JP2013213812A - 構造化光パターンを生成及び取得するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】周辺光の存在下で、カメラによって取得される画像における構造化光のコントラストを増大させる方法を提供する。
【解決手段】構造化光パターンが、プロジェクター１０５の発光ダイオードＬＥＤによって放出された光のパルスを用いて、シーン上に投影される。ＬＥＤのパルスの間、ＬＥＤは、そのＬＥＤがオンであるとき、オーバードライブ電流で駆動される、カメラのセンサーは、そのパルスの間のみ、シーンからの光を統合し、そのシーンの画像を取得する。
【選択図】図２

Description

本発明は、包括的には、カメラを用いて物体の形状を求めることに関し、より詳細には、構造化光を用いてシーン内の３Ｄ形状を求めることに関する。

３Ｄスキャン
例えば２つのカメラによって取得されたステレオ画像から、立体技法を用いてシーン内の３次元（３Ｄ）点を求めることができる。その技法は、一方のカメラにおけるピクセルを、他方のカメラにおける、３Ｄシーン内の同じ点に対応するピクセルに関係付けることに依拠する。しかしながら、それらの点が均一な表面上にある場合、２つのカメラ間の対応を確立することが困難な場合がある。これによって、一方の画像内の多数のほぼ同一のピクセルのうちの正確にいずれが他方の画像内の特定のピクセルに対応するかが不明確になる。

ＳＬＳ
この理由により、幾つかの３Ｄスキャン技法は、カメラ及びプロジェクターを構造化光スキャナー（ＳＬＳ）として用いる。このプロジェクターは、シーン内の３Ｄ点をプロジェクター画像平面上のピクセルと関連付けることができるという意味でカメラと類似した動作をする。プロジェクターパターンはＳＬＳによって制御されるので、対応するプロジェクター及びカメラのピクセルを求めるのがより容易である。カメラ及びプロジェクターのサイズが小さくなるにつれＳＬＳは小型化し、例えばＳＬＳはロボットアーム上に配置して、部品の取上げ及び組立て等の自動化された機械動作を支援することができる。

ＤＬＰ
多くのプロジェクターがデジタル光投影（ＤＬＰ）を用いる。ＤＬＰは、オン位置及びオフ位置に独立して切り替えることができるデジタルマイクロミラー（ＤＭＤ）のアレイを備える。ミラーは高速に切り替えることができるので、パルス幅変調（ＰＷＭ）を用いることによって、「オン」時間及び「オフ」時間の様々な比率を用いて外見上の中間光レベルを投影することが可能である。

ピコプロジェクターは、非常に小さなＳＬＳを可能にすることができる。ピコプロジェクターは通常、ＬＥＤを用いるが、ＬＥＤは従来のプロジェクターバルブ（projector bulb）ほど明るくない。明度が低くなると、多くのＳＬＳ用途において、特にスキャンされるシーンが周辺光で占められているとき、周辺光によって構造化光パターンにおけるコントラストが低くなるので、彩度（色）の区別が難しくなる。

ストロービング
オン及びオフを高速に切り替えることは、ストロービング（strobing）に類似しており、動きを止めるように見える。ストロービングは明るい光の非常に短いパルスを生成する。

プロジェクターが、そのプロジェクターの発光ダイオード（ＬＥＤ）によって放出される光のパルスを用いて、シーン上に構造化光パターンを投影する。ＬＥＤのパルスは、ＬＥＤがオンのとき、オーバードライブ電流で駆動される。カメラは、パルスの間のみ（only during the pulses）、カメラのセンサーによってシーンからの光を統合し、シーンの画像及び構造化光パルスを取得する。

従来技術による構造化光の投影及び取得の概略図である。 本発明の実施形態による構造化光の投影及び取得の概略図である。 本発明の実施形態によって用いることができるオーバードライブ係数の表である。

