JP2010135926A - Visual sensor synchronizing device and visual sensor synchronization method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、視覚センサのタイミング同期に関するものであり、例えばCCDイメージセンサやCMOSイメージセンサ等の撮像素子を用いたカメラ、及びそれらに画像処理装置を追加した視覚処理システムを複数用いる場合において、それらの相互間で撮像のタイミングを合わせるために好適な視覚センサ同期装置および視覚センサ同期方法に関する。 The present invention relates to timing synchronization of a visual sensor. For example, in the case of using a plurality of cameras using an image pickup device such as a CCD image sensor or a CMOS image sensor, and a plurality of visual processing systems in which an image processing device is added to them. The present invention relates to a visual sensor synchronization apparatus and a visual sensor synchronization method suitable for adjusting the timing of imaging between the two.
物体や人物など、運動する対象を非接触で観測する際に、CCDイメージセンサやCMOSイメージセンサ等の撮像素子を用いたカメラ、及びそれらに画像処理装置を追加したものである視覚処理システムにより動画像を得ることが広く行われる。これらのシステムを総称して視覚センサと呼ぶ。動画像は一般に、適当な時間間隔で撮像される静止画の列であり、通常は一定時間間隔で撮像される。 When observing a moving object such as an object or a person in a non-contact manner, a video using a camera using an image sensor such as a CCD image sensor or a CMOS image sensor, and a visual processing system to which an image processing device is added. Obtaining images is widely done. These systems are collectively called visual sensors. A moving image is generally a sequence of still images taken at appropriate time intervals, and is usually taken at regular time intervals.
図11に示すように、対象に関して複数方向から観測を行いたい場合や、広域の情報の観測を行いたい場合などに、複数の視覚センサ51を用いることが広く行われている。この際、各視覚センサ51から得られた情報を統合して、元の撮影対象50の位置や形状を正しく求めるためには、各視覚センサ51の撮像タイミングが同期されていることが必要となる。これは、撮影対象50の動きが高速な際に特に重要となる。
As shown in FIG. 11, a plurality of
従来、視覚センサ間の撮像タイミングを同期するためには、専用の電気配線を使用してタイミング信号を送受信することで行うことが一般的である。また近年は、コンピュータネットワークの普及に伴って、ネットワーク上で特殊な通信を行うことで各視覚センサの内蔵時計を相互に同期し、それにより撮像タイミングの同期を行う手法も知られている(例えば、非特許文献1参照)。 Conventionally, in order to synchronize the imaging timing between visual sensors, it is common to perform transmission and reception of timing signals using dedicated electrical wiring. In recent years, with the spread of computer networks, a technique is also known in which the internal clock of each visual sensor is synchronized with each other by performing special communication on the network, thereby synchronizing the imaging timing (for example, Non-Patent Document 1).
一方、自発光する物体を撮影対象50とする場合以外は、視覚センサ51による撮像には、図11に示すように、常に照明光源52が必要となるが、この照明光源52に強度変調を加え、視覚センサ51側に特殊な技術を導入することで、照明光源52の強度変調の基準時間系と視覚センサ51の撮像の基準時間系との間の相対的なずれを検出する手法が知られている(例えば、非特許文献2、3または4参照)。
On the other hand, except for the case where a self-luminous object is used as the
視覚センサの撮像タイミング同期を実現するためには、専用の配線または非特許文献1に記載のように通信ネットワークを介して時刻情報を送受信する必要があり、その敷設には手間がかかり、視覚センサの配置等にも制限が生じるという課題があった。無線通信ネットワーク上で時刻同期プロトコルに基づく通信を行うことは可能と考えられるが、遅延変動が無視できない状況では同期精度に限界があるという課題があった。
In order to realize the imaging timing synchronization of the visual sensor, it is necessary to transmit and receive time information via a dedicated network or a communication network as described in Non-Patent
これらとは別の手段として、Global Positioning System (GPS) による時刻情報の受信、光学ビーコンの受信、専用無線通信帯域でのビーコン受信などにより、同期を行うことも可能と考えられるが、各方法のためにはそれぞれGPS受信機、光検出器、無線受信機などの専用機器を、撮像素子とは別に備える必要があり、コスト増を招くという課題があった。 As another means, it is possible to synchronize by receiving time information by Global Positioning System (GPS), receiving optical beacons, receiving beacons in a dedicated wireless communication band, etc. Therefore, it is necessary to provide dedicated devices such as a GPS receiver, a photodetector, and a wireless receiver separately from the image sensor, which causes a problem of increasing costs.
一方、非特許文献2、3および4に記載のような技術を用いれば、照明光の強度変調タイミングを基準として、そこからの相対的なずれを視覚センサ自身が光学像から得ることが可能であり、撮像タイミング同期に応用することが可能と考えられるが、いずれの技術も視覚センサの画素内に特殊な回路を埋め込むことが必要であり、通常のCCDイメージセンサやCMOSイメージセンサを用いたシステムには適用できないという課題があった。 On the other hand, if the techniques as described in Non-Patent Documents 2, 3 and 4 are used, the visual sensor itself can obtain a relative deviation from the optical image based on the intensity modulation timing of the illumination light. Yes, it can be applied to imaging timing synchronization, but each technology requires embedding a special circuit in the pixel of the vision sensor, and a system using a normal CCD image sensor or CMOS image sensor There was a problem that was not applicable.
