JP2008249430A - Two-dimensional information detecting method and its device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a two-dimensional information detecting method and its device for realizing higher speed and precision of distance image detection. <P>SOLUTION: Intensity-modulated light beams of M kinds with their phases shifted in increments of π/M (M is an integer equal to four or larger) are sequentially switched with respect to each frame and applied to a subject. When the respective light beams are applied to the subject, reflected light beams from the subject are passed through a shutter to take two-dimensional images of M kinds with respect to each frame, the shutter shifting the time of photo-storage and transfer with respect to each horizontal scanning line. Based on ratios of the sum of difference images which are differences between the two-dimensional images of M kinds to differences in the difference images, a distance image is calculated in which distance is expressed by the luminance of the image. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、3次元情報検出方法及びその装置に関し、特に、カメラから被写体までの距離を検出し3次元情報を取得する3次元情報検出方法及びその装置に関する。   The present invention relates to a three-dimensional information detection method and apparatus, and more particularly to a three-dimensional information detection method and apparatus for detecting a distance from a camera to a subject and acquiring three-dimensional information.

カメラから被写体までの距離を検出し3次元情報を取得する3次元情報検出方法としては、例えば特許文献1や特許文献2に記載のものがある。   As a three-dimensional information detection method for detecting a distance from a camera to a subject and acquiring three-dimensional information, for example, there are methods described in Patent Document 1 and Patent Document 2.

特許文献1に記載のイメージレーザレーダ装置は、所定周波数で強度変調され出射光を被写体に照射するレーザ光源と、被写体からの反射光を受光して像増強する機能を有し、所定周波数でゲインが変調されるイメージインテンシファイア管と、このゲイン変調周期の略1/4以下の周期であってゲインが単調に増加又は減少する期間においてのみイメージインテンシファイアの出力をオンとするゲート手段とを備え、これらの周期が同期することにより、距離に応じて濃淡が周期的に繰り返して変化する情報を得ることができ、測距結果を濃淡イメージで得るようにしたものである。   The image laser radar apparatus described in Patent Document 1 has a laser light source that is intensity-modulated at a predetermined frequency and irradiates a subject with emitted light, and has a function of receiving reflected light from the subject and enhancing the image, and gain at a predetermined frequency. And an image intensifier tube in which the output of the image intensifier is turned on only in a period in which the gain monotonously increases or decreases in a period of approximately ¼ or less of the gain modulation period. By synchronizing these periods, it is possible to obtain information in which the shade changes periodically according to the distance, and the distance measurement result is obtained as a shade image.

特許文献2は、所定の輝度を有する光で照明された被写体を光学像として結像し、この光学像を所定の撮像利得で撮像した映像から、被写体の各点の距離を検出する3次元情報検出方法であって、前記所定の輝度及び撮像利得の少なくとも一方が時間と共に変化するものであり、これにより前記被写体の各点の距離を映像信号のフレーム時間に実時間で追随する速度で検出できるようにするものである。時間と共に変化する輝度又は撮像利得を利用することで、撮像された被写体の映像の2次元的な輝度分布が得られ、この輝度分布には被写体の各点までの距離情報が含まれるため、被写体の3次元情報を検出することができる。
特開平6−294868号公報 特開2000−121339号公報
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-228667 forms three-dimensional information for forming a subject illuminated with light having a predetermined luminance as an optical image and detecting the distance between each point of the subject from an image obtained by capturing the optical image with a predetermined imaging gain. A detection method in which at least one of the predetermined luminance and imaging gain changes with time, whereby the distance of each point of the subject can be detected at a speed that follows the frame time of the video signal in real time. It is what you want to do. By using the luminance or imaging gain that changes with time, a two-dimensional luminance distribution of the image of the imaged subject is obtained, and this luminance distribution includes distance information to each point of the subject. It is possible to detect the three-dimensional information.
JP-A-6-294868 JP 2000-121339 A

特許文献1に記載の発明は、レーザ光の2次元走査と照明光の変調位相の変化があるため、被写体の3次元情報を映像信号のフレーム時間の速度で取り込むことが困難であるという問題がある。   The invention described in Patent Document 1 has a problem that it is difficult to capture the three-dimensional information of the subject at the speed of the frame time of the video signal because there is a change in the two-dimensional scanning of the laser light and the modulation phase of the illumination light. is there.

特許文献2に記載の発明は、被写体の3次元情報を映像信号のフレーム内で検出することを目的としている。   An object of the invention described in Patent Document 2 is to detect 3D information of a subject within a frame of a video signal.

従来、一般的に放送や映像コンテンツに使用されるCCD(Charge Coupled Device)では、テレビ映像並の画質転送レートは3OHz程度に制限され、更に、複数の画像から被写体の3次元情報である距離画像を算出するとなると、距離画像の実質的更新速度は、(CCD転送レート)/(距離算出に必要な画像枚数)となり、ビデオフレームレート(30Hz又は60Hz程度)でのスムーズな動きのある距離画像の検出は困難であった。   Conventionally, in a CCD (Charge Coupled Device) generally used for broadcasting and video content, the image quality transfer rate comparable to that of a TV image is limited to about 3 OHz, and further, a distance image that is three-dimensional information of a subject from a plurality of images. The effective update speed of the distance image is (CCD transfer rate) / (number of images necessary for distance calculation), and the distance image of the distance image with smooth motion at the video frame rate (about 30 Hz or 60 Hz) is calculated. Detection was difficult.

現在のCCDセンサでは、画素単位にトランジスタが必要であり、高精細化と高速化の両立を実現できない。一方、近年性能向上が目覚ましく、製作コストが安いCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサが実用化されてきている。近年では、ハイピジョンクラスの高精細画素を有すると共に、60Hz〜120Hz以上の高速転送フレームレートのCMOSセンサが開発されている。   Current CCD sensors require a transistor for each pixel, and cannot achieve both high definition and high speed. On the other hand, CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) sensors have been put into practical use in recent years, whose performance has been remarkably improved and whose manufacturing cost is low. In recent years, a CMOS sensor having a high-definition class high-definition pixel and a high-speed transfer frame rate of 60 Hz to 120 Hz or more has been developed.

