JP2014211305A - 物体検出装置および情報取得装置 - Google Patents

Abstract

【課題】物体検出の精度を保ちつつ、演算量の増加を抑えることが可能な情報取得装置および物体検出装置を提供する。
【解決手段】情報取得装置１は、投射光学系１００と、目標領域をＣＭＯＳイメージセンサ２４０により撮像する受光光学系２００と、基準面にレーザ光を照射したときに撮像された基準画像を保持するメモリ２６と、基準画像にセグメント領域を設定し、距離測定時に撮像した実測画像とセグメント領域内のドットとを照合することにより、距離を取得する距離取得部２１ｂと、を備える。距離取得部２１ｂは、縦が５画素以上、横が５画素以上の四角形状となるようセグメント領域の大きさを設定し、隣り合うセグメント領域の間隔を、２画素分の距離以上で、且つ、セグメント領域の大きさに応じた上限値以下の距離に設定する。これにより、物体検出精度を損なわずに、演算量の増加を抑えることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、目標領域に光を投射したときの反射光の状態に基づいて目標領域内の物体を検出する物体検出装置および当該物体検出装置に用いて好適な情報取得装置に関する。

従来、光を用いた物体検出装置が種々の分野で開発されている。いわゆる距離画像センサを用いた物体検出装置では、２次元平面上の平面的な画像のみならず、検出対象物体の奥行き方向の形状や動きを検出することができる。かかる物体検出装置では、レーザ光源やＬＥＤ（Light Emitting Diode）から、予め決められた波長帯域の光が目標領域に投射され、その反射光がＣＭＯＳイメージセンサ等の受光素子により受光される。距離画像センサとして、種々のタイプのものが知られている。

所定のドットパターンを持つレーザ光を目標領域に照射するタイプの距離画像センサでは、ドットパターンを持つレーザ光の目標領域からの反射光が受光素子によって受光される。そして、ドットの受光素子上の受光位置に基づいて、三角測量法を用いて、検出対象物体の各部（検出対象物体上の各ドットの照射位置）までの距離が検出される（たとえば、非特許文献１）。

第１９回日本ロボット学会学術講演会（２００１年９月１８−２０日）予稿集、Ｐ１２７９−１２８０

上記物体検出装置では、所定距離だけ離れた位置に基準面を配したときにイメージセンサにより撮像されるドットパターンと、実測時にイメージセンサにより撮像されるドットパターンとが比較されて、距離の検出が行われる。たとえば、基準面に対するドットパターンに複数の領域が設定される。物体検出装置は、各領域に含まれるドットが実測時に撮像したドットパターン上のどの位置に移動したかに基づいて、領域毎に、対象物体までの距離を検出する。そして、物体検出装置は、領域毎に得られた距離情報をもとに、物体の形状、輪郭および動き等を検出する。

この場合、ドットパターンに設定される領域の数が多い程、対象物体に対して、撮像領域の面内方向に細かく距離を検出でき、距離検出の分解能が増加する。たとえば、隣り合う領域がイメージセンサ上において互いに１画素だけずれるように、各領域を設定することにより、距離検出の分解能を顕著に高めることができる。しかしながら、このように領域を設定すると、距離検出のための演算量が膨大となり、処理負担が大きくなるとの問題が生じる。距離検出の分解能は、取得された距離情報により検出対象物体の形状や輪郭が把握可能な程度に設定されれば良い。

本発明は、この点に鑑みてなされたものであり、物体検出の精度を保ちつつ、演算量の増加を抑えることが可能な情報取得装置および物体検出装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、光を用いて目標領域の情報を取得する情報取得装置に関する。
本態様に係る情報取得装置は、目標領域に所定のドットパターンでレーザ光を投射する投射光学系と、前記投射光学系に対して所定の距離だけ横方向に離れて並ぶように配置され、前記目標領域をイメージセンサにより撮像する受光光学系と、基準面に前記レーザ光を照射したときに前記受光光学系により撮像された基準ドットパターンを保持する記憶部と、前記基準ドットパターンにセグメント領域を設定し、距離測定時に目標領域を撮像して取得された実測ドットパターンと前記セグメント領域内のドットとを照合することにより、前記セグメント領域に対応する前記目標領域内の位置について距離を取得する距離取得部と、を備える。前記距離取得部は、前記イメージセンサ上において縦が５画素以上、横が５画素以上の四角形状となるよう前記セグメント領域の大きさを設定し、隣り合う前記セグメント領域の間隔を、２画素分の距離以上で、且つ、前記セグメント領域の大きさに応じた上限値以下の距離に設定する。