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、専用の配線や通信ネットワークを用いることなく、また同期信号受信のための特殊な受信機を装備することなく、また特殊な画素回路を要することなく、照明光の変調タイミングを基準として視覚センサの撮像タイミングを同期させることができる視覚センサ同期装置および視覚センサ同期方法を提供することを目的とする。 The present invention has been devised in view of such problems, and does not use a dedicated wiring or communication network, is not equipped with a special receiver for receiving a synchronization signal, and has a special pixel circuit. An object of the present invention is to provide a visual sensor synchronization device and a visual sensor synchronization method that can synchronize the imaging timing of a visual sensor with reference to the modulation timing of illumination light.
上記目的を達成するため、本発明に係る視覚センサ同期装置は、強度変調の施された照明装置と、フレーム時間を制御し得る撮像素子と、前記撮像素子が獲得した画像の後処理によって前記照明装置と前記撮像素子との動作の時刻ずれに係る情報を得て、この得られた情報に基づくフレーム時間のフィードバック制御によって前記時刻ずれを最小化する演算制御手段とを、備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a visual sensor synchronization device according to the present invention includes an illumination device that has been subjected to intensity modulation, an imaging device that can control a frame time, and post-processing of an image acquired by the imaging device. Computation control means that obtains information related to a time lag of operation between the apparatus and the image sensor and minimizes the time lag by feedback control of a frame time based on the obtained information is provided. .
本発明に係る視覚センサ同期装置で、前記演算制御手段は、フレームごとに定められた値を取る第1の時間関数と、各フレームの画像から計算される特徴量で構成される第2の時間関数との間の時間相関を計算することにより、前記照明装置と前記撮像素子との動作の時刻ずれに係る情報を得ることが好ましい。また、本発明に係る視覚センサ同期装置で、前記演算制御手段は、前記照明装置と前記撮像素子との動作の時刻ずれをフィードバック制御により最小化するために、前記時間相関の値によって前記撮像素子のフレーム時間の微小調整を行うことが好ましい。 In the visual sensor synchronization device according to the present invention, the calculation control means includes a first time function that takes a value determined for each frame, and a second time that includes a feature amount calculated from an image of each frame. It is preferable to obtain information related to the time lag of the operation of the illumination device and the image sensor by calculating the time correlation between the functions. Further, in the visual sensor synchronization device according to the present invention, the calculation control means may use the time correlation value to minimize the time lag of the operation between the illumination device and the image sensor, based on the time correlation value. It is preferable to finely adjust the frame time.
本発明に係る視覚センサ同期装置で、前記照明装置はデューティ比1:1の矩形波で強度変調され、前記撮像素子は基本フレーム時間を前記照明装置の変調周期の2分の1とされており、前記演算制御手段は、フレームごとに定められた値を取る前記第1の時間関数として、フレームによって1または-1を取る関数を用いることにより、各フレームの画像から計算される前記特徴量をフレームごとに累積加減算し、その結果を低域通過フィルタに通すことで前記時刻ずれに係る情報を得ることが好ましい。また、本発明に係る視覚センサ同期装置で、前記照明装置はデューティ比1:1の矩形波で強度変調され、前記撮像素子は基本フレーム時間を前記照明装置の変調周期の4分の1とされており、前記演算制御手段は、フレームごとに定められた値を取る前記第1の時間関数として、フレームによって 1,0,または -1 を取る関数を用いることにより、各フレームの画像から計算される前記特徴量をフレームごとに累積加減算し、その結果を低域通過フィルタに通すことで前記時刻ずれに係る情報を得るとともに、変調振幅の大きさを得て、その変調振幅の大きさにより前記時刻ずれに係る情報を正規化してもよい。 In the visual sensor synchronization device according to the present invention, the illumination device is intensity-modulated with a rectangular wave having a duty ratio of 1: 1, and the imaging device has a basic frame time set to a half of a modulation period of the illumination device. The arithmetic control means uses the function that takes 1 or −1 depending on the frame as the first time function that takes a value determined for each frame, thereby calculating the feature amount calculated from the image of each frame. It is preferable to obtain information related to the time lag by cumulatively adding and subtracting each frame and passing the result through a low-pass filter. Further, in the visual sensor synchronization device according to the present invention, the illumination device is intensity-modulated with a rectangular wave having a duty ratio of 1: 1, and the imaging device has a basic frame time set to a quarter of the modulation period of the illumination device. The arithmetic control means is calculated from the image of each frame by using a function that takes 1, 0, or -1 depending on the frame as the first time function that takes a value determined for each frame. The feature amount is cumulatively added / subtracted for each frame, and the result is passed through a low-pass filter to obtain information relating to the time lag, and the magnitude of the modulation amplitude is obtained. Information related to the time lag may be normalized.