しかし、高精細画素と高速転送フレームレートを有するCMOSセンサを用いた撮像素子は、いわゆるローリングシャッタと呼ばれる方式であり、画像の水平走査ライン毎に、時分割で信号を蓄積転送するものである。   However, an image sensor using a CMOS sensor having a high-definition pixel and a high-speed transfer frame rate is a so-called rolling shutter, and accumulates and transfers signals in a time division manner for each horizontal scanning line of an image.

従来の3次元情報検出方法は、全画素を同一の時間だけ蓄積し、同時に転送するフルフレームシャッタ方式でのみ距離画像の検出が可能であり、ローリングシャッタ方式の高精細かつ高速転送フレームレートのCMOS撮像素子は、距離画像検出には使用できなかった。   The conventional three-dimensional information detection method is capable of detecting a distance image only by a full frame shutter method in which all pixels are accumulated for the same time and transferred at the same time, and is a high-definition and high-speed transfer frame rate CMOS of a rolling shutter method. The image sensor could not be used for distance image detection.

本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、距離画像検出の高速化及び高精細化を実現する3次元情報検出方法及びその装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a three-dimensional information detection method and apparatus for realizing high-speed and high-definition distance image detection.

本発明の一実施態様による3次元情報検出方法は、位相がπ/M(Mは4以上の整数)ずつシフトするM種類の強度変調光をフレーム毎に順次切替えて被写体に照射し、
各強度変調を照射するときの被写体からの反射光を水平走査ライン毎に光蓄積と転送のタイミングがシフトするシャッタを通してフレーム毎にM種類の2次元画像を撮影し、
前記M種類の2次元画像の差である差画像の和と前記差画像の差との比に基づいて距離を画像の輝度で表す距離画像を算出することにより、距離画像検出の高速化及び高精細化を実現することができる。
In the three-dimensional information detection method according to an embodiment of the present invention, M types of intensity-modulated light whose phases are shifted by π / M (M is an integer of 4 or more) are sequentially switched for each frame, and the subject is irradiated.
M-type two-dimensional images are photographed for each frame through a shutter in which the light accumulation and transfer timing is shifted for each horizontal scanning line with respect to the reflected light from the subject when irradiating each intensity modulation,
By calculating a distance image in which the distance is represented by the luminance of the image based on the ratio of the difference image sum that is the difference between the M types of two-dimensional images and the difference between the difference images, the distance image detection is speeded up and increased. Refinement can be realized.

また、本発明の他の実施態様による3次元情報検出方法は、位相がπ/4ずつシフトする4種類の強度変調光をフレーム毎に順次切替えて被写体に照射し、
各強度変調を照射するときの被写体からの反射光を水平走査ライン毎に光蓄積と転送のタイミングがシフトするシャッタを通してフレーム毎に4種類の2次元画像を撮影し、
前記位相がπ/2だけ異なる2種類の2次元画像の差である2種類の差画像の和と前記2種類の差画像の差との比に基づいて距離を画像の輝度で表す距離画像を算出することにより、距離画像検出の高速化及び高精細化を実現することができる。
Further, in the three-dimensional information detection method according to another embodiment of the present invention, four types of intensity-modulated light whose phases are shifted by π / 4 are sequentially switched for each frame to irradiate the subject,
Four types of two-dimensional images are photographed for each frame through a shutter in which the timing of light accumulation and transfer is shifted for each horizontal scanning line for the reflected light from the subject when irradiating each intensity modulation,
A distance image in which the distance is represented by the luminance of the image based on a ratio of a sum of two kinds of difference images, which is a difference between two kinds of two-dimensional images whose phases are different by π / 2, and a difference between the two kinds of difference images. By calculating, it is possible to realize high speed and high definition of distance image detection.

本発明の一実施態様による3次元情報検出装置は、位相がπ/M(Mは4以上の整数)ずつシフトするM種類の強度変調光をフレーム毎に順次切替えて被写体に照射する光源と、
各強度変調を照射するときの被写体からの反射光を水平走査ライン毎に光蓄積と転送のタイミングがシフトするシャッタを通してフレーム毎にM種類の2次元画像を撮影する撮像手段と、
前記M種類の2次元画像の差である差画像の和と前記差画像の差との比に基づいて距離を画像の輝度で表す距離画像を算出する距離画像算出手段とを有することにより、距離画像検出の高速化及び高精細化を実現することができる。
A three-dimensional information detection apparatus according to an embodiment of the present invention includes a light source that sequentially switches M types of intensity-modulated light whose phase is shifted by π / M (M is an integer of 4 or more) and irradiates a subject.
Imaging means for capturing M types of two-dimensional images for each frame through a shutter that shifts the timing of light accumulation and transfer for each horizontal scanning line of reflected light from a subject when irradiating each intensity modulation;
A distance image calculating means for calculating a distance image representing a distance by the luminance of the image based on a ratio of a difference image sum that is a difference between the M types of two-dimensional images and a difference between the difference images; High-speed and high-definition image detection can be realized.

また、本発明の他の実施態様による3次元情報検出装置は、位相がπ/4ずつシフトする4種類の強度変調光をフレーム毎に順次切替えて被写体に照射する光源と、
各強度変調を照射するときの被写体からの反射光を水平走査ライン毎に光蓄積と転送のタイミングがシフトするシャッタを通してフレーム毎に4種類の2次元画像を撮影する撮像手段と、
前記位相がπ/2だけ異なる2種類の2次元画像の差である2種類の差画像の和と前記2種類の差画像の差との比に基づいて被写体の距離を画像の輝度で表す距離画像を算出する距離画像算出手段とを有することにより、距離画像検出の高速化及び高精細化を実現することができる。
A three-dimensional information detection apparatus according to another embodiment of the present invention includes a light source that sequentially switches four types of intensity-modulated light whose phase is shifted by π / 4 for each frame and irradiates the subject.
Imaging means for capturing four types of two-dimensional images for each frame through a shutter in which the timing of light accumulation and transfer is shifted for each horizontal scanning line for the reflected light from the subject when irradiating each intensity modulation;
A distance representing the distance of the subject in terms of image brightness based on the ratio of the sum of two types of difference images, which is the difference between two types of two-dimensional images that differ in phase by π / 2, and the difference between the two types of difference images. By having the distance image calculating means for calculating the image, it is possible to realize speeding up and high definition of the distance image detection.

