できる位置測定装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の１例である位置測定装置の構成の概要を示す図である。この位置測定装置は、従来の距離測定に使用される赤外均一照明と、本発明の特徴である赤外スポット照明を有している。なお、赤外スポット照明は、複数設けられる場合がある。

選択エリア／スポット光切り替え装置１は、赤外均一照明２を発光させるか、赤外スポット照明３を発光させるかを制御し、さらに、赤外スポット照明３が複数ある場合には、どの赤外スポット照明３を発光させるかを制御する。従来と同じ条件で十分な精度の距離測定が行える場合には、選択により赤外均一照明２を発光させて従来と同じ方式の距離測定を行う。従来と同じ条件では距離測定が行えないと判断した場合は、選択により赤外スポット照明３を発光させて距離測定を行う。この判断は、後述する相関演算装置４により行われる。

測定対象物で反射された照明光は、互いの光軸が平行になるように設置され、特定の基線長を持つ、対をなす２つのカメラに入射する。この２つのカメラは同じ構成を持つので、一方のカメラについてのみ説明を行う。ところでカメラに入射した照明光は、可視光カットフィルタ５とレンズ系６を通り、赤外イメージセンサ７上に到達する。この赤外イメージセンサ７で撮像された測定対象物の像は、Ａ／Ｄ変換器８でＡ／Ｄ変換されてバッファメモリ９に格納される。その際、Ａ／Ｄ変換の結果より、平均輝度を算出し、平均輝度情報メモリ１０に入力し、その値により赤外イメージセンサ７の感度を調整する。バッファメモリ９に格納された画像データは、補正テーブル１１に格納された歪補正データにより歪補正装置１２で歪補正を受ける。そして、歪補正された左右の画像データから、相関演算装置４により対応する点が検出される。

このとき、従来法の赤外均一照明２で撮像した画像データでは、相関演算装置４が検出できないときは、赤外スポット照明３で撮像するように、選択エリア／スポット光切り替え装置１を制御する。そして、従来法で測定されたデータは、選択エリア距離演算装置１３により、選択エリア距離演算をステレオ法により施されて選択エリアの距離が算出される。一方、赤外スポット照明３を使用して撮像を行った場合は、スポット光距離演算装置１４により、スポット光距離演算をステレオ法により施されて、スポット光が照射された点までの距離が算出される。

図２は、被測定対象物の１箇所をスポット光により照明し距離測定を行う場合の原理を説明するための図である。なお、以下の図において、前出の図に示された構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付して、その説明を省略することがある。照明（赤外スポット照明３）装置より、レンズ１６を通して、被測定対象物をスポット光により照明し、そのスポット光で照明された被測定対象物を左右のカメラで撮像し、撮像面にスポット状に特定の領域だけ明るい画像を得る（撮像スポットと称する）。撮像スポットは、例えば、撮像された画面中で一番輝度の高い点、又は輝度が所定の閾値を超えた点をスポット光が照射された位置とすればよい。なお、この撮像スポットは、左右のカメラの撮像面の対応するエピポーラ線上に形成されるはずである。

左右のカメラで撮像された撮像スポットの撮像面上での位置が分かれば、ステレオ法により、スポット光が照射された点までの距離が計測できる。

図３は、被測定対象物の３箇所をスポット光により順次照明し距離測定を行う場合の原理を説明するための図である。照明（赤外スポット照明３）装置より、レンズを通して、被測定対象物をスポット光により順次照明し、その都度そのスポット光で照明された被測定対象物を左右のカメラで撮像し、撮像面に撮像スポットを得る。各々の撮像に置いて、撮像スポットは、例えば、撮像された画面中で一番輝度の高い点、又は輝度が所定の閾値を超えた点をスポット光が照射された点とすればよい。

左右のカメラで撮像された撮像スポットの撮像面上での位置が分かれば、ステレオ法により、スポット光が照射された点までの距離が計測できる。よって、この場合は、スポット光が照射された３点までの距離を、それぞれ測定することができる。

図４は、撮像画面に明るい点があり、照射されたスポットと区別がつきにくい場合に、照射されたスポットのみを検出する方法の例を示す図である。以下の説明においては、片側のカメラについてのみの説明を行うが、他方のカメラについても、動作は同じである。又、図１に示す装置構成に、更に差分抽出手段をバッファメモリ９と歪補正装置１２の間に設けている（図示せず）。

まず、スポット光を照射せずに撮像を行ってフレーム１に示す画像データを得る。続いてスポット光を照射して撮像を行い、フレーム２に示す画像データを得る。そして、差分抽出手段により、両画像データの差分データをとり、差分データが所定の閾値を超えた部分のみを検出すれば、撮像スポットのみを検出することができる。差分データの値が最大となった部分を撮像スポットとしてもよい。どちらの場合も、スポット光を照射して得た撮像データの値から、スポット光を照射しないで行った撮像データの値を引き、差分データが正の値として得られるようにする。

