JP2011038827A - 路面状態検出方法および路面状態検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１つの光学系により垂直偏光画像と水平偏光画像の情報を同時に取得し得るようにする。
【解決手段】
路面状態検出装置の光学系は、路面からの光を相互に９０度異なった偏光状態に制御する第１と第２の旋光部を有する偏光制御素子２と、特定の偏光成分を透過させる偏光フィルタ３とを有している。第１の旋光部を介して偏光フィルタ３を透過した偏光成分と、第２の旋光部を介して偏光フィルタ３を透過した偏光成分は、偏光制御素子２により相互に９０度位相がずらされているので、偏光フィルタ３を透過した偏光成分は、垂直偏光画像と水平偏光画像とが混在した状態で撮像素子４に照射される。これにより、１台の光学系により垂直偏光画像と水平偏光画像の情報を同時に取得して路面状態を検出することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は路面からの光の垂直偏光画像と水平偏光画像の情報を取得して路面の状態を検出する技術に関する。

路面からの反射光または散乱光の偏光画像情報を用いることにより路面状態、つまり路面が乾燥状態であるか湿潤状態であるか、あるいは凍結状態であるか等を検出する技術が開発されている。偏光画像情報を用いて路面状態を検出する方法としては、例えば、１台のカメラの前面に回転可能な偏光フィルタを設置し、この偏光フィルタを回転させながら垂直偏光画像と水平偏光画像とを取得し、両者の偏光比から路面の状態を検出する方法がある（非特許文献１）。しかしながら、この方法では、垂直偏光画像と水平偏光画像を取得する間に時間差が生じるので、移動車両に搭載する場合には、垂直偏光画像と水平偏光画像とが相互に全く異なったシーンの画像となり、路面状態を検出することができないという問題がある。

この問題を解決するために、２台のカメラを用いて一方のカメラで垂直偏光画像を取得し、他方のカメラで水平偏光画像を取得することにより路面状態を検出する方法（特許文献１）と、カメラへの入射光をハーフミラーにより２系統に分割し、それぞれを垂直偏光フィルタと水平偏光フィルタを通して垂直偏光画像と水平偏光画像とを取得することにより路面状態を検出する方法（特許文献２）とが開発されている。

上田、堀場、池谷、大井「画像処理を用いた路面湿潤状況検出方式」、情報処理学会論文誌、vol.35,No.1072-1094(1994)

特開２００６−０５８１２２号公報 特開２００４−２７９２７９号公報

特許文献１に記載されるように、空間的にずらして配置された２台のカメラによって垂直偏光画像と水平偏光画像とを取得するようにすると、２枚の画像に視差が生じてしまうため、位置ずれを補正するための付加的な処理が必要になる。さらに、２枚の画像を別々に保存して処理する必要があり、格納データ量が多くなってしまうなどの問題点がある。

一方、特許文献２に記載されるように、２系統に分割された入射光を垂直偏光フィルタと水平偏光フィルタを通して垂直偏光画像と水平偏光画像とを取得する方式においては、取得された２枚の画像を一旦それぞれフレームメモリに格納した後に、１ラスタおきに合成して１枚の画像とし、それを再び電気信号に変換してデータ処理部に送って路面状態を検出するようにする必要がある。このため、画像撮像部の光学系が比較的複雑になるだけでなく、撮像後の画像処理装置が比較的大掛かりになるので、路面状態検出装置の車載を考慮すると、改善すべき問題点がある。

本発明の目的は、１つの光学系により垂直偏光画像と水平偏光画像の情報を同時に取得し得るようにすることにある。

本発明の路面状態検出方法は、路面からの光の垂直偏光画像と水平偏光画像に基づいて路面状態を検出する路面状態検出方法であって、路面からの光を相互に９０度異なった旋光状態に制御する第１と第２の旋光部を有する偏光制御素子に前記路面からの光を透過させ、前記偏光制御素子を透過した光のうち特定の偏光成分を偏光フィルタに透過させ、前記偏光フィルタを透過した垂直偏光画像と水平偏光画像とを撮像素子に照射し、１台の光学系により垂直偏光画像と水平偏光画像の情報を同時に取得することを特徴とする。