前記3次元情報検出装置において、
前記強度変調光は、正弦波である構成とすることができる。
In the three-dimensional information detection apparatus,
The intensity modulated light may be a sine wave.

前記3次元情報検出装置において、
前記距離画像算出手段は、前記水平走査ライン毎に光蓄積と転送のタイミングがシフトするのに応じて前記距離画像の算出に用いる係数値を変化させる構成とすることができる。
In the three-dimensional information detection apparatus,
The distance image calculation means may be configured to change a coefficient value used for calculation of the distance image in accordance with a shift in light accumulation and transfer timing for each horizontal scanning line.

前記3次元情報検出装置において、
前記被写体からの反射光を距離画像撮影用とカラー画像撮影用に分割する分割手段と、
前記分割手段からの光でカラー画像を撮影するカラー撮影手段とを有する構成とすることができる。
In the three-dimensional information detection apparatus,
A dividing unit that divides the reflected light from the subject into a distance image and a color image;
And a color photographing means for photographing a color image with the light from the dividing means.

本発明によれば、距離画像検出の高速化及び高精細化を実現することができる。   According to the present invention, high-speed and high-definition distance image detection can be realized.

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の3次元情報検出装置の一実施形態のブロック図を示す。同図中、3次元情報検出装置は、強度変調光を被写体2に照射する光源部3と、画像を撮影するカメラレンズ4を持つ。また、受光した反射光を距離画像撮影用とカラー画像撮影用に分割する分割光学系6を有する。   FIG. 1 shows a block diagram of an embodiment of the three-dimensional information detection apparatus of the present invention. In the figure, the three-dimensional information detection apparatus has a light source unit 3 that irradiates a subject 2 with intensity-modulated light and a camera lens 4 that captures an image. Further, the optical system has a splitting optical system 6 that splits the received reflected light for distance image shooting and color image shooting.

距離画像を検出する距離検出部7は、例えばイメージインテンシファイア等の撮像部8と、高速シャッタとしてローリングシャッタを持ち撮像部8の出力を撮像する2次元画像センサ9を有する。2次元画像センサ9は、例えば水平走査ライン毎に蓄積転送を高速に行うCMOSセンサを用いる。   The distance detection unit 7 that detects a distance image includes an imaging unit 8 such as an image intensifier, and a two-dimensional image sensor 9 that has a rolling shutter as a high-speed shutter and images the output of the imaging unit 8. The two-dimensional image sensor 9 uses, for example, a CMOS sensor that performs high-speed storage and transfer for each horizontal scanning line.

2次元画像センサ9の出力する画像信号は、複数のメモリ10に記録される。これらの複数のメモリ10から画像信号を読み出して画像信号処理装置11に供給して距離画像を算出する演算を行う。   Image signals output from the two-dimensional image sensor 9 are recorded in a plurality of memories 10. An image signal is read from the plurality of memories 10 and supplied to the image signal processing device 11 to calculate a distance image.

複数のメモリ10には順次新しい画像信号が上書きされ、その都度、画像信号処理装置11で(1)式により距離画像としての奥行き距離ddを算出する演算が行われ、距離画像が動画像として出力される。   A new image signal is sequentially overwritten in the plurality of memories 10, and each time the image signal processing device 11 performs an operation for calculating the depth distance dd as a distance image by the equation (1), and the distance image is output as a moving image. Is done.

Figure 2008249430

ここで、V,V,V,Vは強度変調光の位相をπ/2ずつ変化させて撮影した映像信号、kは定数、hは画像の水平走査ライン毎に値が変化する係数である。この(1)式については後述する。
Figure 2008249430

Here, V 1 , V 2 , V 3 , and V 4 are video signals captured by changing the phase of the intensity-modulated light by π / 2, k is a constant, and h is a value that changes for each horizontal scanning line of the image. It is a coefficient. This equation (1) will be described later.

光源部3の出力する強度変調光と、撮像部8の高速シャッタは信号発生器13の出力するシャッタトリガ信号で同期駆動される。また、位相切替器14は映像の基準となる垂直同期信号に基づいて映像フレーム毎に変調信号の位相の切替え制御を行う。   The intensity-modulated light output from the light source unit 3 and the high-speed shutter of the imaging unit 8 are driven in synchronization with the shutter trigger signal output from the signal generator 13. Further, the phase switcher 14 performs switching control of the phase of the modulation signal for each video frame on the basis of the vertical synchronization signal which is a video reference.

また、通常のカラー画像は、分割光学系6の後に設けたカラーカメラ15により撮影する。ここで得られたカラー画像は、遅延回路16により距離演算時間に相当する遅延を施されて出力される。   Further, a normal color image is taken by a color camera 15 provided after the dividing optical system 6. The color image obtained here is output after being delayed by a delay circuit 16 corresponding to the distance calculation time.

光源部3は、図2(A)〜(D)に示すように、正弦波状に強度変調している光の位相をπ/2ずつ変化させた、第1強度変調光パターン20、第2強度変調光パターン21、第3強度変調光パターン22、第4強度変調光パターン23を出力する。撮像部8は、図2(A)〜(D)に示すように、シャッタ撮影24のタイミングと時間幅を固定で行い、第1の映像信号V、第2の映像信号V、第3の映像信号V、第4の映像信号Vを取得する。 As shown in FIGS. 2A to 2D, the light source unit 3 includes a first intensity-modulated light pattern 20 and a second intensity in which the phase of light that is intensity-modulated in a sine wave is changed by π / 2. The modulated light pattern 21, the third intensity modulated light pattern 22, and the fourth intensity modulated light pattern 23 are output. As shown in FIGS. 2A to 2D, the imaging unit 8 performs the shutter photographing 24 at a fixed timing and time width, and performs the first video signal V 1 , the second video signal V 2 , and the third video signal V 3. Video signal V 3 and fourth video signal V 4 are acquired.

上記位相の変化のタイミングは画像のフレームレートと同期させて行い、シャッタ撮影の時間幅は光の強度変調周期よりも十分に短い時間を設定して開放し信号を取り込む。   The timing of the phase change is performed in synchronization with the frame rate of the image, and the time width of shutter shooting is set to a time sufficiently shorter than the light intensity modulation period, and the signal is taken in.

