JP2014202661A - 測距装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ステレオカメラの測距誤差をリアルタイムに検出する。【解決手段】測距装置１は、複数の第一撮像レンズ１２及び各第一撮像レンズ１２に対応した複数の第一撮像手段１３を備えたステレオカメラ１０と、各第一撮像手段１３により撮像された画像間の視差情報に基づいて対象物４１までの距離Ｌを算出する制御部３０と、を備える。また、測距装置１は、第二撮像レンズ１３及び第二撮像手段２３を備えた単眼カメラ２０を備え、単眼カメラ２０はステレオカメラ１０に対して光軸方向に所定距離ｄだけ離間して配置されている。制御部３０は、算出した距離Ｌ、第一撮像手段１３上の対象物像の画素数、及び距離ｄから第二撮像手段によって撮像されるはずの対象物像の画素数を求め、これと第二撮像手段２３上の対象物像の画素数とを比較することにより、測距誤差をリアルタイムに検出する。【選択図】図１

Description

本発明は、複数のカメラにて撮影した視差画像を用いて測距を行う測距装置に関し、特にカメラの位置ずれにより生じる測距誤差をリアルタイムに検出する測距装置に関するものである。

従来、計測対象を２つのカメラで撮影し、得られた２つの画像を用いて計測対象までの距離情報を得る「ステレオ測距」技術が知られている。ステレオ測距においては、撮影した２つの画像間に生じる視差を利用して、三角測量の原理により奥行き距離を算出する。
ステレオ測距において視差を求めるためには、ウィンドウマッチングを行って各画像において互いに対応する点（対応点）を探し出す必要がある。

図１０、図１１は、「ステレオ測距」で用いられる三角測量の原理を利用した測距方法を説明する図である。ステレオ測距においては、１対の２次元センサと、１対のレンズと、を組み合わせることにより２つのカメラを構成して、計測対象物のずれ（視差）を検出して三角測量の原理により距離を計測する。
図１０に示すステレオカメラ装置１０６において、同一の光学系からなる２つのカメラ１０２ａ、１０２ｂにて計測対象物１０１からの光像を撮影する場合を考える。
各カメラ１０２（１０２ａ、１０２ｂ）は、計測対象物１０１の光像が入射するレンズ１０３（１０３ａ、１０３ｂ）と、各レンズ１０３に入射した計測対象物１０１の光像（計測対象物像１０４：１０４ａ、１０４ｂ）を撮像する２次元センサ１０５（１０５ａ、１０５ｂ）と、を備えている。

カメラ１０２ａのレンズ１０３ａを通して得た計測対象物像１０４ａと、カメラ１０２ｂのレンズ１０３ｂを通して得た計測対象物像１０４ｂとは、計測対象物１０１上の同一点が視差Δだけずれて２次元センサ１０５ａ、１０５ｂ（図１１）に夫々至り、複数の受光素子（画素）で受光され、電気信号に変換される。
ここでレンズ１０３ａ、１０３ｂの光軸間の距離は基線長と呼ばれる。基線長をＢ、レンズ１０３と計測対象物１０１との距離をＬ、レンズ１０３の焦点距離をｆとしたとき、Ｌ≫ｆであるときには次式が成り立つ。
Ｌ＝Ｂｆ／Δ ・・・式（１）
図１０に示すように、基線長Ｂ、およびレンズの焦点距離ｆは既知であるから、視差Δを検出すれば、式（１）より計測対象物１０１までの距離Ｌを算出することができる。

上記の方法において、距離Ｌを高精度に検出するためには視差Δを高精度に検出する必要がある。特に視差が発生する方向（図１１のＹ方向）にレンズ１０３がずれる「並進ずれ」（又は「水平ずれ」とも言う）が発生すると、並進ずれはそのまま視差Δの誤差として表れ、正確な距離を算出できない。一般的に、視差は１画素以下の精度で検出する必要があるため、視差は数μｍ以下の精度で検出しなければならない。しかし、例えば図１０においてレンズ１０３ａが数μｍの並進ずれを生じると、これがそのまま視差Δの誤差となり、正確な距離を算出できない。