本発明の第２の態様は、物体検出装置に関する。本態様に係る物体検出装置は、上記第１の態様に係る情報取得装置を有する。

本発明によれば、物体検出の精度を保ちつつ、演算量の増加を抑えることが可能な情報取得装置および物体検出装置を提供することができる。

本発明の効果ないし意義は、以下に示す実施の形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下に示す実施の形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施の形態により何ら制限されるものではない。

実施の形態に係る物体検出装置の構成を示す図である。 実施の形態に係る情報取得装置と情報処理装置の構成を示す図である。 実施の形態に係る投射光学系と受光光学系の外観を示す斜視図である。 実施の形態に係る目標領域に対するレーザ光の照射状態とイメージセンサ上のレーザ光の受光状態を示す図である。 実施の形態に係る参照パターンの生成方法を説明する図である。 実施の形態に係る距離検出手法を説明する図である。 実施の形態に係る距離検出結果を示す図である。 実施の形態に係るセグメント領域の大きさと解像感の関係について説明する図である。 比較例に係るセグメント領域の大きさと距離検出の分解能について説明する図である。 セグメント領域の大きさ別に距離検出の分解能を複数設定したシミュレーション結果を示す図である。 実施の形態に係るセグメント領域の大きさと距離検出の分解能について説明する図である。 実施の形態に係るセグメント領域の大きさとセグメント領域の間隔の設定の処理の流れを示す図である。 実施の形態に係るセグメント領域の設定の処理の流れを示す図である。 変更例に係るセグメント領域の間隔の設定、およびセグメント領域の設定処理の流れを説明する図である。

以下、本発明の実施の形態につき図面を参照して説明する。本実施の形態には、所定のドットパターンを持つレーザ光を目標領域に照射するタイプの情報取得装置が例示されている。

まず、図１に本実施の形態に係る物体検出装置の概略構成を示す。図示の如く、物体検出装置は、情報取得装置１と、情報処理装置２とを備えている。テレビ３は、情報処理装置２からの信号によって制御される。

情報取得装置１は、目標領域全体に赤外光を投射し、その反射光をＣＭＯＳイメージセンサにて受光することにより、目標領域にある物体各部の距離（以下、「３次元距離情報」という）を取得する。取得された３次元距離情報は、ケーブル４を介して情報処理装置２に送られる。

情報処理装置２は、たとえば、テレビ制御用のコントローラやゲーム機、パーソナルコンピュータ等である。情報処理装置２は、情報取得装置１から受信した３次元距離情報に基づき、目標領域における物体を検出し、検出結果に基づきテレビ３を制御する。

たとえば、情報処理装置２は、受信した３次元距離情報に基づき人を検出するとともに、３次元距離情報の変化から、その人の動きを検出する。たとえば、情報処理装置２がテレビ制御用のコントローラである場合、情報処理装置２には、受信した３次元距離情報からその人のジェスチャを検出するとともに、ジェスチャに応じてテレビ３に制御信号を出力するアプリケーションプログラムがインストールされている。この場合、ユーザは、テレビ３を見ながら所定のジェスチャをすることにより、チャンネル切り替えやボリュームのＵｐ／Ｄｏｗｎ等、所定の機能をテレビ３に実行させることができる。

また、たとえば、情報処理装置２がゲーム機である場合、情報処理装置２には、受信した３次元距離情報からその人の動きを検出するとともに、検出した動きに応じてテレビ画面上のキャラクタを動作させ、ゲームの対戦状況を変化させるアプリケーションプログラムがインストールされている。この場合、ユーザは、テレビ３を見ながら所定の動きをすることにより、自身がテレビ画面上のキャラクタとしてゲームの対戦を行う臨場感を味わうことができる。

図２は、情報取得装置１と情報処理装置２の構成を示す図である。

情報取得装置１は、光学部の構成として、投射光学系１００と受光光学系２００とを備えている。投射光学系１００と受光光学系２００は、Ｘ軸方向に並ぶように、情報取得装置１に配置される。

投射光学系１００は、レーザ光源１１０と、コリメータレンズ１２０と、リーケージミラー１３０と、回折光学素子（ＤＯＥ：Diffractive Optical Element）１４０と、ＦＭＤ（FrontMonitor Diode）１５０とを備えている。また、受光光学系２００は、アパーチャ２１０と、撮像レンズ２２０と、フィルタ２３０と、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０とを備えている。この他、情報取得装置１は、回路部の構成として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２１と、レーザ駆動回路２２と、ＰＤ信号処理回路２３と、撮像信号処理回路２４と、入出力回路２５と、メモリ２６を備えている。