本発明の路面状態検出方法は、前記偏光制御素子は、前記路面からの光を旋光することなく透過させる第１の旋光部と、前記路面からの光を９０度旋光して透過させる第２の旋光部とを有することを特徴とする。本発明の路面状態検出方法は、前記偏光制御素子の前記第１と第２の旋光部を、市松模様、縦縞模様または横縞模様等の混在パターンとすることを特徴とする。

本発明の路面状態検出装置は、路面からの光の垂直偏光画像と水平偏光画像に基づいて路面状態を検出する路面状態検出装置であって、路面からの光を相互に９０度異なった旋光状態に制御する第１と第２の旋光部を有する偏光制御素子と、前記偏光制御素子を透過した光のうち特定の偏光成分を透過させる偏光フィルタと、前記偏光フィルタを透過した垂直偏光画像と水平偏光画像とを受光する撮像素子とを有し、１台の光学系により垂直偏光画像と水平偏光画像の情報を同時に取得することを特徴とする。

本発明の路面状態検出方法は、前記偏光制御素子は、前記路面からの光を旋光することなく透過させる第１の旋光部と、前記路面からの光を９０度旋光して透過させる第２の旋光部とを有することを特徴とする。本発明の路面状態検出装置は、前記偏光制御素子の前記第１と第２の旋光部を、市松模様、縦縞模様または横縞模様等の混在パターンとすることを特徴とする。本発明の路面状態検出装置は、前記偏光制御素子に制御信号を送り、前記第１の旋光部と前記第２の旋光部との混在パターンを設定するとともに当該混在パターンを解消する混在パターン制御手段を有することを特徴とする。

本発明によれば、路面からの光は偏光制御素子における第１の旋光部と第２の旋光部とにより相互に９０度異なった旋光状態に制御されて偏光フィルタに照射されるので、偏光フィルタにより特定の偏光成分を透過させるようにすると、偏光フィルタを透過した光は、それぞれの旋光部に対応した垂直偏光成分と水平偏光成分とを含むことになる。これにより、１つの光学系によって路面からの光の垂直偏光画像と水平偏光画像とを同時に取得して路面状態を検出することができる。１つの光学系により垂直偏光画像と水平偏光画像の情報を同時に取得することができるので、データ処理が簡略化され、リアルタイムでの処理が可能となり、路面状態検出装置により路面の状態を車両の運転者に報知することができる。さらに、路面状態検出装置の小型化により車両へ搭載が有利となる。

本発明の一実施の形態である路面状態検出装置における光学系の一例を示す概略図である。 路面状態検出装置における光学系の他の例を示す概略図である。 図１および図２に示した偏光制御素子に形成される第１と第２の旋光部の混在パターンの具体例を示す概念図であり、（ａ）は市松模様を示し、（ｂ）は縦縞模様を示し、（ｃ）は横縞模様を示す。 図２に示した光学系を有する路面状態検出装置を示すシステム構成図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図３（ａ）〜（ｃ）に示した旋光部の混在パターンに対応するフィルタリング処理信号の一例を示す。 （ａ）は旋光状態を変えない場合における路面状態のモニタ画像を示し、（ｂ）は偏光制御素子に図３（ａ）に示した市松模様に２種類の旋光部を設定した場合における路面状態のモニタ画像を示し、（ｃ）は（ｂ）の拡大画像を示し、（ｄ）は（ｂ）の画像をフィルタリング処理した画像を示す。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための図面において、同一の構成要素には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