2次元画像センサ9として高精細画素で高速な転送レートが可能なCMOSセンサを使用する場合、図3に示すように、光蓄積と転送のタイミングが、水平走査ライン毎にシフトしている。   When a CMOS sensor capable of high-speed transfer with high-definition pixels is used as the two-dimensional image sensor 9, the timing of light accumulation and transfer is shifted for each horizontal scanning line as shown in FIG.

図3では横軸に時間を示し、縦軸の一番上が画像における一番上の第1番目の水平走査ラインを示し、CMOSセンサの水平走査ラインの総数をNとする。このとき、フレーム時間毎に、第1強度変調光、第2強度変調光、第3強度変調光、第4強度変調光を切替えて撮影を行う。   In FIG. 3, the horizontal axis indicates time, the top of the vertical axis indicates the first horizontal scanning line at the top of the image, and the total number of horizontal scanning lines of the CMOS sensor is N. At this time, shooting is performed by switching the first intensity modulated light, the second intensity modulated light, the third intensity modulated light, and the fourth intensity modulated light for each frame time.

CMOSセンサにおいては、光信号の蓄積時間と転送のタイミングが、水平走査ライン毎にシフトしているため、第1フレームにおける第1強度変調光と第2強度変調光の蓄積割合が水平走査ライン毎に異なっている。ここで、第1フレーム蓄積期間における第n番目の水平走査ラインでの、第1強度変調光と第2強度変調光の蓄積割合は、(2)式であらわされる。   In the CMOS sensor, since the accumulation time and transfer timing of the optical signal are shifted for each horizontal scanning line, the accumulation ratio of the first intensity modulated light and the second intensity modulated light in the first frame is different for each horizontal scanning line. Is different. Here, the accumulation ratio of the first intensity-modulated light and the second intensity-modulated light in the nth horizontal scanning line in the first frame accumulation period is expressed by equation (2).

h(n):1−h(n) …(2)
この場合の距離画像の求め方を以下に式を用いて示す。図2に示すように強度変調光の位相をフレーム毎にπ/2だけシフトさせ、第1フレーム〜第4フレームまでの画像を順次撮影する。この4極類の強度変調光パターン時のそれぞれにおいて撮影される画像強度(画像輝度)y〜yは以下の(3)〜(7)式で表される。
h (n): 1-h (n) (2)
The method for obtaining the distance image in this case is shown below using an equation. As shown in FIG. 2, the phase of the intensity modulated light is shifted by π / 2 for each frame, and images from the first frame to the fourth frame are sequentially taken. Image intensities (image luminances) y 1 to y 4 photographed in each of the four-pole intensity-modulated light patterns are expressed by the following equations (3) to (7).

Figure 2008249430
ただし、σは被写体の反射率、φは変調位相、eは光源以外の外光成分、tはシャッタタイミング、νは光速度、fは強度変調の周波数、dはカメラ(撮像部8)から被写体2までの距離である。なお、(3)〜(6)式における係数「1/2」,定数「1」は画像強度の値を「0」〜「1」の範囲に規格化するために導入している。
Figure 2008249430
Where σ is the reflectance of the object, φ is the modulation phase, e is the external light component other than the light source, t 0 is the shutter timing, ν is the speed of light, f is the frequency of intensity modulation, and d is from the camera (imaging unit 8). This is the distance to the subject 2. It should be noted that the coefficient “1/2” and the constant “1” in the equations (3) to (6) are introduced in order to normalize the value of the image intensity in the range of “0” to “1”.

ここで、2次元画像センサ9が図3に示すように、水平走査ライン毎に蓄積と転送のタイミングが異なるローリングシャッタを用いている場合、n番目の水平走査ラインにおいて、1画像取得の蓄積時間内における光の切替りタイミング比が、h:(1−h)とすると、第1〜第4フレームで得られる第1〜第4の映像信号V〜Vの画像強度は(8)〜(11)式で表される。 Here, when the two-dimensional image sensor 9 uses a rolling shutter having different accumulation and transfer timings for each horizontal scanning line as shown in FIG. 3, the accumulation time for acquiring one image in the nth horizontal scanning line. If the light switching timing ratio is h: (1-h), the image intensities of the first to fourth video signals V 1 to V 4 obtained in the first to fourth frames are (8) to It is expressed by equation (11).

Figure 2008249430
上記の(8)〜(11)式より、(12),(13)式が導かれ、(12),(13)式から(14),(15)式が導かれる。更に、(14),(15)式から位相φを表す(16)式が得られる。ここで、(7)式の関係があるため、(16)式から距離dを表す(17)式が得られる。
Figure 2008249430
Equations (12) and (13) are derived from the above equations (8) to (11), and equations (14) and (15) are derived from equations (12) and (13). Furthermore, the equation (16) representing the phase φ is obtained from the equations (14) and (15). Here, since there is a relationship of Expression (7), Expression (17) representing the distance d is obtained from Expression (16).

Figure 2008249430
ところで、(17)式の右辺第1項は、図4に示すようにカメラ(撮像部8)から測定レンジ(測定可能な範囲)MRまでの距離L1を表しており、右辺第2項は、測定レンジMR内での被写体2の奥行き距離L2を表している。実際の撮影ではシャッタタイミングtを調整することで距離L1を調整し、被写体2が測定レンジMR内に存在するように設定する。
Figure 2008249430
By the way, the first term on the right side of the equation (17) represents the distance L1 from the camera (imaging unit 8) to the measurement range (measurable range) MR, as shown in FIG. The depth distance L2 of the subject 2 within the measurement range MR is shown. In actual shooting by adjusting the distance L1 by adjusting the shutter timing t 0, set so that the subject 2 exists in the measurement range MR.

ここで、求めようとする被写体の奥行き距離つまり3次元情報は(17)式の右辺第2項であるため、ν/4πf=kとおくことで、奥行き距離ddは(1)式で表される。   Here, since the depth distance of the subject to be obtained, that is, the three-dimensional information, is the second term on the right side of Expression (17), the depth distance dd is expressed by Expression (1) by setting ν / 4πf = k. The

(17),(1)式から明らかなように、被写体の反射率σの影響や外光成分eの影響を除去して、カメラから被写体間の距離d及び奥行き距離ddを求めることができる。   As is clear from the equations (17) and (1), the distance d and the depth distance dd between the subjects can be obtained from the camera by removing the influence of the reflectance σ of the subject and the influence of the external light component e.