特許文献１、特許文献２には、ステレオカメラに位置ずれが発生した場合でも補正を施すことで上記の問題を解消する技術が開示されている。
特許文献１には、ステレオカメラの位置ずれをリアルタイムに補正する技術が開示されている。ステレオカメラに映る撮影画像から左右の車線を検出し、距離方向に延びる直線であることを判断して、近似直線の交点から画像の消失点を算出する。この消失点にもとづいて画像を補正することで、正確な距離測定を行うことができる。
特許文献２には、カメラにより撮像されたキャリブレーションプレートの画像を利用して補正をすることで、対象物の空間的な位置や形状を正確に認識する技術が開示されている。

しかしながら特許文献１においては、画像の消失点を得ることができない場合には、距離を補正することができないという問題がある。
また、特許文献２の発明では、測距誤差発生の有無に関わらず定期的にキャリブレーションプレートを撮影して補正する。測距誤差の発生を検知しているわけではないため、測距誤差が発生していないにも関わらず補正を行って作業効率を低下させたり、測距誤差が発生しているにも関わらず測距を続けてしまうといった問題がある。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、ステレオカメラの測距誤差をリアルタイムに検知する新規な測距装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、対象物の像を結像させると共に各光軸が平行に配置された複数の第一撮像レンズと、前記各第一撮像レンズにより結像された前記対象物の像に係る第一画像を夫々撮像する複数の第一撮像手段と、前記各第一画像間の視差情報に基づいて前記対象物までの距離を算出する測距手段と、前記第一撮像レンズの光軸と平行な軸線方向に、前記第一撮像レンズから所定距離だけ離間して配置されて、前記対象物の像を結像させる第二撮像レンズと、前記第二撮像レンズにより結像された前記対象物の像に係る第二画像を撮像する第二撮像手段と、前記測距手段が算出した前記対象物までの距離及び前記第一撮像レンズと前記第二撮像レンズとの距離に基づいて、前記第一画像から得られる前記対象物の大きさと前記第二画像から得られる前記対象物の大きさとを比較することにより、前記測距手段の測距誤差を検出する誤差検出手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明に係る測距装置においては、第二撮像レンズが、第一撮像レンズの光軸と平行な軸線方向に第一撮像レンズから所定距離だけ離間して配置されている。このため、第一画像中の対象物像の大きさと、第二画像中の対象物像の大きさとに差が生ずる。しかし、第一画像中に映る対象物像から求められる対象物の実際の大きさと、第二画像中に映る対象物から求められる対象物の実際の大きさとは、同一になるはずである。
本発明では、この関係を利用して測距誤差の発生を検知する。即ち、測距手段が算出した対象物までの距離と第一撮像レンズ−第二撮像レンズ間距離に基づいて、第一画像から得られる対象物の大きさと第二画像から得られる対象物の大きさとを比較し、両者が満たすべき関係を有していない場合には、測距手段により算出された対象物までの距離に誤差が生じていると判断する。
このように、本発明によれば、測距誤差の発生をリアルタイムに検知することができる。

本発明の第一の実施形態に係る測距装置を示した模式図である。 図１に示す制御部の機能ブロック図である。 三角測量の原理を利用した測距方法を説明する図である。 ステレオカメラにより撮像される対象物像と、単眼カメラにより撮像される対象物像との画素数の違いを示す図である。 ステレオカメラから対象物までの距離と単眼カメラに映る対象物の大きさ（画素数）との関係を示す図である。 単眼カメラの第二撮像素子の画素数と、±２％の測距誤差が生じた場合に単眼カメラに映る対象物像の画素数の差との関係を示す図である。 単眼カメラとステレオカメラの位置の違いと画素数の差について示した図である。 本発明の第三の実施形態に係る測距装置を示した模式図である。 単眼カメラの画角と誤差発生時の画素数の変化を示した図である。 三角測量の原理を利用した測距方法の原理を説明する図である。 三角測量の原理を利用した測距方法の原理を説明する図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
〈第一の実施形態〉
本発明の第一の実施形態に係る測距装置について説明する。図１は、本発明の第一の実施形態に係る測距装置を示した模式図である。
本実施形態に係る測距装置は、ステレオカメラ（複眼カメラ）と、ステレオカメラに対して光軸方向に位置をずらして配置された単眼カメラとを備えている。測距装置は、ステレオカメラにより撮影された視差画像に基づいて対象物までの距離Ｌ１と、ステレオカメラにより撮影された輝度画像から対象物の撮像素子上の大きさ（画素数）Ｙ１とを求める。
ここで、単眼カメラの撮像素子上に形成されるべき対象物の大きさ（画素数）は、距離Ｌ１と、画素数Ｙ１と、ステレオカメラと単眼カメラとの距離ｄと、から算出できる。本実施形態に係る測距装置は、単眼カメラの撮像素子上に形成されるべき対象物像の画素数と、実際に撮像された対象物像の撮像素子上の画素数Ｙ２とを比較することにより、測距誤差をリアルタイムに検出する点に特徴がある。