本発明の路面状態検出装置の光学系は、偏光制御素子２と偏光フィルタ３と撮像素子４とを有することを基本構造としている。光学系としては、図１に示すように、それぞれプレート状の偏光制御素子２と偏光フィルタ３と撮像素子４とを相互に密着させるか、あるいはこれらを接近させて配置するようにした形態があり、これらの前方にはレンズ１が配置される。偏光制御素子２は旋光状態を制御する多数の画素により形成される第１と第２の旋光部を有しており、第１と第２の旋光部は路面からの反射光や散乱光からなる光を相互に９０度異なった旋光状態に制御して光を透過させる。偏光フィルタ３は偏光制御素子２を透過した光のうち特定の偏光成分を透過させて撮像素子４に照射させる。

したがって、例えば、第１の旋光部を路面からの光を旋光させることなくそのまま透過させる領域とし、第２の旋光部を路面から光を９０度旋光させて透過させる領域とし、偏光フィルタ３を水平偏光成分のみを透過させるようにすると、第１の旋光領域を透過した光は偏光フィルタ３により水平偏光成分のみが透過して撮像素子４に照射される。一方、第２の旋光部において９０度旋光されて擬似的に水平偏光成分となった垂直偏光成分は偏光フィルタ３を透過して撮像素子４に照射される。これにより、撮像素子４には路面からの光の垂直偏光成分と水平偏光成分とが同時に照射されることになる。

路面状態検出装置の光学系としては、さらに、図２に示すように、第１のレンズ１、偏光制御素子２、偏光フィルタ３および撮像素子４とをそれぞれ分離させるようにした形態がある。この形態の光学系においては、入射子光を偏光制御素子２に結像し、偏光制御素子２の第１旋光部と第２の旋光部とを透過した光を偏光フィルタ３に照射する。偏光フィルタ３により特定の偏光成分のみを透過させて、透過した偏光成分画像を撮像素子４に結像するための第２のレンズ５が偏光フィルタ３と撮像素子４との間に配置されている。

いずれの光学系においても、同等の画像を取得することが可能であるが、図１に示す光学系は小型化が可能なので、路面状態検出装置を車に搭載する場合には望ましい形態である。図２に示す光学系は、図１に示す光学系のように、それぞれの構成部材を密着させる必要がないので、組立が容易である。

上述のように、偏光制御素子２は、偏光状態を制御する多数の画素により設定される第１と第２の旋光部を有し、２種類の旋光部は入射光を相互に９０度位相が異なった旋光状態に制御して偏光フィルタ３に照射させる。したがって、偏光制御素子２には２種類の旋光部の領域が混在したパターンとして設定されるようになっている。両方の旋光部の混在したパターンとしては、つまり空間的に交互となった周期パターンとしては、取得画像の冗長性を活用するためになるべく細かく設定することが重要である。さらに、その周期性は画像全体で均一に設定した方が後の信号処理が容易となる。

図３は偏光制御素子２に形成される２種類の旋光部の混在パターンの具体例を示す概念図である。図３（ａ）は偏光制御素子２に市松模様に第１の旋光部６と第２の旋光部７とを周期的に設定するようにした混在パターンを示す。図３（ｂ）は偏光制御素子２に縦縞模様に第１の旋光部６と第２の旋光部７とを周期的に設定するようにした混在パターンを示し、図３（ｃ）は偏光制御素子２に横縞模様に第１の旋光部６と第２の旋光部７とを周期的に配置するようにした混在パターンを示す。それぞれの混在パターンを偏光制御素子２に対する偏光状態に制御すると、路面からの光は垂直偏光画像と水平偏光画像とが混在した状態で同時に撮像素子４に照射される。