このようにして、ローリングシャッタ方式の高精細かつ高速転送フレームレートのCMOS撮像素子を用いて距離画像検出を行うことが実現できる。   In this manner, it is possible to perform distance image detection using a rolling shutter type high-definition and high-speed transfer frame rate CMOS image sensor.

ここで、係数hは、水平走査ライン毎に異なる値で、水平走査ライン番号の関数h(n)であり、以下の式で表されるように初期値hから単調に水平走査ライン毎に増分Δhで与えられる。 Here, the coefficient h is a function h (n) of a horizontal scanning line number that is different for each horizontal scanning line, and is monotonically from the initial value h 0 for each horizontal scanning line as represented by the following equation. Is given in increments Δh.

h(n)=h+n×Δh …(18)
ところで、(1)式において、定数k(=ν/4πf)を可変調整して映像信号レベルのダイナミックレンジを広くし、距離画像の測定分解能や測定レンジを拡大することができる。例えば映像信号レベルを0〜100%とした場合、kが小さいと、例えば30〜70%の映像信号レベルで奥行き距離を表現することになる。kを大きくすることで、例えば10〜90%の映像信号レベルを使って距離を表現できることになる。つまり、距離を表現する階調が増えることになり、より細かく距離を表現でき分解能が向上する。
h (n) = h 0 + n × Δh (18)
By the way, in the equation (1), the constant k (= ν / 4πf) can be variably adjusted to widen the dynamic range of the video signal level, and the measurement resolution and measurement range of the distance image can be expanded. For example, when the video signal level is 0 to 100%, if k is small, the depth distance is expressed with a video signal level of 30 to 70%, for example. By increasing k, for example, the distance can be expressed using a video signal level of 10 to 90%. That is, the number of gradations expressing the distance increases, and the distance can be expressed more finely and the resolution is improved.

また、測定レンジは、光の変調周期を長くすることで大きくなるが、一般的に距離検出分解能が低下する。kを大きくすることで、その距離検出分解能の低下分を補えるので、間接的にkを大きくすることが測定レンジを拡大するのに有効である。   In addition, the measurement range is increased by increasing the light modulation period, but generally the distance detection resolution is lowered. Increasing k can compensate for the decrease in distance detection resolution, so indirectly increasing k is effective in expanding the measurement range.

なお、(1),(17)式では、除算処理を行うため、丸め誤差が生じるが、カメラの出力映像信号の階調ビット数に応じた精度で演算処理を行うようにして、丸め誤差の影響を最小限にし、精度の良い距離検出を行うことができる。   In equations (1) and (17), a rounding error occurs due to the division process. However, the calculation process is performed with an accuracy corresponding to the number of gradation bits of the output video signal of the camera, and the influence of the rounding error is affected. Minimized and accurate distance detection can be performed.

距離検出部7においては、フレーム毎に、第1〜第4の映像信号V〜Vを取得して複数のメモリ10に書き込み、順次(1)式で表わされる演算処理を行い、距離画像を出力する。 The distance detection unit 7 obtains the first to fourth video signals V 1 to V 4 for each frame, writes them in the plurality of memories 10, sequentially performs the arithmetic processing represented by the formula (1), and performs the distance image. Is output.

距離検出部7の動作について、図5に示すフローチャートを用いて説明する。ステップS1で任意の位相を持つ光源部3の変調信号が設定され、ステップS2で強度変調光が被写体2に照射される。   The operation of the distance detection unit 7 will be described with reference to the flowchart shown in FIG. In step S1, a modulation signal of the light source unit 3 having an arbitrary phase is set, and in step S2, intensity-modulated light is irradiated to the subject 2.

ステップS3で第1の映像信号Vが取得される。ステップS4で第1の映像信号Vはメモリ10内のメモリMに書き込まれる。次のフレームでは、ステップS5で光源部3の変調信号が位相π/2だけシフトし、同様に第2の映像信号Vが取得されメモリ10内のメモリMに書き込まれる。同様に次のフレームでは、光源部3の変調信号が位相π/2だけシフトし、第3の映像信号Vが取得されメモリ10内のメモリMに書き込まれる。同様に次のフレームでは、光源部3の変調信号が位相π/2だけシフトし、第4の映像信号Vが取得されメモリ10内のメモリMに書き込まれる。更に次のフレームでは、光源部3の変調信号が位相π/2だけシフトし、再び第1の映像信号Vが取得されメモリ10内のMに書き込まれる。 First video signal V 1 is acquired in step S3. In step S 4, the first video signal V 1 is written into the memory M 1 in the memory 10. In the next frame, the modulation signal of the light source section 3 in step S5 is shifted by a phase [pi / 2, are similarly acquired second video signal V 2 is written into the memory M 2 in the memory 10. Similarly, in the next frame, the modulation signal of the light source unit 3 is shifted by the phase π / 2, and the third video signal V 3 is acquired and written in the memory M 3 in the memory 10. Similarly, in the next frame, the modulation signal of the light source unit 3 is shifted by the phase π / 2, and the fourth video signal V 4 is acquired and written in the memory M 4 in the memory 10. Further, in the next frame, the modulation signal of the light source unit 3 is shifted by the phase π / 2, and the first video signal V 1 is acquired again and written in M 1 in the memory 10.

以上のように、映像信号V〜Vの撮像サイクルを順次繰り返して行く。このサイクルの中、メモリM〜Mの記憶内容が書き換わる毎に、ステップS6で(1)式の演算を行い、ステップS7で距離画像を出力する。 As described above, the imaging cycles of the video signals V 1 to V 4 are sequentially repeated. In this cycle, every time the stored contents of the memories M 1 to M 4 are rewritten, the calculation of the expression (1) is performed in step S6, and the distance image is output in step S7.

これにより、フレーム毎に距離画像が更新され、動く被写体の距離画像の撮影が可能となる。   Thereby, the distance image is updated for each frame, and the distance image of the moving subject can be captured.