本発明に係る視覚センサ同期方法は、強度変調の施された照明装置と、フレーム時間を制御し得る撮像素子とを有し、前記撮像素子が獲得した画像の後処理によって前記照明装置と前記撮像素子の動作の時刻ずれに係る情報を得て、この得られた情報に基づくフレーム時間のフィードバック制御によって前記時刻ずれを最小化することを、特徴とする。 The visual sensor synchronization method according to the present invention includes an illumination device subjected to intensity modulation and an imaging device capable of controlling a frame time, and the illumination device and the imaging by post-processing of an image acquired by the imaging device. The present invention is characterized in that information related to the time lag of the operation of the element is obtained, and the time lag is minimized by feedback control of the frame time based on the obtained information.
本発明に係る視覚センサ同期方法は、フレームごとに定められた値を取る第1の時間関数と、各フレームの画像から計算される特徴量で構成される第2の時間関数との間の時間相関を計算することにより、前記照明装置と前記撮像素子との動作の時刻ずれに係る情報を得ることが好ましい。また、本発明に係る視覚センサ同期方法は、前記照明装置と前記撮像素子との動作の時刻ずれをフィードバック制御により最小化するために、前記時間相関の値によって前記撮像素子のフレーム時間の微小調整を行うことが好ましい。 The visual sensor synchronization method according to the present invention is a time between a first time function that takes a value determined for each frame and a second time function that is composed of feature amounts calculated from the image of each frame. It is preferable to obtain information related to the time lag of the operation of the illumination device and the image sensor by calculating the correlation. In addition, the visual sensor synchronization method according to the present invention provides a fine adjustment of the frame time of the image sensor based on the value of the time correlation in order to minimize the time lag of the operation of the illumination device and the image sensor by feedback control. It is preferable to carry out.
本発明に係る視覚センサ同期方法は、前記照明装置をデューティ比1:1の矩形波で強度変調し、前記撮像素子の基本フレーム時間を照明の変調周期の2分の1とし、フレームごとに定められた値を取る前記第1の時間関数として、フレームによって1または-1を取る関数を用いることにより、各フレームの画像から計算される前記特徴量をフレームごとに累積加減算し、その結果を低域通過フィルタに通すことで前記時刻ずれに係る情報を得ることが好ましい。また、本発明に係る視覚センサ同期方法は、前記照明装置をデューティ比1:1の矩形波で強度変調し、前記撮像素子の基本フレーム時間を前記照明装置の変調周期の4分の1とし、フレームごとに定められた値を取る前記第1の時間関数として、フレームによって 1,0,または -1 を取る関数を用いることにより、各フレームの画像から計算される前記特徴量をフレームごとに累積加減算し、その結果を低域通過フィルタに通すことで前記時刻ずれに係る情報を得るとともに、変調振幅の大きさを得て、その変調振幅の大きさにより前記時刻ずれに係る情報を正規化してもよい。 In the visual sensor synchronization method according to the present invention, the illumination device is intensity-modulated with a rectangular wave having a duty ratio of 1: 1, the basic frame time of the image sensor is set to a half of the modulation period of illumination, and is determined for each frame. By using a function that takes 1 or -1 depending on the frame as the first time function that takes the obtained value, the feature amount calculated from the image of each frame is cumulatively added and subtracted for each frame, and the result is reduced. It is preferable to obtain information related to the time difference by passing through a band-pass filter. Further, in the visual sensor synchronization method according to the present invention, the illumination device is intensity-modulated with a rectangular wave having a duty ratio of 1: 1, and the basic frame time of the image sensor is set to a quarter of the modulation period of the illumination device, The feature value calculated from the image of each frame is accumulated for each frame by using a function that takes 1, 0, or −1 depending on the frame as the first time function that takes a value determined for each frame. Addition / subtraction and passing the result through a low-pass filter obtains information related to the time shift, obtains the magnitude of the modulation amplitude, and normalizes the information related to the time shift by the magnitude of the modulation amplitude. Also good.
本発明に係る視覚センサ同期装置および視覚センサ同期方法は、強度変調の施された照明装置と、フレーム時間を制御し得る撮像素子とを有している。撮像素子が各フレームの画像を獲得するごとに、その画像から特徴量を計算し、その特徴量に基づいて照明装置と撮像素子との動作の時刻ずれに係る情報を得ることが好ましい。この情報に基づいて時刻ずれを最小化するように、フレーム時間をフィードバック制御を行うことで、視覚センサの同期を行う。 The visual sensor synchronization device and the visual sensor synchronization method according to the present invention include an illumination device subjected to intensity modulation, and an image sensor that can control the frame time. Each time the image sensor acquires an image of each frame, it is preferable to calculate a feature amount from the image and obtain information related to a time lag between the operation of the lighting device and the image sensor based on the feature amount. Based on this information, the visual sensor is synchronized by performing feedback control of the frame time so as to minimize the time lag.
照明装置と撮像素子との動作の時刻ずれに係る情報を得るために、フレームごとに定められた値を取る第1の時間関数と、各フレームの画像から計算される特徴量で構成される第2の時間関数との間の時間相関を計算する。照明装置と撮像素子との動作の時刻ずれに係る情報が得られれば、時刻ずれを最小化するようなフィードバック制御は、位相同期ループ (PLL) 理論に基づいて実行できる。 In order to obtain information related to the time lag of the operation of the illumination device and the image sensor, a first time function that takes a value determined for each frame and a feature amount calculated from the image of each frame. Calculate the time correlation between two time functions. If information related to the time lag between the operation of the illumination device and the image sensor is obtained, feedback control that minimizes the time lag can be performed based on the phase-locked loop (PLL) theory.