測距装置１は、図１に示すように、互いに視差のある２つの対象物画像（第一画像）を撮像するステレオカメラ１０（複眼カメラ）と、対象物画像（第二画像）を撮像する単眼カメラ２０と、ステレオカメラ１０にて撮像された画像に基づいて、ステレオカメラ１０から対象物４１までの距離Ｌ１（測距値）を算出する測距部３３（図２参照）を有する制御部３０と、を備えている。
ステレオカメラ１０は、２つの単眼の第一カメラ１１ａ、１１ｂを備えており、各第一カメラ１１ａ、１１ｂは、夫々対象物４１の光像を結像させる第一撮像レンズ１２（１２ａ、１２ｂ）と、各第一撮像レンズ１２により結像された対象物４１に係る画像（第一画像）を夫々撮像する第一撮像素子１３（１３ａ、１３ｂ：第一撮像手段）と、を備えている。なお、第一撮像素子１３は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の２次元センサである。
単眼カメラ２０は、対象物４１の光像を結像させる１つの第二撮像レンズ２２と、第二撮像レンズ２２により結像された対象物４１に係る画像（第二画像）を撮像する第二撮像素子２３（第二撮像手段）と、を備えている。なお、第二撮像素子２３は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の２次元センサである。また、第一撮像レンズ１２の光軸は互いに平行であり、第二撮像レンズ２２は、第一撮像レンズ１２の光軸と平行、且つ第一撮像レンズ１２の光軸とは異なる光軸を有する。また、単眼カメラ２０は、対象物４１を撮像可能な位置に配置されていれば良い。

第二撮像レンズ２２は、ステレオカメラ１０の第一撮像レンズ１２に対して、光軸方向（光軸と平行な軸線であるｚ軸方向）に所定距離ｄだけ離間して配置されている。このように、第一撮像レンズ１２と第二撮像レンズ２２とを、光軸方向に位置をずらして配置することにより、第一撮像素子１３によって撮像される第一画像中の対象物４１の大きさ（画素数）と、第二撮像素子２３によって撮像される第二画像中の対象物４１の大きさ（画素数）との間に、差が生ずる。
なお、第二撮像レンズ２２は、第一撮像レンズ１２よりも対象物４１から離間して配置されているが、第二撮像レンズ２２を第一撮像レンズ１２よりも対象物４１に近い位置に配置しても良い。

図２は、図１に示す制御部の機能ブロック図である。
制御部３０は、各第一撮像素子１３が撮像した夫々の輝度画像（２つの第一画像）に対して、歪みや収差の補正を行う第一画像補正部３１と、第一画像補正部３１が出力する補正後の輝度画像（視差画像）から、２つの画像間の視差を算出する視差演算部３２と、視差演算部３２により算出された２つの画像間の視差Δ（視差情報）に基づいて測距装置１から対象物４１までの距離Ｌ１を算出する測距部３３と、各第一撮像素子１３の少なくとも一つの第一撮像素子１３ａによって撮像され、且つ第一画像補正部３１が出力する補正後の輝度画像中における対象物像の画素数を計数する第一画素計数部３４と、を備えている。
第一画素計数部３４は、第一撮像レンズ１２（又は第一撮像素子１３）の並べられた方向（本例ではｙ軸方向、水平方向、或いは基線方向）における対象物４１の撮像素子上の大きさ（画素数）を計数する。また、第一画素計数部３４は、第一撮像素子１３が撮像した第一画像の輝度画像に対してエッジ検出を行い、検出されたエッジ間の画素数を計数する等の周知の手法を用いて、第一画像中の対象物像の大きさ（画素数）を求める。