図6は、位相切替器14の一実施形態の構成図を示す。同図中、信号発生器13は正弦波の変調信号を出力する。撮影する被写体の奥行きレンジが測定レンジが、おおよそ1.5m〜7.5mの場合、変調信号の周波数は10MHzから50MHzが使用できる。   FIG. 6 shows a configuration diagram of an embodiment of the phase switch 14. In the figure, the signal generator 13 outputs a sinusoidal modulation signal. When the depth range of the subject to be photographed is approximately 1.5 m to 7.5 m, the frequency of the modulation signal can be 10 MHz to 50 MHz.

位相切替器14は、信号発生器13からの変調信号を4分配し、位相器51にて変調信号の位相をφ,φ+π/4,φ+π/2,φ+3π/4とそれぞれπ/2ずつシフトさせてスイッチ53に供給する。スイッチ53は端子52から映像の垂直同期信号が供給されており、フレーム毎にスイッチ53で変調信号の位相を切替えて端子54より出力する。なお、2次元画像センサ9の高速シャッタを駆動するシャッタトリガ信号も信号発生器13から分配し端子55より出力する。   The phase switcher 14 distributes the modulation signal from the signal generator 13 into four, and the phase shifter 51 shifts the phase of the modulation signal φ, φ + π / 4, φ + π / 2, φ + 3π / 4 by π / 2, respectively. To the switch 53. The switch 53 is supplied with a video vertical synchronizing signal from the terminal 52, and the phase of the modulation signal is switched by the switch 53 for each frame and is output from the terminal 54. A shutter trigger signal for driving the high-speed shutter of the two-dimensional image sensor 9 is also distributed from the signal generator 13 and output from the terminal 55.

上記の距離画像の検出は、カラー画像撮影と同時に行うことができ、距離検出用の光源(光源部3)で被写体を照射すると共に、通常の照明のもとで被写体を照明する。例えば、カラー画像を撮影するために可視光成分を持つ光源で照明し、距離検出用の光源の波長は、カラー画像で撮影に使用しない近赤外の波長領域を使用することで、お互いのクロストークの影響を小さくできる。   The detection of the distance image can be performed simultaneously with the color image photographing, and the subject is irradiated with a light source for detecting distance (light source unit 3) and the subject is illuminated under normal illumination. For example, illumination is performed with a light source having a visible light component to capture a color image, and the wavelength of the light source for distance detection is crossed by using a near-infrared wavelength region that is not used for capturing a color image. The influence of talk can be reduced.

もっとも、(17)式で示したように、本願発明方法では、外乱光もキャンセルして距離を求めることができるため、距離検出の波長と同じ波長の外光のもとでも距離検出が可能である。   However, as shown by the equation (17), in the method of the present invention, since the distance can be obtained by canceling the disturbance light, the distance can be detected even under the external light having the same wavelength as the distance detection wavelength. is there.

撮影光学系には、ズームカメラレンズを使用し、結像の途中で分割光学系6により2分配し、もしくはカラー画像用と距離検出附の光に波長分割して結像することができる。これにより、カメラレンズのズーム機能が使用できる。具体的には、ズームカメラレンズの途中にハーフミラーを入れて、その先にレンズを付けて分割結像させ、結像面にフォーカス/デフォーカスセンサをおいてピント検出を行うプレシジョンフォーカスレンズ構成の光学系を利用でき、これによって、小型化も実現できる。   In the photographing optical system, a zoom camera lens is used, and the image is divided into two by the dividing optical system 6 in the middle of the image formation, or divided into wavelengths for light for color image and light with distance detection. Thereby, the zoom function of the camera lens can be used. Specifically, a precision focus lens configuration in which a half mirror is inserted in the middle of the zoom camera lens, a lens is attached to the end of the zoom camera lens, and divided images are formed, and a focus / defocus sensor is placed on the imaging surface to perform focus detection. An optical system can be used, and thereby miniaturization can be realized.

ただし、カラー画像と距離画像を撮影する場合、本発明装置では、撮像部8とカラーカメラ15がプリズムなどの光学ブロックで固着されていないため、レンズの取り付けの際に、カラー画像と距離画像が画素単位でずれることがある。このずれは、マイクロメータやステッピングモータを用いたメカニカルなステージを導入することで吸収することが可能である。   However, when photographing a color image and a distance image, in the device of the present invention, since the imaging unit 8 and the color camera 15 are not fixed by an optical block such as a prism, the color image and the distance image are displayed when the lens is attached. There may be a shift in pixel units. This deviation can be absorbed by introducing a mechanical stage using a micrometer or a stepping motor.

カラー映像と距離画像でフレームをそろえるには、カラー映像を遅延回路16で遅延することで、カラー映像と距離画像のタイミングを同じにすることができる。   In order to align frames with a color image and a distance image, the timing of the color image and the distance image can be made the same by delaying the color image by the delay circuit 16.

また、カラー画像のフレームレートが例えば30Hzである場合、距離画像用の映像信号V〜Vを取得するフレームレートを、カラー画像のフレームレートの4倍の120Hzで繰り返し撮影する。これにより、カラー画像と距離画像との更新時間を一致することができる。 Further, when the frame rate of the color image is, for example, 30 Hz, the frame rate for acquiring the video signals V 1 to V 4 for the distance image is repeatedly photographed at 120 Hz, which is four times the frame rate of the color image. Thereby, the update time of a color image and a distance image can be made to correspond.

また、距離検出用の光源とカラー画像撮影用の光源との波長が異なるため、レンズの特性上、距離画像とカラー画像の画角が異なる場合は、距離画像に対し幾何学形状補正の画像処理を行って両者の画角を合わせることができる。   In addition, because the wavelength of the light source for distance detection and the light source for color image shooting are different, if the angle of view of the distance image and the color image is different due to the characteristics of the lens, image processing for geometric shape correction for the distance image To adjust the angle of view of both.