特に、照明装置をデューティ比1:1の矩形波で強度変調し、撮像素子の基本フレーム時間を照明の変調周期の2分の1とし、フレームごとに定められた値を取る時間関数としてフレームによって値1または-1を取るものを用いると、前記時間相関を各フレームの画像から計算される特徴量の累積加減算と、その結果への低域通過フィルタの適用とによって得ることができる。基本フレーム時間を基準として、前記時間相関の値の定数倍だけフレーム時間を増加(相関値が負の場合は減少)させることで、同期が実現される。 In particular, the intensity of the illuminator is modulated with a rectangular wave with a duty ratio of 1: 1, the basic frame time of the image sensor is set to one half of the modulation period of the illumination, and the time function taking a value determined for each frame When a value having a value of 1 or -1 is used, the time correlation can be obtained by cumulative addition / subtraction of feature amounts calculated from an image of each frame and application of a low-pass filter to the result. Synchronization is realized by increasing the frame time by a constant multiple of the value of the time correlation (decreasing if the correlation value is negative) with reference to the basic frame time.
ここで、フレーム時間を増加または減少させる量、すなわちゲインを適切に設定する必要があるが、適切なゲインの範囲は撮像素子が実効的に受光する変調照明光の振幅に依存する。この依存性を考慮せずに動作させることで同期が不安定になるのを回避するため、照明装置をデューティ比1:1の矩形波で強度変調し、撮像素子の基本フレーム時間を照明の変調周期の4分の1とし、各フレームの画像から計算される特徴量で構成される第2の時間関数と、フレームごとに定められた値を取る第1の時間関数との間の時間相関を計算するとともに、各フレームの画像から計算される特徴量で構成される第2の時間関数の振幅に比例する量を計算する。前記振幅に比例する量で正規化された前記時間相関から、照明装置と撮像素子との動作の時刻ずれに係る情報が得られれば、時刻ずれを最小化するようなフィードバック制御が実行できる。 Here, it is necessary to appropriately set an amount to increase or decrease the frame time, that is, a gain, but an appropriate gain range depends on the amplitude of the modulated illumination light that is effectively received by the image sensor. In order to avoid instability of synchronization by operating without taking this dependency into account, the illumination device is intensity-modulated with a rectangular wave with a duty ratio of 1: 1, and the basic frame time of the image sensor is modulated with illumination. The time correlation between the second time function composed of the feature values calculated from the image of each frame and the first time function taking a value determined for each frame is set to a quarter of the period. Along with the calculation, an amount proportional to the amplitude of the second time function constituted by the feature amount calculated from the image of each frame is calculated. If information related to the time lag of the operation of the illumination device and the image sensor is obtained from the time correlation normalized by the amount proportional to the amplitude, feedback control that minimizes the time lag can be executed.
本発明により、専用の配線や通信ネットワークを用いることなく、また同期信号受信のための特殊な受信機を装備することなく、また特殊な画素回路を要することなく、視覚センサの撮像タイミングを、照明光の変調タイミングを基準として同期させることを可能とする視覚センサ同期装置および視覚センサ同期方法が得られる。 According to the present invention, the imaging timing of the visual sensor can be illuminated without using a dedicated wiring or communication network, without a special receiver for receiving a synchronization signal, and without requiring a special pixel circuit. A visual sensor synchronization device and a visual sensor synchronization method that can be synchronized based on the modulation timing of light are obtained.
以下,本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
本発明の実施の形態の視覚センサ同期装置の基本的構成を図1に示す。
図1に示すように、視覚センサ同期装置は、変調照明装置11と光学系12と撮像素子13と演算制御回路14からなる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
A basic configuration of a visual sensor synchronization apparatus according to an embodiment of the present invention is shown in FIG.