更に、制御部３０は、第二撮像素子２３が撮像した輝度画像（第二画像）に対して、歪みや収差の補正を行う第二画像補正部３５と、第二画像補正部３５が出力する補正後の輝度画像中における対象物像の画素数を計数する第二画素計数部３６と、を備えている。
なお、第二画素計数部３６は第一画素計数部３４と同様に、第一撮像レンズ１２（又は第一撮像素子１３）の並べられた方向（本例ではｙ軸方向、水平方向、或いは基線方向）における対象物４１の撮像素子上の大きさ（画素数）を計数する。また、第二画素計数部３６は、第二撮像素子２３が撮像した第二画像の輝度画像に対してエッジ検出を行い、検出されたエッジ間の画素数を計数する等の周知の手法を用いて、第二画像中の対象物像の大きさ（画素数）を求める。

また更に、制御部３０は、測距部３３が算出した対象物４１までの距離Ｌ１（測距値）と、撮像レンズ間距離ｄとに基づいて、第一画素計数部３４が計数した第一画像中の対象物像の大きさ（画素数）と、第二画素計数部３６が計数した第二画像中の対象物像の大きさ（画素数）とを比較することにより、測距部３３が算出した対象物４１までの距離Ｌ１の誤差を検出する誤差検出部３７を備えている。
より詳しくは、誤差検出部３７は、測距部３３が算出した対象物までの距離Ｌ１と、第一画像中の対象物像の画素数Ｙ１と、第一撮像レンズ１２と第二撮像レンズ２２間の距離ｄと、から求められる第二画像中に映るべき対象物像の画素数と、実際の第二画像中の対象物像の画素数Ｙ２とを比較することにより、測距部３３が算出した対象物４１までの距離Ｌ１（測距値）の誤差をリアルタイムで検出する。

ここでステレオカメラに発生する位置ずれ（特にＹ方向の並進ずれ）によってどのように測距の誤差が発生するかについて説明する。
図３は、「ステレオ測距」で用いられる三角測量の原理を利用した測距方法を説明する図である。ステレオカメラ１０は、複数の第一カメラ１１（１１ａ、１１ｂ）を含んで構成されており、各第一カメラ１１は、対象物４１の光像が入射する複数の第一撮像レンズ１２（１２ａ、１２ｂ）と、各第一撮像レンズ１２により結像された対象物４１に係る複数の画像を撮像する複数の第一撮像素子１３（１３ａ、１３ｂ：撮像手段）と、を備えている。
第一撮像レンズ１２ａ、１２ｂの焦点距離をｆ、２つの第一撮像レンズ１２ａ、１２ｂの光軸間距離（基線長）をＢ、対象物４１までの距離Ｌとすると、得られる視差Δは
Δ＝Ｂｆ／Ｌ ・・・式（２）
と表される。一例として、基線長Ｂ＝５ｍｍ、焦点距離ｆ＝１．６ｍｍ、距離Ｌ＝２００ｍｍとすると、視差Δ＝０．０４ｍｍとなる。第一撮像素子１３ａ、１３ｂの１画素のサイズを２μｍとすると、２０画素（＝０．０４ｍｍ／２μｍ）相当の視差が発生することになる。

上記構成のステレオカメラ１０において、図３に示すように、一方の第一撮像レンズ１２ａが＋Ｙ方向に２μｍずれたとする。このとき、視差は０．０４２ｍｍとなり、２１画素（＝０．０４２ｍｍ／２μｍ）相当の視差が発生することになる。距離Ｌは式（１）で示したように「Ｌ＝Ｂｆ／Δ」で表されるため、視差Δが０．０４２ｍｍの場合、測距部３３は距離Ｌ＝１９０．５ｍｍと算出する。
このようにステレオカメラの一方のレンズのわずかな並進ずれによって、測距部３３は、２００ｍｍの距離を１９０．５ｍｍと算出し、約５％もの誤差を発生させてしまう。例えば、製造工場の検査工程において、レンズのずれが発生したことに気が付かないまま測距装置を使って検査を続けた場合、誤った検査値を出力して「不良品」を多数発生させてしまうことになる。この「不良品」の中には、真の不良品と、測距装置のレンズのずれが原因で発生した測距ミスにより不良品と判断された正常品と、が混在する可能性がある。このような場合には、もはや真の不良品と、不良品と判断された正常品と、を区別することは困難である。従って、ステレオカメラの出力値にずれがあるか否かをリアルタイムに検出できるようにすることが望ましい。