レーザ光源１１０は、受光光学系２００から離れる方向（Ｘ軸負方向）に波長８３０ｎｍ程度の狭波長帯域のレーザ光を出力する。コリメータレンズ１２０は、レーザ光源１１０から出射されたレーザ光を平行光から僅かに広がった光（以下、単に「平行光」という）に変換する。

リーケージミラー１３０は、誘電体薄膜の多層膜からなり、反射率が１００％よりも若干低く、透過率が反射率よりも数段小さくなるように膜の層数や膜厚が設計されている。
リーケージミラー１３０は、コリメータレンズ１２０側から入射されたレーザ光の大部分をＤＯＥ１４０に向かう方向（Ｚ軸方向）に反射し、残りの一部分をＦＭＤ１５０に向かう方向（Ｘ軸負方向）に透過する。

ＤＯＥ１４０は、入射面に回折パターンを有する。この回折パターンによる回折作用により、ＤＯＥ１４０に入射したレーザ光は、ドットパターンのレーザ光に変換されて、目標領域に照射される。回折パターンは、たとえば、ステップ型の回折ホログラムが所定のパターンで形成された構造とされる。回折ホログラムは、コリメータレンズ１２０により平行光とされたレーザ光をドットパターンのレーザ光に変換するよう、パターンとピッチが調整されている。

ＤＯＥ１４０は、リーケージミラー１３０から入射されたレーザ光を、放射状に広がるドットパターンのレーザ光として、目標領域に照射する。ドットパターンの各ドットの大きさは、ＤＯＥ１４０に入射する際のレーザ光のビームサイズに応じたものとなる。

ＦＭＤ１５０は、リーケージミラー１３０を透過したレーザ光を受光し、受光量に応じた電気信号を出力する。

目標領域から反射されたレーザ光は、アパーチャ２１０を介して撮像レンズ２２０に入射する。

アパーチャ２１０は、撮像レンズ２２０のＦナンバーに合うように、外部からの光に絞りを掛ける。撮像レンズ２２０は、アパーチャ２１０を介して入射された光をＣＭＯＳイメージセンサ２４０上に集光する。フィルタ２３０は、レーザ光源１１０の出射波長（８３０ｎｍ程度）を含む赤外の波長帯域の光を透過し、可視光の波長帯域をカットするＩＲフィルタ（Infrared Filter）である。

ＣＭＯＳイメージセンサ２４０は、撮像レンズ２２０にて集光された光を受光して、画素毎に、受光量に応じた信号（電荷）を撮像信号処理回路２４に出力する。ここで、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０は、各画素における受光から高レスポンスでその画素の信号（電荷）を撮像信号処理回路２４に出力できるよう、信号の出力速度が高速化されている。

ＣＰＵ２１は、メモリ２６に格納された制御プログラムに従って各部を制御する。かかる制御プログラムによって、ＣＰＵ２１には、レーザ光源１１０を制御するためのレーザ制御部２１ａと、３次元距離情報を生成するための距離取得部２１ｂの機能が付与される。

レーザ駆動回路２２は、ＣＰＵ２１からの制御信号に応じてレーザ光源１１０を駆動する。ＰＤ信号処理回路２３は、ＦＭＤ１５０から出力された受光量に応じた電圧信号を増幅およびデジタル化してＣＰＵ２１に出力する。ＣＰＵ２１は、ＰＤ信号処理回路２３から供給される信号をもとに、レーザ制御部２１ａによる処理によって、レーザ光源１１０の光量を増幅もしくは減少させる判断を行う。レーザ光源１１０の光量を変化させる必要があると判断された場合、レーザ制御部２１ａは、レーザ光源１１０の発光量を変化させる制御信号をレーザ駆動回路２２に送信する。これにより、レーザ光源１１０から出射されるレーザ光のパワーが略一定に制御される。

撮像信号処理回路２４は、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０を制御して、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０で生成された各画素の信号（電荷）をライン毎に順次取り込む。そして、取り込んだ信号を順次ＣＰＵ２１に出力する。ＣＰＵ２１は、撮像信号処理回路２４から供給される信号（撮像信号）をもとに、情報取得装置１から検出対象物の各部までの距離
を、距離取得部２１ｂによる処理によって算出する。入出力回路２５は、情報処理装置２とのデータ通信を制御する。