図５は、距離測定装置の異常を検出する方法の例を示すフローチャートである。又、図６は、本測定装置の異常を検出する方法を実施する装置の概要を示す図である。まず、選択エリア／スポット光切り替え装置１の制御を受け、スポット光を照射せずに撮像を行い、左右カメラの画像を取得する。そして、この画像データをバッファメモリ９に記憶する。続いて、スポット光を照射して撮像を行い左右カメラの画像を取得する。そして、図４に示したような手法により、差分抽出手段１５を使用して、スポット光を照射したときの撮像データと照射しないときの撮像データの差分をとり、撮像スポットを抽出する。

そして、歪補正・強調処理手段１２ａにより検出された撮像スポットの強調処理、歪補正（撮像位置の歪補正）を行う。次に相関演算装置４により、その後左右どちらかの撮像データについて撮像スポットを基準スポットとする。そして、基準スポットに対応するエピポーラ線を決定する。そして、反対側の撮像データについて、対応するエピポーラ線上に、撮像スポットがあるかどうかを相関処理により検索する（撮像スポットの位置は分かっているので、必ずしも相関処理を行う必要はない）。対応するエピポーラ線上に撮像スポットがあれば、それを使用して、ステレオ法により３次元座標の検出を行い、スポット照明をオフとする。

もし、対応するエピポーラ線上に撮像スポットが無ければ、撮像光学系、又は左右のカメラの相対位置関係に異常が起きていると判断して、相関演算装置４が警報装置１６に信号を出力し、補正誤差ありとの警報を発する。

本発明の実施の形態の１例である位置測定装置の構成の概要を示す図である。 被測定対象物の１箇所をスポット光により照明し距離測定を行う場合の原理を説明するための図である。 被測定対象物の３箇所をスポット光により順次照明し距離測定を行う場合の原理を説明するための図である。 撮像画面に明るい点があり、照射されたスポットと区別がつきにくい場合に、照射されたスポットのみを検出する方法の例を示す図である。 距離測定装置の異常を検出する方法の例を示すフローチャートである。 測定装置の異常を検出する方法を実施する装置の概要を示す図である。

符号の説明

１…選択エリア／スポット光切り替え装置、２…赤外均一照明、３…赤外スポット照明、４…相関演算装置、５…可視光カットフィルタ、６…レンズ系、…赤外イメージセンサ７、８…Ａ／Ｄ変換器、９…バッファメモリメモリ、１０…平均輝度情報メモリ、１１…補正テーブル、１２…歪補正装置、１２ａ…歪補正・強調処理手段、１３…選択エリア距離演算装置、１４…スポット光距離演算装置、１５…差分抽出手段、１６…レンズ

Claims (3)

1. 互いの光軸が平行になるように設置され、特定の基線長をもつ対をなす２つのカメラからなるステレオ画像入力手段と、前記ステレオ画像入力手段で取得した一対の画像から、測定対象物の位置を検出する手段を備えた位置検出装置であって、前記測定対象物の１つ以上の場所を照明するためのスポット光照明装置を装備し、前記スポット光照明装置を時系列的に発光させ、それぞれの発光タイミングで前記スポット光により照射された前記測定対象物の撮像を前記ステレオ入力画像入力手段により行い、この撮像結果に基づいて前記測定対象物の位置を検出することにより、前記測定対象物の前記スポット光が照射された位置までの距離をそれぞれ検出することを特徴とする位置検出装置。
2. 互いの光軸が平行になるように設置され、特定の基線長をもつ対をなす２つのカメラからなるステレオ画像入力手段と、前記ステレオ画像入力手段で取得した一対の画像から測定対象物の位置を検出する手段を備えた位置検出装置であって、前記測定対象物を照明するためのスポット光照明装置を装備し、前記スポット光照明装置を発光させ、発光タイミングで、前記スポット光により照射された前記測定対象物の撮像を前記ステレオ入力画像入力手段により行い、一方、前記スポット光照明装置を発光させないで前記測定対象物の撮像を、別の時点で前記ステレオ入力画像入力手段により行って、両撮像結果の差分をとり、前記差分の大きさが最大となる点、又は前記差分の大きさが所定の閾値を超える点を、前記スポット光が照射された位置として、その結果に基づいて、前記測定対象物の前記スポット光が照射された位置までの距離を検出することを特徴とする位置検出装置。
3. 互いの光軸が平行になるように設置され、特定の基線長をもつ対をなす２つのカメラからなるステレオ画像入力手段と、前記ステレオ画像入力手段で取得した一対の画像から、測定対象物の位置を検出する手段を備えた位置検出装置であって、前記測定対象物を照明するためのスポット光照明装置を装備し、前記スポット光照明装置を発光させ、発光タイミングで前記測定対象物に照射された前記スポット光の撮像を行い、前記２つのカメラで撮像された前記スポット光が、対応するエピポーラ線上に無い場合、装置が異常であるとして警報を発する機能を有することを特徴とする位置検出装置。

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