以下、本発明の原理について図１を参照しながら説明する。以下の説明においては、対象物の水平方向（Ｙ軸方向）の大きさの例により説明するが、垂直方向（Ｘ軸方向）についても同様に算出できる。
まず、測距装置１が以下のような特性を有しているものと仮定する。
第一カメラ１１の水平画角：θ１
第一撮像素子１３の画素数：β１×α１
単眼カメラ２０の水平画角：θ２
第二撮像素子２３の画素数：β２×α２
第一撮像レンズ１２と第二撮像レンズ２２とのＺ軸方向のずれ：ｄ
また、測距により、以下のデータが得られたとする。
対象物４１までの距離：Ｌ１
ステレオカメラ１０の第一撮像素子１３上の対象物像の水平方向の画素数：Ｙ１
単眼カメラ２０の第二撮像素子２３上の対象物像の水平方向の画素数：Ｙ２
なお、水平画角θ１、θ２、画素数β１×α１、β２×α２、レンズのずれｄは、測距装置１の設計値であり、固定的な値である。また、対象物像の画素数Ｙ１、Ｙ２は、画角の設定方向（本例では水平な方向）に計数する。

測距部３３による計算によって、ステレオカメラ１０から対象物４１までの距離がＬ１と算出されたとする。対象物の実際の大きさは、ステレオカメラ１０の場合、

・・・式（３）
によって算出される。対象物の実際の大きさは、単眼カメラ２０の場合、

・・・式（４）
によって算出される。
２つのカメラによって算出される実際の対象物の大きさは、ステレオカメラ１０による測距誤差がなければ同一となるので、

・・・式（５）
特にθ１＝θ２、β１＝β２である場合、

従って、

・・・式（６）
式（６）に示すように、単眼カメラ２０の第二撮像レンズ２２は、ステレオカメラ１０の第一撮像レンズ１２に対して、光軸方向（光軸に平行な軸線であるｚ軸方向）に所定距離ｄだけ対象物から離間しているため、両カメラによって撮像される対象物４１の、撮像画像中の画素数に差が生ずる。このため、距離Ｌ１と画素数Ｙ１と距離ｄとがわかれば、第二画像中に映るべき対象物像の画素数を算出できる（式（６）左辺）。
ｄは設計値なので、画素数Ｙ１とＹ２との間に式（６）の関係がない場合、測距値Ｌ１に誤差が生じていることがわかる。
なお、式（３）によって求められる対象物の実際の大きさと、式（４）によって求められる対象物の実際の大きさとを比較し、両者に差がある場合に測距値に誤差があると判断してもよい。

以下、具体的な数値例により説明する。なお、以下の説明においては画素数Ｙ１とＹ２を比較しているが、画素数Ｙ１とＹ２を比較することと、対象物の実際の大きさを比較すること（式（３）と式（４）を比較すること）は同義である。測距装置の特性を以下のように仮定する。
ステレオカメラ１０については、以下のように仮定する。
基線長Ｂ：１００ｍｍ
レンズ焦点距離ｆ：１．５ｍｍ
水平画角θ１：５０ｄｅｇ
第一撮像素子１３の画素サイズ：２μｍ
第一撮像素子１３の画素数：６４０×４８０（ＶＧＡ、３０万画素）
また、単眼カメラ２０については、以下のように仮定する。
水平画角θ２：５０ｄｅｇ
第二撮像素子２３の画素サイズ：２μｍ
第二撮像素子２３の画素数：６４０×４８０（ＶＧＡ、３０万画素）
第二撮像レンズ２２の第一撮像レンズ１２からのＺ軸方向距離：４０ｍｍ