特に、イメージインテンシファイアで画像を撮影する場合には、ショットノイズの影響により距離画像にノイズが混入する。これらのノイズ成分は距離検出の精度を低下させる原因となる。これらのノイズ成分は、電気的なフィルタで除去することができる。例えばメモリM〜Mの記憶内容に対しリカーシブフィルタやメディアンフィルタ処理を施すことにより、ランダムノイズを低減できる。 In particular, when an image is taken with an image intensifier, noise is mixed into the distance image due to the influence of shot noise. These noise components cause a decrease in distance detection accuracy. These noise components can be removed with an electrical filter. For example, random noise can be reduced by performing recursive filtering or median filtering on the stored contents of the memories M 1 to M 4 .

また、本発明方法では、従来の2画像間から距離を検出する方法に比して、2倍の4フレームの映像信号V〜Vを基に距離を算出すると共に、正弦波の位相より距離を検出している。画像演算では画像の数の平方根でSN比が向上するため、本発明方法では従来に比して1.41倍、距離検出の精度の向上が期待できると共に、外部の雑音に対しても強い距離検出が可能となる。 Further, in the method of the present invention, the distance is calculated based on the video signals V 1 to V 4 of 4 frames, which is twice as large as the conventional method of detecting the distance between two images, and from the phase of the sine wave. The distance is detected. In the image calculation, the SN ratio is improved by the square root of the number of images. Therefore, the method of the present invention can be expected to improve the accuracy of distance detection by 1.41 times as compared with the conventional method, and the distance strong against external noise. Detection is possible.

また、光源部3に供給する変調信号が正弦波からずれた歪んだ波形であっても、その波形を予め測定しておけば、最終的に得られる距離の検出値を補正処理することで、正しい距離の値に補正することができる。更に、上記実施形態では正弦波状の強度変調光として説明したが、光強度が単調に増加と減少を同じ波形で単一の周期で繰り返す強度変調光についても、その波形形状が既知であれば、同様の原埋で信号処理を行うことによって距離画像を検出できる。   Further, even if the modulation signal supplied to the light source unit 3 is a distorted waveform shifted from a sine wave, if the waveform is measured in advance, the detection value of the distance finally obtained is corrected, The correct distance value can be corrected. Furthermore, although the above embodiment has been described as a sinusoidal intensity-modulated light, the intensity of the intensity-modulated light that monotonously increases and decreases in the same waveform with a single cycle, if the waveform shape is known, A distance image can be detected by performing signal processing with the same raw material.

なお、従来方法では、三角波状に増加・減少する変調光を照射し2回の撮影で距離画像を求める。このため、測定レンジ端における被写体の測定は、光が増加や減少し始めるときに撮像した画像から距離を計算することになるため、画像の輝度レベルが低くSN比が悪い画像を基に距離を求めることになり、測定レンジの端では分解能が悪くなる。   In the conventional method, modulated images that increase or decrease in a triangular wave shape are irradiated, and a distance image is obtained by two imaging operations. For this reason, the measurement of the subject at the end of the measurement range calculates the distance from the captured image when the light starts to increase or decrease. Therefore, the distance is calculated based on the image having a low luminance level and a poor SN ratio. As a result, the resolution becomes worse at the end of the measurement range.

これに対し、本発明方法では、π/2位相シフトした4画像を撮影して距離画像を求めるため、平均すれば略一定の輝度レベルの画像が得られる。つまり、極端に輝度レベルが低い画像だけから距離を演算することはなくなるため、測定レンジ全体にわたって良好な性能が得られる。   On the other hand, in the method of the present invention, four images shifted by π / 2 phase are photographed to obtain a distance image, so that an image having a substantially constant luminance level can be obtained by averaging. That is, since the distance is not calculated only from an image having an extremely low luminance level, good performance can be obtained over the entire measurement range.

本発明方法によれば、カラー映像の取得と同時に距離画像を取得することができるので、生放送中においても、例えばカメラの近くの人物だけを抽出する等の画面の切り出しや画面合成をリアルタイムに行うことが可能となる。   According to the method of the present invention, the distance image can be acquired simultaneously with the acquisition of the color image, so that even during the live broadcast, for example, only the person near the camera is extracted and the screen is cut out and the screen synthesis is performed in real time. It becomes possible.

また、これによって、従来のブルーバックを用いるクロマキー手法ではできなかった、カメラから所定の距離範囲の被写体だけの映像を抽出することができ、従来困難であったコンピュータグラフィックスと実写映像との合成を実現することが可能となる。更に、本発明装置は高速な3次元形状計測機能を持つため、広い産業分野に活用することができる。   In addition, this makes it possible to extract only images of subjects within a predetermined distance range from the camera, which was not possible with the conventional chroma key method using a blue background, and it was difficult to synthesize computer graphics and live-action images. Can be realized. Furthermore, since the device of the present invention has a high-speed three-dimensional shape measurement function, it can be utilized in a wide range of industrial fields.

なお、上記実施形態では、撮像手段の一例として撮像部8を用い、距離画像算出手段の一例として画像信号処理装置11を用い、分割手段の一例として分割光学系6を用い、カラー撮影手段の一例としてカラーカメラ15を用いている。   In the above embodiment, the imaging unit 8 is used as an example of the imaging unit, the image signal processing device 11 is used as an example of the distance image calculating unit, the dividing optical system 6 is used as an example of the dividing unit, and an example of the color imaging unit. A color camera 15 is used.

本発明の3次元情報検出装置の一実施形態のブロックである。It is a block of one Embodiment of the three-dimensional information detection apparatus of this invention. 強度変調光パターンとシャッタ撮影のタイミングを説明するための図である。It is a figure for demonstrating an intensity | strength modulation light pattern and the timing of shutter imaging | photography. CMOSセンサの光蓄積と転送のタイミングを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the optical accumulation and transfer timing of a CMOS sensor. 測定レンジと奥行き距離を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a measurement range and depth distance. 距離検出部の動作説明用フローチャートである。It is a flowchart for operation | movement description of a distance detection part. 位相切替器の一実施形態の構成図である。It is a block diagram of one Embodiment of a phase switch.