偏光フィルタ３として上述のように水平偏光成分のみを透過させるタイプとし、第１の旋光部６を路面からの光を旋光させることなくそのまま透過させる領域とし、第２の旋光部７を路面から光を９０度旋光させて透過させる領域とすると、第１の旋光部６を透過した旋光されない光は偏光フィルタ３により水平偏光成分のみが透過して撮像素子４に照射され、第２の旋光部７において９０度旋光されて擬似的に水平偏光成分となった垂直偏光成分は偏光フィルタ３を透過して撮像素子４に照射されることになる。第１の旋光部６によって路面から光を旋光させることなくそのまま透過させるには、第１の旋光部６には電圧信号を印加しない。これに対し、第２の旋光部７によって入射光を９０度旋光させるには、第２の旋光部６に電圧を印加することになる。これにより、撮像素子４には垂直偏光画像と水平偏光画像とが同時に照射される。水平偏光画像の光は暗く、垂直偏光画像は偏光制御素子２により擬似的に水平偏光成分に旋光されても明るいので、垂直偏光画像と水平偏光画像とにより明暗パターンの路面画像が得られることになる。

これに対し、偏光フィルタ３として垂直偏光成分のみを透過させるタイプとすると、第１の旋光部６を透過した旋光されない光は偏光フィルタ３により垂直偏光成分のみが透過して撮像素子４に照射され、第２の旋光部７において９０度旋光された垂直成分に旋光された水平偏光成分が偏光フィルタ３を透過して撮像素子４に照射されることになる。この場合にも、撮像素子４には垂直偏光画像と水平偏光画像とが同時に照射され、明暗パターンの路面画像が得られることになる。

上述したように、第１の旋光部６は入射した光を旋光させることなくそのまま透過させるようにし、第２の旋光部７は入射した光を９０度旋光させるようにしているが、これらを逆転させて、第１の旋光部６は入射した光を９０度旋光させるようにし、第２の旋光部７は入射した光を旋光させることなくそのまま透過させるようにしても良い。

図４は図２に示した光学系を有する路面状態検出装置のシステム図である。図示するように、第１のレンズ１としては通常のカメラレンズが用いられ、第２のレンズ５としては接写可能なマクロレンズが用いられている。偏光制御素子２としては、透過型の液晶空間変調素子が用いられている。液晶空間変調素子は、電圧をかけることにより旋光性を調整して空間的な旋光状態を画素毎に制御することができる。したがって、図３に示すような第１の旋光部６と第２の旋光部７との混在パターンを設定することができるとともに混在パターンを解消することができる。混在パターンおよび混在パターンの解消は、液晶空間変調素子に対して混在パターン制御手段としてのパーソナルコンピュータ１０からの信号により制御される。

撮像素子４としてのＣＣＤが組み込まれたＣＣＤカメラ１１は、画像ボード１２を有するパーソナルコンピュータ１３に信号線１４を介して接続されている。ＣＣＤからなる撮像素子４からの信号は、画像ボード１２によりフィルタリング処理される。処理結果は、画像ボード１２に信号線１５を介して接続されたモニタ１６に表示される。これにより、路面が乾燥状態である湿潤状態であるか、あるいは凍結状態であるについての路面状態が表示される。

撮像素子４からの信号をフィルタリング処理する画像処理手段としての画像ボード１２は、偏光制御素子２に与えた第１の旋光部６と第２の旋光部７の周期性に合わせることになる。図５（ａ）〜（ｃ）は、図３（ａ）〜（ｃ）に示した２種類の旋光部６，７の混在パターンに対応するフィルタリング処理信号の一例を示す。図５はいわゆるラプラシアンフィルタと同じである。フィルタリング処理の形態は、路面状態の検出目的に応じて様々に変えることができる。例えば、偏光比画像を得るには、注目画素の値とそのまわりの画素の平均値の比を出力するようにすることになる。

フィルタリング処理を図４に示す路面状態検出装置においては、画像ボード１２により行うようにしているが、フィルタリング処理はどのような形態によって行うようにしても良い。例えば、ＡＤ変換後にフレームメモリに蓄積された画像データをハード的あるいはソフト的に処理するようにしても良い。