ステレオカメラ１０が「視差Δ＝７５画素」を有する視差画像（輝度画像）を出力した場合、ステレオカメラ１０から対象物までの距離をＬ１とすると、視差演算部３２は、以下のようにＬ１を算出する。
Ｌ１＝Ｂ×ｆ／Δ
＝１００［ｍｍ］×１．５［ｍｍ］／（７５［画素］×２［μｍ］）＝１０００［ｍｍ］
ここで、対象物４１がステレオカメラ１０の第一画像中に、水平方向に「Ｙ１＝３００画素」の物体として撮像されたとする。実際の対象物の水平方向における大きさは、式（３）より、
１０００×ｔａｎ（５０／２）×２×３００／６４０＝４３７［ｍｍ］
測定された距離Ｌ１が正しい場合（Ｌ１＝Ｌ、ただしＬは測距装置１から対象物までの実際の距離を示す）、単眼カメラ２０によって撮像された第二画像中における対象物の水平方向の画素数をＹ２とすると式（４）より、Ｙ２＝２８８．８［画素］となる。なお、単眼カメラ２０はステレオカメラ１０に比べて距離ｄだけ離れた位置から対象物４１を撮像するため、単眼カメラ２０により撮像される対象物像の画素数Ｙ２は、ステレオカメラ１０により撮像される対象物像の画素数Ｙ１よりも小さくなる。
つまり、ステレオカメラ１０の何れか一方の第一撮像素子１３では、図４（ａ）に示すように対象物像が３００画素で撮像されるのに対し、単眼カメラ２０の第二撮像素子２３では、図４（ｂ）に示すように対象物像が２８８．８画素で撮像されているはずである。
しかし、対象物４１が第二撮像素子２３上で２８８．８画素とは異なる大きさに映っている場合、基線長Ｂのずれ（第一撮像レンズ間の位置ずれ）が原因で視差Δに誤差が生じ、その結果として距離Ｌを正しく測定できなかったものと判断できる。

図５は、ステレオカメラから対象物までの距離と単眼カメラに映る対象物の大きさ（画素数）との関係を示す図である。なお、このグラフにおいて単眼カメラ２０は、ステレオカメラ１０に対して対象物から４０ｍｍ離間している例である。また、対象物の実際の大きさは水平方向に４３７ｍｍであるとする。
ステレオカメラ１０と対象物４１との距離が９５０ｍｍである場合、単眼カメラ２０では２８８．２画素に撮影される。
ステレオカメラ１０と対象物４１との距離が１０００ｍｍである場合、上述のように、単眼カメラ２０では２８８．８画素に撮影される。
ステレオカメラ１０と対象物４１との距離が１０５０ｍｍである場合、単眼カメラ２０では２８９．３画素に撮影される。
このように、単眼カメラ２０に映る対象物４１の大きさは、ステレオカメラ１０からの距離に応じてリニアに変化することがわかる。

この結果から、単眼カメラ２０に映るはずの対象物像の画素数と、実際に単眼カメラ２０によって撮像された対象物像の画素数Ｙ２とを比較することにより、測距部３３が出力した距離Ｌ１（測距値）に生じた誤差をリアルタイムで検出することができる。また、算出された対象物のサイズ（画素数）に対して、実際に単眼カメラに映っている対象物のサイズ（画素数）が一定の画素数以上に異なっている場合は、ステレオカメラ１０の視差から得られた距離Ｌ１が一定以上にずれていることになる。
従って、誤差検出部３７は、算出された画素数と画素数Ｙ２とに所定値以上の差がある場合に、所定値以上の測距誤差が生じていると判断することができる。そして、誤差検出部３７が所定値以上の測距誤差を検出した場合には、外部にその旨を報知して、ユーザの指示に基づく測距値の補正（キャリブレーション）を行うようにしてもよい。また、誤差検出部３７が所定値以上の測距誤差を検出した場合には、自動的に測距値の補正（キャリブレーション）を行うようにしてもよい。
このように、本実施形態ではリアルタイムに測距誤差を検出できるので、必要なときに必要な測距値の補正（キャリブレーション）を行えるようになり、作業効率の低下や不正確なデータが出力され続ける等の不具合がなくなる。

〈第二の実施形態〉
第一の実施形態に係る測距装置においては、図５に示すように、ステレオカメラ１０の第一撮像レンズ１２から対象物までの距離が１０００［ｍｍ］である場合に、単眼カメラ２０で検出される対象物像の画素数は、２８８．８［画素］であった。仮に、第一の実施形態において設定した条件下で±２０［ｍｍ］（＝±２％）の測距誤差を生じた場合、単眼カメラ２０で検出される対象物像の画素数は夫々２８９［画素］、２８８．６［画素］である。実際の画素数との差が０．２［画素］と小さいため、測距誤差の検出精度に問題がある。
そこで、本実施形態においては、測距誤差をより多くの画素の差として検出することによって、測距誤差の検出精度を高める点に特徴がある。即ち、本実施形態に係る測距装置においては、単眼カメラ２０（図１参照）の第二撮像素子２３の画素数をステレオカメラ１０の第一撮像素子１３の画素数よりも多くした点に特徴がある。
なお、本実施形態において、第二撮像素子２３自体の大きさは第一の実施形態と同様であり、画素数のみを増大させている。