符号の説明Explanation of symbols

2 被写体
3 光源部
4 カメラレンズ
6 分割光学系
7 距離検出部
8 撮像部
9 2次元画像センサ
10 メモリ
11 画像信号処理装置
13 信号発生器
14 位相切替器
15 カラーカメラ
16 遅延回路
51 位相器
53 スイッチ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 Subject 3 Light source part 4 Camera lens 6 Division | segmentation optical system 7 Distance detection part 8 Imaging part 9 Two-dimensional image sensor 10 Memory 11 Image signal processing apparatus 13 Signal generator 14 Phase switch 15 Color camera 16 Delay circuit 51 Phase shifter 53 Switch

Claims (7)

位相がπ/M(Mは4以上の整数)ずつシフトするM種類の強度変調光をフレーム毎に順次切替えて被写体に照射し、
各強度変調を照射するときの被写体からの反射光を水平走査ライン毎に光蓄積と転送のタイミングがシフトするシャッタを通してフレーム毎にM種類の2次元画像を撮影し、
前記M種類の2次元画像の差である差画像の和と前記差画像の差との比に基づいて距離を画像の輝度で表す距離画像を算出することを特徴とする3次元情報検出方法。
M types of intensity-modulated light whose phase is shifted by π / M (M is an integer of 4 or more) are sequentially switched for each frame to irradiate the subject.
M-type two-dimensional images are photographed for each frame through a shutter in which the light accumulation and transfer timing is shifted for each horizontal scanning line with respect to the reflected light from the subject when irradiating each intensity modulation,
3. A three-dimensional information detection method, comprising: calculating a distance image that represents a distance as a luminance of an image based on a ratio between a difference image sum that is a difference between the M types of two-dimensional images and a difference between the difference images.
位相がπ/4ずつシフトする4種類の強度変調光をフレーム毎に順次切替えて被写体に照射し、
各強度変調を照射するときの被写体からの反射光を水平走査ライン毎に光蓄積と転送のタイミングがシフトするシャッタを通してフレーム毎に4種類の2次元画像を撮影し、
前記位相がπ/2だけ異なる2種類の2次元画像の差である2種類の差画像の和と前記2種類の差画像の差との比に基づいて距離を画像の輝度で表す距離画像を算出することを特徴とする3次元情報検出方法。
Four types of intensity-modulated light whose phase is shifted by π / 4 are sequentially switched for each frame to irradiate the subject.
Four types of two-dimensional images are photographed for each frame through a shutter in which the timing of light accumulation and transfer is shifted for each horizontal scanning line for the reflected light from the subject when irradiating each intensity modulation,
A distance image in which the distance is represented by the luminance of the image based on a ratio of a sum of two kinds of difference images, which is a difference between two kinds of two-dimensional images whose phases are different by π / 2, and a difference between the two kinds of difference images. A three-dimensional information detection method characterized by calculating.
位相がπ/M(Mは4以上の整数)ずつシフトするM種類の強度変調光をフレーム毎に順次切替えて被写体に照射する光源と、
各強度変調を照射するときの被写体からの反射光を水平走査ライン毎に光蓄積と転送のタイミングがシフトするシャッタを通してフレーム毎にM種類の2次元画像を撮影する撮像手段と、
前記M種類の2次元画像の差である差画像の和と前記差画像の差との比に基づいて距離を画像の輝度で表す距離画像を算出する距離画像算出手段とを
有することを特徴とする3次元情報検出装置。
A light source for sequentially switching M types of intensity-modulated light whose phase is shifted by π / M (M is an integer of 4 or more) for each frame and irradiating the subject;
Imaging means for capturing M types of two-dimensional images for each frame through a shutter that shifts the timing of light accumulation and transfer for each horizontal scanning line of reflected light from a subject when irradiating each intensity modulation;
A distance image calculating means for calculating a distance image representing a distance as a luminance of the image based on a ratio of a difference image sum which is a difference between the M types of two-dimensional images and a difference between the difference images. 3D information detecting device.
位相がπ/4ずつシフトする4種類の強度変調光をフレーム毎に順次切替えて被写体に照射する光源と、
各強度変調を照射するときの被写体からの反射光を水平走査ライン毎に光蓄積と転送のタイミングがシフトするシャッタを通してフレーム毎に4種類の2次元画像を撮影する撮像手段と、
前記位相がπ/2だけ異なる2種類の2次元画像の差である2種類の差画像の和と前記2種類の差画像の差との比に基づいて被写体の距離を画像の輝度で表す距離画像を算出する距離画像算出手段とを
有することを特徴とする3次元情報検出装置。
A light source for sequentially irradiating a subject with four types of intensity-modulated light whose phase is shifted by π / 4 for each frame;
Imaging means for capturing four types of two-dimensional images for each frame through a shutter in which the timing of light accumulation and transfer is shifted for each horizontal scanning line for the reflected light from the subject when irradiating each intensity modulation;
A distance representing the distance of the subject in terms of image brightness based on the ratio of the sum of two types of difference images, which is the difference between two types of two-dimensional images that differ in phase by π / 2, and the difference between the two types of difference images. A three-dimensional information detection device comprising distance image calculation means for calculating an image.
請求項4記載の3次元情報検出装置において、
前記強度変調光は、正弦波であることを特徴とする3次元情報検出装置。
The three-dimensional information detection apparatus according to claim 4,
The three-dimensional information detection apparatus, wherein the intensity-modulated light is a sine wave.
請求項4又は5記載の3次元情報検出装置において、
前記距離画像算出手段は、前記水平走査ライン毎に光蓄積と転送のタイミングがシフトするのに応じて前記距離画像の算出に用いる係数値を変化させることを特徴とする3次元情報検出装置。
The three-dimensional information detection apparatus according to claim 4 or 5,
The three-dimensional information detection apparatus, wherein the distance image calculation unit changes a coefficient value used for calculation of the distance image in accordance with a shift in light accumulation and transfer timing for each horizontal scanning line.
請求項4乃至6のいずれか1項記載の3次元情報検出装置において、
前記被写体からの反射光を距離画像撮影用とカラー画像撮影用に分割する分割手段と、
前記分割手段からの光でカラー画像を撮影するカラー撮影手段とを
有することを特徴とする3次元情報検出装置。
The three-dimensional information detection apparatus according to any one of claims 4 to 6,
A dividing unit that divides the reflected light from the subject into a distance image and a color image;
A three-dimensional information detecting apparatus comprising: color photographing means for photographing a color image with light from the dividing means.
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