As shown in FIG. 1, the visual sensor synchronization device includes a
変調照明装置11は、LED (light emitting device) 等の発光体111と、その発光制御回路112からなる。変調照明装置11から発せられた強度変調光は、直接に、または物体等で反射することにより間接に、光学系12を通して撮像素子13上に照射され、電気信号に変換される。演算制御回路14は、この電気信号を読み取り、適当な演算を加えた後、その演算結果に基づいて撮像素子13のフレーム時間を制御する。撮像素子13は、複数の画素131を有する。
The modulated
演算制御回路14は、演算制御手段を成し、以下で述べる演算及び制御を実行できる専用の回路でもよいし、マイクロプロセッサ上のソフトウェアとして実現するのでもよい。撮像素子13は、フレーム時間を制御できるものを選択して使用する必要があるが、撮像素子13に内蔵された制御回路へ指示を与えることで行ってもよく、外部から与えるシャッタートリガ信号を制御することで行ってもよい。
The
本実施形態の原理を説明するための準備として、PLL理論の基礎的事項を述べる。本実施形態は、PLLのうち、入出力信号が離散的な値のみを取るディジタルPLL (DPLL) に基づく。DPLLの基本構成を図2に示す。図2に示すように、同期の基準となる参照信号を f(t) とし、f(t) に同期される出力信号を g(t) とする。図3に示すように、f(t) および g(t) は、いずれも値1と-1を交互に繰り返すデューティ比1:1 の矩形関数である。図2に示すように、位相検出器21は、f(t)とg(t)との積f(t)g(t)を計算する。低域通過フィルタ22は、この積を時間平均した値q(φ)を出力する。この出力q(φ)は、f(t)とg(t)との時間相関であり、f(t)とg(t)との位相差φに依存する値となる。f(t)とg(t)との位相差によって時間相関値q(φ)がどのように変化するかを、図4に示す。
As preparation for explaining the principle of the present embodiment, basic items of the PLL theory will be described. The present embodiment is based on a digital PLL (DPLL) in which input / output signals take only discrete values. The basic configuration of DPLL is shown in FIG. As shown in FIG. 2, a reference signal serving as a reference for synchronization is represented by f (t), and an output signal synchronized with f (t) is represented by g (t). As shown in FIG. 3, each of f (t) and g (t) is a rectangular function having a duty ratio of 1: 1 in which values 1 and −1 are alternately repeated. As shown in FIG. 2, the
図2に示すように、電圧制御発振器23は、出力信号g(t)を出力する発振器であり、その発振周期は、低域通過フィルタ22が出力する時間相関値qに応じて変化する。発振周期は、時間相関値qが0のときはあらかじめ定められた基本発振周期で動作し、時間相関値qが0より大きくなるに従って長く、0より小さくなるに従って短くなる。
As shown in FIG. 2, the voltage controlled
図4に示すように、この時間相関値qが正のときは、フレーム時間が長くなることでg(t)の位相が相対的に遅れる方向に変化する。逆に負のときは、g(t)の位相は相対的に進む方向に変化する。このようなフィードバックの効果により、時間相関値qの変化分に応じて発振周期を変化させる際のゲインを適切に選ぶことで、f(t)とg(t)との位相差がπ/2となる平衡点で、このシステムの動作は収束する。なお、位相差が3π/2の点も平衡点であるが、この平衡点は不安定であり、外乱等の存在する現実の状況下でこの動作点に留まることはない。 As shown in FIG. 4, when the time correlation value q is positive, the phase of g (t) changes in a direction relatively delayed as the frame time becomes longer. Conversely, when it is negative, the phase of g (t) changes in a relatively advancing direction. Due to the effect of such feedback, the phase difference between f (t) and g (t) is π / 2 by appropriately selecting the gain when changing the oscillation period according to the change in the time correlation value q. At this equilibrium point, the operation of the system converges. The point where the phase difference is 3π / 2 is also an equilibrium point, but this equilibrium point is unstable and does not remain at this operating point in the actual situation where disturbances exist.
本実施形態では、照明装置11から発せられ、撮像素子13上に照射される光が参照信号f(t)に対応する。撮像素子13内の各画素131に照射される光強度は、通常一様ではないが、以下では、まずは議論を簡単化するため、特に断らない限り、各画素131に照射される光強度は一様であるとする。従って以下では、撮像素子13に照射された光強度、各画素131に照射された光強度、画素131に照射された光強度の全画素にわたる総和のそれぞれを、f(t)と同一視することがある。
In the present embodiment, the light emitted from the
本実施形態の第1の態様では、出力信号g(t)は、撮像素子13のフレームごとに定められた値を取る第1の時間関数に対応し、参照信号f(t)は、各フレームの画像から計算される特徴量で構成される第2の時間関数に対応している。低域通過フィルタ22の出力であるf(t)とg(t)との時間相関q(φ)を以下のように表す。
前述のDPLLの説明では、f(t)は1または-1の値を取るとした。しかし、強度変調光の強度は、負の値を取ることはできない。代わりに、図5に示すように、f(t)は0または1の値を取る矩形波とする。すなわち、f(t)は、1または-1の値を取る矩形波をf'(t) として f(t) = f’(t)/2 + 1/2 と表される。 In the above description of DPLL, f (t) has a value of 1 or -1. However, the intensity of the intensity-modulated light cannot take a negative value. Instead, as shown in FIG. 5, f (t) is a rectangular wave that takes a value of 0 or 1. That is, f (t) is expressed as f (t) = f ′ (t) / 2 + 1/2 where f ′ (t) is a rectangular wave having a value of 1 or −1.
f(t) = 1 は照明装置11が点灯している場合に、f(t) = 0 は消灯している場合に対応させる。ここで、g(t) のデューティ比が1:1であることに注意すると、前述のDPLLは全く同様に動作する。なぜならば、以下が成り立つからである。
図5に示すように、出力関数g(t)として、奇数フレームの間はg(t) = 1、偶数フレームの間はg(t) = -1を取るものを考える。 As shown in FIG. 5, the output function g (t) is assumed to take g (t) = 1 during odd frames and g (t) = − 1 during even frames.