図６は、単眼カメラの第二撮像素子の画素数と、±２％の測距誤差が生じた場合に単眼カメラに映る対象物像の画素数の差との関係を示す図である。このグラフにおいて第二撮像素子２３の画素数以外の条件は、第一の実施形態と同様である。
即ち、図にはステレオカメラ１０から対象物４１までの距離Ｌが１０００［ｍｍ］のときに単眼カメラ２０に映る対象物像の画素数と、距離Ｌが１０００±２０［ｍｍ］のときに単眼カメラ２０に映る対象物像の画素数との差について、単眼カメラ２０の第二撮像素子２３の画素数を３０万画素、１２０万画素、５００万画素、１２００万画素、とした場合の計算結果を示している。なお、３０万画素は６４０×４８０画素（ＶＧＡ）、１２０万画素は１２８０×９６０画素（Ｑ−ＶＧＡ）、５００万画素は２５９２×１９４４画素、１２００万画素は３９６８×２９７６画素として計算した。
単眼カメラ２０の第二撮像素子２３が３０万画素の場合は±約０．２画素の違いであったが、１２０万画素の場合は±約０．４４画素、５００万画素の場合は±約０．８９画素、１２００万画素の場合は±約１．３８画素と、画素数（撮像素子の水平方向における画素数）の量に応じて測距誤差により生ずる画素数の違いも大きくなることがわかる。
これは撮像素子上に映る対象物像の大きさが同じであっても、撮像素子の画素数が多いと分解能が高くなり、精度良く測距誤差を検出できることを示している（式（５）参照）。
このように単眼カメラの撮像素子の画素数を多くすることで単眼カメラに映った対象物の大きさを精度良く検出することができる。特に、単眼カメラの撮像素子の画素数をステレオカメラの撮像素子の画素数よりも多くすることで、測距装置のコスト低減を図りつつ、測距誤差の検出精度を高めることができる。

図７は、単眼カメラのステレオカメラに対する位置の違いと画素数の差について示した図である。図には、図６のグラフに示した各画素数の第二撮像素子２３を備えた単眼カメラ２０を、ステレオカメラ１０に対するＺ軸方向の距離をｄ＝２０ｍｍ、４０ｍｍ、６０ｍｍ、８０ｍｍと変化させた場合のグラフを示している。
図示するように、Ｚ軸方向距離ｄを大きくすると、同一の測距誤差（図では２％の測距誤差）が発生した場合であっても第二撮像素子２３に映る対象物像の画素数の変化が大きくなり、測距誤差を精度良く検出することができる。
したがって、単眼カメラ２０には画素数の大きい撮像素子を用いると共に、単眼カメラ２０をステレオカメラ１０から光軸方向（Ｚ方向）に大きくずらして設置してすることで、ステレオカメラの測距誤差を精度良く検出することができるようになる

〈第三の実施形態〉
第二の実施形態に係る測距装置のように、単眼カメラ２０の第二撮像レンズ２２をステレオカメラ１０の第一撮像レンズ１２からＺ軸方向に大きくずらすと、測距装置がＺ軸方向に大型化するという問題がある。特に、３Ｄカメラのようなデジタル家電では小型化が求められているため、測距装置の大型化は市場の要求に反することとなる。
そこで本実施形態においては、測距誤差の検出精度を向上させつつ装置の小型化を実現できる測距装置を提供する。
図８は、本発明の第三の実施形態に係る測距装置を示した模式図である。図９は、単眼カメラの画角と誤差発生時の画素数の変化を示した図である。なお、図８では、図１と同一の構成には同一の符号を付している。本実施形態に係る測距装置２においては、単眼カメラ２０の画角θ２をステレオカメラ１０の画角θ１よりも小さくした点に特徴がある。

図９に示すグラフの縦軸は、ステレオカメラ１０の第一撮像レンズ１２から対象物までの距離Ｌが１０００［ｍｍ］である場合に単眼カメラ２０によって撮像される対象物像の画素数と、距離Ｌが１０２０［ｍｍ］（又は９８０［ｍｍ］）である場合に単眼カメラ２０によって撮像される対象物像の画素数との差を示している。
なお、このグラフは、ステレオカメラ１０の画角θ１を５０ｄｅｇ、単眼カメラとステレオカメラの光軸方向（Ｚ方向）のずれｄを４０ｍｍ、ステレオカメラ１０の撮像素子の画素数を３０万画素（６４０×４８０画素）、単眼カメラ２０の撮像素子の画素数を１２００万画素（３９６８×２９７６画素）、ステレオカメラ１０に映る対象物像の大きさ（画素数）を３００画素として計算したものである。