本発明の実施形態は、構造化光パターンを生成及び取得するための装置及び方法を提供する。実施形態は、周辺光の存在下で、カメラによって取得される画像における構造化光のコントラストを増大させる。

図１は、プロジェクター構造化光１１０及び周辺光１２０、２つのパターン１３１及び１３２（パターン１、パターン２）を用いた２つの時間間隔１０１及び１０２にわたる従来技術によるプロセスを概略的に示している。２つの取得間隔１４１及び１４２中に、例えば３０フレーム毎秒（ｆｐｓ）のレートで２つの画像が取得される。各間隔の終了時にセンサーが読み出される（１５０）。通常、パターンは１組のバイナリ画像又はグレースケール画像である。１組の色画像をパターンとして用いることもできる。

周辺光及びプロジェクター１０５は絶えずオンであるので、シーン内の光は、構造化光及び周辺光の重ね合わせである。

構造化光画像の品質は、画像コントラストによってインデックス付けすることができる。

ここで、ａは周辺光の輝度であり、ｐはプロジェクター光のピーク輝度、すなわち「白色」光が投影される領域内の輝度である。「黒色」領域における投影光はａよりもはるかに小さいので、プロジェクターは少量の光しか「ｍｉｎ」に寄与しない。

オーバードライブ
図２は、本発明の実施形態の動作の新規な方法を示している。本発明は、カメラ画像取得プロセスの離散性、及びＬＥＤ「オーバードライブ」の双方を利用する。ＬＥＤオーバードライブは、定格よりも高い電流でＬＥＤを短く動作させることを指す。

オーバードライブされたＬＥＤは、ＬＥＤが連続して生成することができるレベルよりも１桁明るい光パルスを生成することができる。総光強度は光がオンである時間、及び単位時間当たりに放出される光量に正比例するので、（例えば）１／１０の時間量にわたって１０倍オーバードライブすることによって、同じ総量を生成することができる。オーバードライブすることによって、より短いパルスが可能になり、したがって、より短い間隔でのカメラ画像の統合が可能になる。各画像フレームの間、カメラのセンサーは、離散した間隔１４１及び１４２において光を取得し、その間、センサーピクセルは周囲光及び投影光を統合する。オーバードライブを用いることによって、取得間隔をより短くすることができ（２４１及び２４２）、それにより、オーバードライブによってプロジェクターから統合される光の総量を維持しながら、統合される周辺光の量を低減することができる。

ＬＥＤは、電流を概ね線形に光に変換する。すなわち、電流を２倍にすると、最大で熱破損の可能性がある点まで、約２倍の光が生成される。ＬＥＤがｌの平均（正規化）光出力で、或る電流ｉで動作することができる場合、ＬＥＤは通常、例えば熱損傷なしで数ミリ秒にわたって電流１０ｉで短く動作し（２０１及び２０２）、１０％のデューティサイクルで１０ｌのピーク光出力２１０を生成するが、経時的な平均光出力及び平均熱出力は同じままである。ＬＥＤが９０％の時間オフである場合、過度の熱は容易に消散させる（dissipate）ことができる。

オーバードライブすることによって、周辺光ａをｒだけ、すなわち元の捕捉間隔１４１及び１４２の持続時間の、低減された統合間隔２４１及び２４２の持続時間に対する比率だけ減少させるとともに、式（１）の投影光ｐを一定のままにすることができる。

式（１）にａ’＝ａ＊ｒを代入することによって、コントラストが実質的に増大することが示される。この増大したコントラストによって、ＳＬＳの出力がより正確になり、アーティファクト及び雑音がより少ない奥行き画像が生成される。

オーバードライブを用いると、構造化光２１０のコントラストは、短い時間間隔で周辺光２２０を凌ぐ（overwhelm）ことができる。センサー取得時間が、ＬＥＤがオンである時間間隔及び最小追加時間量まで低減される場合、カメラによって捕捉される構造化光パターンのコントラストを大幅に増大させることができる。