演算制御回路14は、[数1]式の時間相関値を用いて撮像素子13の動作を制御する。しかし、ここでの被積分関数f(t)g(t)を直接得ることはできない。なぜならば、撮像素子13の各画素131が出力する輝度値は、照射された光強度、すなわちf(t)の1フレーム時間にわたる積分であり、任意の瞬間におけるf(t)の値ではないからである。一方、g(t)が各フレーム期間内においては固定値を取ることに注意すると、[数1]式の積分値は以下のように得ることができる。
ここで、iは撮像素子13の各フレームに時間順に与えられた連番であり、F[i]はフレームiにおいて各画素131が得た輝度値を、全画素について総和したものである。[数3]式の総和は、時間平均を取る区間Tに相当するフレーム数にわたって計算するものとする。なお、この時間平均操作を直接実行する代わりに、再帰型低域通過フィルタとして実装してもよく、その他のより高度な低域通過フィルタを用いてもよい。
Here, i is a sequential number given to each frame of the
演算制御回路14は、この時間相関値qに基づいて撮像素子13のフレーム時間を制御する。ここで、g(t)の中心周波数がf(t)の周波数とほぼ同一となるようにする。すなわち、時間相関値qが0のときにフレーム時間が照明変調周期の1/2になるようにし、時間相関値qが大きくなるに従ってフレーム時間を長く、小さくなるに従ってフレーム時間を短くする。時間相関値qの変化に応じてフレーム時間を変化させる際のゲインを適切な値に設定することで、撮像素子13の撮像タイミングは、f(t)とg(t)との周期が同一であり、位相差がπ/2である点に収束する。すなわち、フレーム時間が照明変調周期の1/2であり、各フレームの中心時刻が照明の点灯・消灯切り替わり時刻と一致する点に収束する。
The
さて、これまでは、撮像素子の各画素131に照射される光強度は一様であり、照明装置11からの変調照明光そのものと同一視できるとして説明してきた。このことの妥当性を、より実際的な状況を鑑みて議論する。
Until now, it has been described that the light intensity applied to each
一般に、照明装置11を含むさまざまな光源から発せられた光は、視覚センサの視野内の物体表面で反射され、その反射光が光学系12を通して撮像素子13に照射される。撮像素子13の各画素131が得る輝度値の全画素にわたる総和は、照明装置11を起源とする成分と、その他の光源を起源とする成分の和として表される。ここで、前者は照明装置11の発光体111の輝度に比例し、後者は発光体111の輝度に依存しないとみなせる。いま、視野内の物体表面の反射率分布が隣接フレーム間で大きくは変化しないと仮定すると、その他の光源を起源とする成分は、奇数フレームの分と偶数フレームの分とが相殺され、時間相関値qへ寄与しない。
In general, light emitted from various light sources including the
以上の議論をまとめると、時間相関値qへ寄与するのは、各画素131が得る輝度値のうち照明装置11を起源とする成分のみであり、またその成分の全画素にわたる総和は発光体111の輝度に比例する。よって、これまで説明してきたように、各画素131が得る輝度値の総和を、参照信号f(t)と同一視して差し支えない。
To summarize the above discussion, only the component originating from the
ところで、視野内の物体表面の反射率分布が隣接フレーム間で大きく変化する場合は、前述の議論は妥当ではない。f(t)の周波数が十分に高い、すなわち高フレームレートで撮影を行う高速度撮影の条件では、このような状況は生じにくい。また、十分に高フレームレートでない場合でも、視野のうちから反射率の変化の激しい領域を除いた他の画素にわたって輝度値の総和を取ることで、このような状況を回避することもできる。このように、適当な画素を選択し、あるいは重みづけを行った上で、各画素の輝度値の総和を計算したものを、画像から計算される特徴量と呼ぶ。 By the way, when the reflectance distribution of the object surface in the field of view changes greatly between adjacent frames, the above discussion is not valid. Such a situation is unlikely to occur under high-speed shooting conditions in which the frequency of f (t) is sufficiently high, that is, shooting at a high frame rate. Even when the frame rate is not sufficiently high, such a situation can be avoided by taking the sum of the luminance values over the other pixels excluding the region where the reflectance changes rapidly from the visual field. In this way, an appropriate pixel is selected or weighted, and the sum of luminance values of each pixel is calculated, which is called a feature amount calculated from an image.