図６はシミュレーションしてモニタ１６に表示した処理結果の路面画像を示す。図６（ａ）は偏光状態を変えずにフィルタリング処理を行わないでモニタ１６に表示された路面状態を示す。この場合には、通常のカメラに得られた画像と同様の路面画像となる。図６（ｂ）は偏光制御素子２としての液晶空間変調素子により空間的な第１の旋光部６と第２の旋光部７との旋光設定パターンを図３（ａ）に示した市松模様に設定した場合における路面画像を示す。図６（ｃ）は図６（ｂ）の画像のうち道路の部分の拡大画像であり、画像の輝度分布が市松模様となっていることがわかる。これに、画像ボード１２により図５（ａ）に示したフィルタリング処理を用いて画像処理を実行した画像を示すと図６（ｄ）のようになった。これにより、凍結している路面の部分が明るく表示されていることがわかる。

このように、偏光制御素子２を用いて偏光状態を制御することにより偏光制御素子２に２種類の旋光部６，７を特定のパターンで設定することによって、１つの光学系により垂直偏光画像と水平偏光画像の情報を同時に取得して路面状態をモニタすることができる。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、路面状態をモニタに投影することに加えるか、これに代えて画像処理結果に基づいて、路面状態を文字、音声等により報知するようにしても良く、その場合には車両に路面状態検出装置を搭載する場合に有用となる。

１ レンズ
２ 偏光制御素子
３ 偏光フィルタ
４ 撮像素子
５ レンズ
６ 第１の旋光部
７ 第２の旋光部
１０ パーソナルコンピュータ（混在パターン制御手段）
１１ ＣＣＤカメラ
１２ 画像ボード
１３ パーソナルコンピュータ（画像処理手段）
１４ 信号線
１５ 信号線
１６ モニタ

Claims (7)

1. 路面からの光の垂直偏光画像と水平偏光画像に基づいて路面状態を検出する路面状態検出方法であって、
   路面からの光を相互に９０度異なった旋光状態に制御する第１と第２の旋光部を有する偏光制御素子に前記路面からの光を透過させ、
   前記偏光制御素子を透過した光のうち特定の偏光成分を偏光フィルタに透過させ、
   前記偏光フィルタを透過した垂直偏光画像と水平偏光画像とを撮像素子に照射し、１台の光学系により垂直偏光画像と水平偏光画像の情報を同時に取得することを特徴とする路面状態検出方法。
2. 請求項１記載の路面状態検出方法において、前記偏光制御素子は、前記路面からの光を旋光することなく透過させる第１の旋光部と、前記路面からの光を９０度旋光して透過させる第２の旋光部とを有することを特徴とする路面状態検出方法。
3. 請求項１または２記載の路面状態検出方法において、前記偏光制御素子の前記第１と第２の旋光部を、市松模様、縦縞模様または横縞模様等の混在パターンとすることを特徴とする路面状態検出方法。
4. 路面からの光の垂直偏光画像と水平偏光画像に基づいて路面状態を検出する路面状態検出装置であって、
   路面からの光を相互に９０度異なった旋光状態に制御する第１と第２の旋光部を有する偏光制御素子と、
   前記偏光制御素子を透過した光のうち特定の偏光成分を透過させる偏光フィルタと、
   前記偏光フィルタを透過した垂直偏光画像と水平偏光画像とを受光する撮像素子とを有し、
   １台の光学系により垂直偏光画像と水平偏光画像の情報を同時に取得することを特徴とする路面状態検出装置。
5. 請求項４記載の路面状態検出装置において、前記偏光制御素子は、前記路面からの光を旋光することなく透過させる第１の旋光部と、前記路面からの光を９０度旋光して透過させる第２の旋光部とを有することを特徴とする路面状態検出方法。
6. 請求項４または５記載の路面状態の検出装置において、前記偏光制御素子の前記第１と第２の旋光部を、市松模様、縦縞模様または横縞模様等の混在パターンとすることを特徴とする路面状態検出装置。
7. 請求項３〜６のいずれか１項に記載の路面状態の検出装置において、前記偏光制御素子に制御信号を送り、前記第１の旋光部と前記第２の旋光部との混在パターンを設定するとともに当該混在パターンを解消する混在パターン制御手段を有することを特徴とする路面状態検出装置。