情報処理装置２は、ＣＰＵ３１と、入出力回路３２と、メモリ３３を備えている。なお、情報処理装置２には、同図に示す構成の他、テレビ３との通信を行うための構成や、ＣＤ−ＲＯＭ等の外部メモリに格納された情報を読み取ってメモリ３３にインストールするためのドライブ装置等が配されるが、便宜上、これら周辺回路の構成は図示省略されている。

ＣＰＵ３１は、メモリ３３に格納された制御プログラム（アプリケーションプログラム）に従って各部を制御する。かかる制御プログラムによって、ＣＰＵ３１には、画像中の物体を検出するための物体検出部３１ａの機能が付与される。かかる制御プログラムは、たとえば、図示しないドライブ装置によってＣＤ−ＲＯＭから読み取られ、メモリ３３にインストールされる。

たとえば、制御プログラムがゲームプログラムである場合、物体検出部３１ａは、情報取得装置１から供給される３次元距離情報から画像中の人およびその動きを検出する。そして、検出された動きに応じてテレビ画面上のキャラクタを動作させるための処理が制御プログラムにより実行される。

また、制御プログラムがテレビ３の機能を制御するためのプログラムである場合、物体検出部３１ａは、情報取得装置１から供給される３次元距離情報から画像中の人およびその動き（ジェスチャ）を検出する。そして、検出された動き（ジェスチャ）に応じて、テレビ３の機能（チャンネル切り替えやボリューム調整、等）を制御するための処理が制御プログラムにより実行される。

入出力回路３２は、情報取得装置１とのデータ通信を制御する。

図３は、投射光学系１００と受光光学系２００の設置状態を示す斜視図である。

投射光学系１００と受光光学系２００は、ベースプレート３００に配置される。投射光学系１００を構成する光学部材は、ハウジング１００ａに設置され、このハウジング１００ａがベースプレート３００上に設置される。これにより、投射光学系１００がベースプレート３００上に配置される。１５０ａ、２４０ａは、それぞれ、ＦＭＤ１５０、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０からの信号を回路基板（図示せず）に供給するためのＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）である。

受光光学系２００を構成する光学部材は、ホルダ２００ａに設置され、このホルダ２００ａが、ベースプレート３００の背面からベースプレート３００に取りつけられる。これにより、受光光学系２００がベースプレート３００に配置される。なお、受光光学系２００は、Ｚ軸方向に光学部材が並ぶため、投射光学系１００と比べ、Ｚ軸方向の高さが高くなっている。ベースプレート３００は、Ｚ軸方向の高さを抑えるために、受光光学系２００の配置位置周辺がＺ軸方向に一段高くなっている。

図３に示す設置状態において、投射光学系１００の射出瞳と受光光学系２００の入射瞳の位置は、Ｚ軸方向において、略一致する。また、投射光学系１００と受光光学系２００は、投射光学系１００の投射中心と受光光学系２００の撮像中心がＸ軸に平行な直線上に並ぶように、Ｘ軸方向に所定の距離をもって並んで設置される。

投射光学系１００と受光光学系２００の設置間隔は、情報取得装置１と目標領域の基準
面との距離に応じて、設定される。どの程度離れた目標物を検出対象とするかによって、基準面と情報取得装置１との間の距離が変わる。検出対象の目標物までの距離が近くなるほど、投射光学系１００と受光光学系２００の設置間隔は狭くなる。逆に、検出対象の目標物までの距離が遠くなるほど、投射光学系１００と受光光学系２００の設置間隔は広くなる。

図４（ａ）は、目標領域に対するレーザ光の照射状態を模式的に示す図、図４（ｂ）は、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０におけるレーザ光の受光状態を模式的に示す図である。なお、同図（ｂ）には、便宜上、目標領域に平坦な面（スクリーン）とスクリーンの前に人物が存在するときの受光状態が示されている。

図４（ａ）に示すように、投射光学系１００からは、ドットパターンを持ったレーザ光（以下、このパターンを持つレーザ光の全体を「ＤＰ光」という）が、目標領域に照射される。図４（ａ）には、ＤＰ光の光束領域が実線の枠によって示されている。ＤＰ光の光束中には、ＤＯＥ１４０による回折作用によってレーザ光の強度が高められたドット領域（以下、単に「ドット」という）が、ＤＯＥ１４０による回折作用によるドットパターンに従って点在している。

目標領域に平坦な面（スクリーン）が存在すると、これにより反射されたＤＰ光は、図４（ｂ）のように、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上に分布する。