なお、これまでは撮像素子13の各画素131は、照射される光強度をフレーム時間の全期間にわたって積分するとして議論してきた。これは、実際は常には成り立たず、機械的または電子的シャッタにより、フレーム時間のうち一部の期間にわたって照射される光強度が積分される場合もある。この場合のf(t)とg(t)との関係を、図6に示す。図4に示したf(t)とg(t)との位相差φによる時間相関値q(φ)の変化が、この場合にどのようになるかを、図7に示す。ここで、位相差φは、g(t) = 1 であるフレーム期間の中心時刻が、f(t) = 1 である期間の中心時刻に一致する場合を位相差0とし、これらがf(t)の1周期分だけずれている場合を位相差2πとして表した。図7に示すように、この場合も、f(t)とg(t)との位相差φがπ/2となる点のみが安定平衡点であり、同様に動作することがわかる。従って、フレーム時間のうち一部の期間でのみ積分動作がなされる場合でも、動作には差し支えがない。
Heretofore, each
さて、これまでの議論で、時間相関値qの変化に応じてフレーム時間を変化させる際のゲインを適切な値に設定する必要があることを述べた。ここで、適切なゲインの範囲は、撮像素子13へ照射される光のうち、照明装置11を起源とする変調照明成分の振幅に依存することに注意が必要である。f(t)とg(t)との位相差が同じ場合でも、振幅が大きいときは、フレーム時間に比較的大きな変化分が生じ、動作を不安定にしてしまう恐れがある。これを避けるためには、振幅の大きさの効果を打ち消すように、ゲインを小さく取る必要がある。
In the discussion so far, it was stated that the gain when changing the frame time according to the change of the time correlation value q needs to be set to an appropriate value. Here, it should be noted that the appropriate gain range depends on the amplitude of the modulated illumination component originating from the
ところが、撮像素子13へ照射される変調照明成分の振幅は、視野内の反射率分布や照明装置11の配置などにも依存するため、事前に見積もるのは難しく、また時間とともに変化し得る。そのような場合は、ゲインの事前設定が困難であり、従って安定動作をさせることが困難となる。これが問題となる場合に対応するためには、変調振幅をオンラインで推定し、その値によってゲインを正規化する手段が必要である。
However, the amplitude of the modulated illumination component irradiated to the
この正規化を実現する本実施形態の第2の態様では、照明装置11をデューティ比1:1 の矩形波で強度変調し、撮像素子13の基本フレーム時間を照明装置11の変調周期の4分の1 とする。撮像素子13のフレームごとに定められた値を取る第1の時間関数として、図8に示すように、各フレームに時間順に与えられた連番を4で除した際の剰余が0のフレームではg1(t) = 1、2のフレームではg1(t) = -1、1または3のフレームではg1(t) = 0 となる関数g1(t)と、同じく連番を4で除した際の剰余が1のフレームではg2(t) = 1、3のフレームではg2(t) = -1、0または2のフレームではg2(t) = 0となる関数g2(t)の2つを考える。
In the second aspect of the present embodiment that realizes this normalization, the intensity of the
これらg1(t)およびg2(t)のそれぞれについて、本実施形態の第1の態様と同様に、f(t)との時間相関を計算する。f(t)とg1(t)との時間相関をq1(φ)、f(t)とg2(t)との時間相関をq2(φ)と表す。いま撮像素子13のフレーム時間の全期間にわたって光強度が積分されるとしたとき、f(t)とg1(t)との位相差φに応じて、q1(φ)とq2(φ)とがそれぞれどのように変化するかを、図9に示す。ここで、位相差φは、g1(t) = 1 であるフレーム期間の中心時刻が、f(t) = 1 である期間の中心時刻に一致する場合を位相差0とし、これらがf(t)の1周期分だけずれている場合を位相差2πとして表した。
For each of g 1 (t) and g 2 (t), the time correlation with f (t) is calculated in the same manner as in the first aspect of the present embodiment. The time correlation between f (t) and g 1 (t) is represented as q 1 (φ), and the time correlation between f (t) and g 2 (t) is represented as q 2 (φ). Assuming that the light intensity is integrated over the entire frame time of the
図9に示すように、現在の位相差φの値によらず、max(|q1(φ)|, |q2(φ)|) により、変調照明成分の振幅を見積もることができることがわかる。よって、本実施形態の第1の態様と同様に、q1の値によりフレーム時間を変化させ、この際のゲインを前述の通り見積もられた振幅で正規化し、安定動作をさせることが可能となる。この正規化項には、必要に応じて時間平滑化などの後処理を施してもよい。 As shown in FIG. 9, it is understood that the amplitude of the modulated illumination component can be estimated by max (| q 1 (φ) |, | q 2 (φ) |) regardless of the current phase difference φ value. . Therefore, similarly to the first aspect of the present embodiment, it is possible to change the frame time according to the value of q 1 , normalize the gain at this time with the amplitude estimated as described above, and perform stable operation. Become. This normalization term may be subjected to post-processing such as time smoothing as necessary.