１０００±２０［ｍｍ］の測距誤差を生じた場合、画角θ２が画角θ１と同じ５０ｄｅｇの場合は１．４画素の違いが生じるが、画角θ２が画角θ１より小さい２０ｄｅｇの場合は２倍以上の約３．４画素の違いが生じる。これは画角が小さくなると対象物４１は単眼カメラ２０の第二撮像素子２３上に大きな画像として映るため、同じ測距誤差２０［ｍｍ］である場合であっても、画素数の違いがより大きく生じるためである（式（５）参照）。
このように、単眼カメラ２０の画角θ２をステレオカメラ１０の画角θ１よりも小さくすることで、測距誤差の検出精度を向上させつつ測距装置の小型化を実現できる。

１、２…測距装置、１０…ステレオカメラ（複眼カメラ）、１１…第一カメラ、１２…第一撮像レンズ、１３…第一撮像素子、２０…単眼カメラ、２２…第二撮像レンズ、２３…第二撮像素子、３０…制御部（制御手段）、３１…第一画像補正部、３２…視差演算部、３３…測距部（測距手段）、３４…第一画素計数部、３５…第二画像補正部、３６…第二画素計数部、３７…誤差検出部、４１…対象物、１０１…計測対象物、１０２…カメラ、１０３…レンズ、１０４…計測対象物像、１０５…２次元センサ、１０６…ステレオカメラ装置

特許第４５７３９７７号公報 特開２０００−１８０１３８公報

Claims (5)

1. 対象物の像を結像させると共に各光軸が平行に配置された複数の第一撮像レンズと、
   前記各第一撮像レンズにより結像された前記対象物の像に係る第一画像を夫々撮像する複数の第一撮像手段と、
   前記各第一画像間の視差情報に基づいて前記対象物までの距離を算出する測距手段と、
   前記第一撮像レンズの光軸と平行な軸線方向に、前記第一撮像レンズから所定距離だけ離間して配置されて、前記対象物の像を結像させる第二撮像レンズと、
   前記第二撮像レンズにより結像された前記対象物の像に係る第二画像を撮像する第二撮像手段と、
   前記測距手段が算出した前記対象物までの距離、及び前記第一撮像レンズと前記第二撮像レンズとの距離に基づいて、前記第一画像から得られる前記対象物の大きさと前記第二画像から得られる前記対象物の大きさとを比較することにより、前記測距手段の測距誤差を検出する誤差検出手段と、を備えたことを特徴とする測距装置。
2. 対象物の像を結像させると共に各光軸が平行に配置された複数の第一撮像レンズと、
   前記各第一撮像レンズにより結像された前記対象物の像に係る第一画像を夫々撮像する複数の第一撮像手段と、
   前記各第一画像間の視差情報に基づいて前記対象物までの距離を算出する測距手段と、
   前記第一撮像レンズの光軸と平行な軸線方向に、前記第一撮像レンズから所定距離だけ離間して配置されて、前記対象物の像を結像させる第二撮像レンズと、
   前記第二撮像レンズにより結像された前記対象物の像に係る第二画像を撮像する第二撮像手段と、
   前記測距手段が算出した前記対象物までの距離、前記第一撮像手段により撮像された前記第一画像中の前記対象物像に係る画素数、及び前記第一撮像レンズと前記第二撮像レンズ間の距離から求められる前記第二画像中に映るべき前記対象物像に係る画素数と、前記第二撮像手段により撮像された前記第二画像中の前記対象物像に係る画素数と、を比較することにより、前記測距手段の測距誤差を検出する誤差検出手段と、を備えたことを特徴とする測距装置。
3. 前記第二撮像手段の撮像画素数は、前記第一撮像手段の撮像画素数よりも多いことを特徴とする請求項１又は２に記載の測距装置。
4. 前記第二撮像レンズの画角は、前記第一撮像レンズの画角よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の測距装置。
5. 前記第二撮像レンズは、前記第一撮像レンズよりも前記対象物から離間した位置に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の測距装置。

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