例えば、スキャンされている物体の太陽照度が５０ルクスであり、その物体に対するピークプロジェクター照度が１０ルクスのみであると仮定する。さらに、プロジェクターパターンが、１／２の白色バー及び１／２の黒色バーを有する一般的なパターンであるとき、白色エリア内の光の、黒色バーに対する比率は１００：１であると仮定する。このとき、周辺光がない場合、プロジェクターコントラストは以下の式であり、これは近最適である。

周辺光が追加されると、コントラストは激減し、以下の式となり、これは不良である。

一方、ＬＥＤが２０倍オーバードライブされ、取得時間が２０分の１に低減され、それによって、プロジェクターから取得される同じ光量を維持しながら、周辺光捕捉が５０／２０にまで低減される場合、コントラストは以下の式となり、これは非常に良好である。

なお、本発明の実施形態において、プロジェクターは、デジタル光投影（ＤＬＰ）、あるいは、液晶投影を用いてよい。あるいは、プロジェクターは、ピコプロジェクターから構成されてもよい。

Claims (14)

1. 構造化光パターンを生成及び取得するための方法であって、
   前記構造化光パターンをシーン上に投影するステップであって、該構造化光パターンは、発光ダイオード（ＬＥＤ）によって放出された光のパルスを用いて投影され、前記ＬＥＤの前記パルスの間、該ＬＥＤは、該ＬＥＤがオンであるとき、オーバードライブ電流で駆動される、ステップと、
   前記パルスの間のみ、カメラのセンサーによって前記シーンからの光を統合して、該シーンの画像を取得する、ステップと
   を含む、構造化光パターンを生成及び取得するための方法。
2. 前記シーンは周辺光を受け、該周辺光は、正常電流で前記ＬＥＤを駆動している間に取得される、投影される構造化光を凌ぎ、前記オーバードライブ電流は前記正常電流の少なくとも２倍である、請求項１に記載の方法。
3. 前記ＬＥＤがオフであるとき、前記ＬＥＤを０電流で駆動するステップ、
   を更に含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記プロジェクターから発し、画像ごとに前記センサーによって統合される光束の総量は、前記ＬＥＤが前記正常電流で駆動されている間に前記画像が取得されるときの前記光束と実質的に同一である、請求項２に記載の方法。
5. 前記構造化光パターンを使用して前記シーン内の物体の形状を求めるステップ、
   を更に含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記投影するステップは、デジタル光投影によって実行される、請求項１に記載の方法。
7. 前記投影するステップは、液晶投影によって実行される、請求項１に記載の方法。
8. 前記投影するステップは、ピコプロジェクターによって実行される、請求項１に記載の方法。
9. 前記カメラは、前記構造化光パターンを投影しながら前記シーンの前記画像を取得する、請求項１に記載の方法。
10. 前記画像は、前記カメラのフレームレートで取得される、請求項１に記載の方法。
11. 前記シーンの画像内の前記構造化光パターンの品質は以下の式であり、
    

    

    ここで、ａは周辺光の輝度であり、ｐは前記構造化光パターンのピーク輝度である、請求項１に記載の方法。
12. 前記ＬＥＤのオーバードライブされた電流は、正常電流よりも１桁大きい、請求項１に記載の方法。
13. 前記画像はバイナリ画像である、請求項１に記載の方法。
14. 構造化光パターンを生成及び取得するための装置であって、
    前記構造化光パターンをシーン上に投影するように構成されたプロジェクターであって、該構造化光パターンは、該プロジェクターの発光ダイオード（ＬＥＤ）によって放出された光のパルスを用いて投影され、前記ＬＥＤの前記パルスの間、該ＬＥＤは、該ＬＥＤがオンであるとき、オーバードライブ電流で駆動される、プロジェクターと、
    カメラであって、前記パルスの間のみ、該カメラのセンサーによって前記シーンからの光を統合し、該シーンの画像を取得するように構成されたカメラと、
    を備える、構造化光パターンを生成及び取得するための装置。

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