以上で述べた本実施形態の第2の態様は、撮像素子13のフレーム時間の一部の期間でのみ光強度が積分される場合でも同様に動作する。この場合のq1(φ)およびq2(φ)の変化の例を、図10に示す。図10に示すように、依然として位相差φがπ/2となる点が安定平衡点であり、また、変調照明成分の振幅を同様に見積もることができることがわかる。
The second aspect of the present embodiment described above operates in the same manner even when the light intensity is integrated only during a part of the frame time of the
11 照明装置
111 発光体
112 発行制御回路
12 光学系
13 撮像素子
131 画素
14 演算制御回路
21 位相検出器
22 低域通過フィルタ
23 電圧制御発振器
DESCRIPTION OF
Claims (10)
フレーム時間を制御し得る撮像素子と、
前記撮像素子が獲得した画像の後処理によって前記照明装置と前記撮像素子との動作の時刻ずれに係る情報を得て、この得られた情報に基づくフレーム時間のフィードバック制御によって前記時刻ずれを最小化する演算制御手段とを、
備えることを特徴とする視覚センサ同期装置。 An illumination device with intensity modulation;
An image sensor capable of controlling the frame time;
Information related to the time lag of the operation of the illumination device and the image sensor is obtained by post-processing of the image acquired by the image sensor, and the time lag is minimized by feedback control of the frame time based on the obtained information. Arithmetic control means for
A visual sensor synchronizer comprising:
前記撮像素子は基本フレーム時間を前記照明装置の変調周期の2分の1とされており、
前記演算制御手段は、フレームごとに定められた値を取る前記第1の時間関数として、フレームによって1または-1を取る関数を用いることにより、各フレームの画像から計算される前記特徴量をフレームごとに累積加減算し、その結果を低域通過フィルタに通すことで前記時刻ずれに係る情報を得ることを、
特徴とする請求項2または3記載の視覚センサ同期装置。 The illumination device is intensity-modulated with a rectangular wave with a duty ratio of 1: 1,
The imaging device has a basic frame time of one half of the modulation period of the lighting device,
The arithmetic and control means uses the function that takes 1 or −1 depending on the frame as the first time function that takes a value determined for each frame, and thereby calculates the feature amount calculated from the image of each frame. Accumulating and subtracting every time, and obtaining the information related to the time lag by passing the result through a low-pass filter,
The visual sensor synchronizing device according to claim 2 or 3,
前記撮像素子は基本フレーム時間を前記照明装置の変調周期の4分の1とされており、
前記演算制御手段は、フレームごとに定められた値を取る前記第1の時間関数として、フレームによって 1,0,または -1 を取る関数を用いることにより、各フレームの画像から計算される前記特徴量をフレームごとに累積加減算し、その結果を低域通過フィルタに通すことで前記時刻ずれに係る情報を得るとともに、変調振幅の大きさを得て、その変調振幅の大きさにより前記時刻ずれに係る情報を正規化することを、
特徴とする請求項2または3記載の視覚センサ同期装置。 The illumination device is intensity-modulated with a rectangular wave with a duty ratio of 1: 1,
The imaging device has a basic frame time of a quarter of the modulation period of the lighting device,
The calculation control means uses the function that takes 1, 0, or −1 depending on the frame as the first time function that takes a value determined for each frame, thereby calculating the feature calculated from the image of each frame. The amount is cumulatively added / subtracted for each frame, and the result is passed through a low-pass filter to obtain information on the time lag, and the magnitude of the modulation amplitude is obtained. Normalizing such information,
The visual sensor synchronizing device according to claim 2 or 3,
The intensity of the illuminating device is modulated with a rectangular wave having a duty ratio of 1: 1, the basic frame time of the imaging device is set to a quarter of the modulation period of the illuminating device, and the first value taking a value determined for each frame is taken. By using a function that takes 1, 0, or -1 depending on the frame as the time function of the above, the feature amount calculated from the image of each frame is cumulatively added and subtracted for each frame, and the result is passed through a low-pass filter. The information related to the time lag is obtained, the magnitude of the modulation amplitude is obtained, and the information related to the time lag is normalized by the magnitude of the modulation amplitude. Visual sensor synchronization method.
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Cited By (5)
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---|---|---|---|---|
WO2013094115A1 (en) * | 2011-12-19 | 2013-06-27 | 日本電気株式会社 | Time synchronization information computation device, time synchronization information computation method and time synchronization information computation program |
WO2013104060A1 (en) * | 2012-01-11 | 2013-07-18 | Smart Technologies Ulc | Interactive input system and method |
JP2014155213A (en) * | 2013-02-14 | 2014-08-25 | Casio Comput Co Ltd | Camera, photographing control program and photographing control method, and camera system |
US10205867B2 (en) | 2014-06-30 | 2019-02-12 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Image photographing method performed with terminal device having camera function |
CN114338951A (en) * | 2021-12-30 | 2022-04-12 | 智道网联科技(北京)有限公司 | Sensor synchronization method, device and system and vehicle |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EE05781B1 (en) | 2014-12-18 | 2016-10-17 | Tallinna Tehnikaülikool | Method and device for acquiring stream of the precisely time-stamped images |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2004107739A1 (en) * | 2003-05-29 | 2004-12-09 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Imaging device |
-
2008
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Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2004107739A1 (en) * | 2003-05-29 | 2004-12-09 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Imaging device |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2013094115A1 (en) * | 2011-12-19 | 2013-06-27 | 日本電気株式会社 | Time synchronization information computation device, time synchronization information computation method and time synchronization information computation program |
US9210300B2 (en) | 2011-12-19 | 2015-12-08 | Nec Corporation | Time synchronization information computation device for synchronizing a plurality of videos, time synchronization information computation method for synchronizing a plurality of videos and time synchronization information computation program for synchronizing a plurality of videos |
WO2013104060A1 (en) * | 2012-01-11 | 2013-07-18 | Smart Technologies Ulc | Interactive input system and method |
US9582119B2 (en) | 2012-01-11 | 2017-02-28 | Smart Technologies Ulc | Interactive input system and method |
JP2014155213A (en) * | 2013-02-14 | 2014-08-25 | Casio Comput Co Ltd | Camera, photographing control program and photographing control method, and camera system |
US10205867B2 (en) | 2014-06-30 | 2019-02-12 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Image photographing method performed with terminal device having camera function |
US10602047B2 (en) | 2014-06-30 | 2020-03-24 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Image photographing method performed with terminal device having camera function |
CN114338951A (en) * | 2021-12-30 | 2022-04-12 | 智道网联科技(北京)有限公司 | Sensor synchronization method, device and system and vehicle |
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