図４（ｂ）には、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上のＤＰ光の全受光領域が破線の枠によって示され、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の撮像有効領域に入射するＤＰ光の受光領域が実線の枠によって示されている。ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の撮像有効領域は、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０がＤＰ光を受光した領域のうち、センサとして信号を出力する領域であり、たとえば、ＶＧＡ（６４０画素×４８０画素）のサイズである。また、同図（ａ）に示す目標領域上におけるＤｔ０の光は、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上では、同図（ｂ）に示すＤｔ’０の位置に入射する。スクリーンの前の人物の像は、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上では、上下左右が反転して撮像される。

ここで、図５、図６を参照して、上記距離検出の方法を説明する。

図５は、上記距離検出手法に用いられる参照パターンの設定方法を説明する図である。

図５（ａ）に示すように、投射光学系１００から所定の距離Ｌｓの位置に、Ｚ軸方向に垂直な平坦な反射平面ＲＳが配置される。出射されたＤＰ光は、反射平面ＲＳによって反射され、受光光学系２００のＣＭＯＳイメージセンサ２４０に入射する。これにより、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０から、撮像有効領域内の画素毎の電気信号が出力される。出力された画素毎の電気信号の値（画素値）は、図２のメモリ２６上に展開される。以下、反射面ＲＳからの反射によって得られた全画素値からなる画像を、「基準画像」、反射面ＲＳを「基準面」と称する。そして、図５（ｂ）に示すように、基準画像上に、「参照パターン領域」が設定される。なお、図５（ｂ）には、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の背面側から受光面をＺ軸正方向に透視した状態が図示されている。図６以降の図においても同様である。

こうして設定された参照パターン領域に対して、所定の大きさを有する複数のセグメント領域が設定される。セグメント領域の大きさは、得られる距離情報による物体の輪郭抽出精度とＣＰＵ２１に対する距離検出の演算量の負荷を考慮して決定される。なお、セグメント領域の大きさと物体の輪郭抽出精度の関係については、追って、図８を参照して説明する。

図５（ｃ）を参照して、比較例における参照パターン領域に設定されるセグメント領域について説明する。なお、図５（ｃ）には、便宜上、各セグメント領域の大きさが７画素×７画素で示され、各セグメント領域の中央の画素が×印で示されている。すなわち、セグメント領域は、一辺の長さが隣り合う画素間の間隔の７倍である正方形に設定されている。

比較例では、セグメント領域は、図５（ｃ）に示すように、隣り合うセグメント領域が参照パターン領域に対してＸ軸方向およびＹ軸方向に１画素間隔で並ぶように設定される。すなわち、あるセグメント領域は、このセグメント領域のＸ軸方向およびＹ軸方向に隣り合うセグメント領域に対して１画素ずれた位置に設定される。このとき、各セグメント領域には、固有のパターンでドットが点在する。よって、セグメント領域内の画素値のパターンは、セグメント領域毎に異なっている。隣り合うセグメント領域の間隔が狭いほど、参照パターン領域内に含まれるセグメント領域の数が多くなり、目標領域の面内方向（Ｘ−Ｙ平面方向）における距離検出の分解能が高められる。なお、比較例におけるセグメント領域の間隔と、距離検出の分解能の関係については、追って図９を参照して説明する。

こうして、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上における参照パターン領域の位置に関する情報と、参照パターン領域に含まれる全画素の画素値（参照パターン）と、参照パターン領域に対して設定されるセグメント領域の情報が、図２のメモリ２６に記憶される。メモリ２６に記憶されるこれらの情報を、以下、「参照テンプレート」と称する。

図２のＣＰＵ２１は、投射光学系１００から検出対象物体の各部までの距離を算出する際に、参照テンプレートを参照する。ＣＰＵ２１は、距離を算出する際に、参照テンプレートから得られる各セグメント領域内のドットパターンのずれ量に基づいて、物体の各部までの距離を算出する。

たとえば、図５（ａ）に示すように距離Ｌｓよりも近い位置に物体がある場合、参照パターン上の所定のセグメント領域Ｓｎに対応するＤＰ光（ＤＰｎ）は、物体によって反射され、セグメント領域Ｓｎとは異なる領域Ｓｎ’に入射する。投射光学系１００と受光光学系２００はＸ軸方向に隣り合っているため、セグメント領域Ｓｎに対する領域Ｓｎ’の変位方向はＸ軸に平行となる。図５（ａ）の場合、物体が距離Ｌｓよりも近い位置にあるため、領域Ｓｎ’は、セグメント領域Ｓｎに対してＸ軸正方向に変位する。物体が距離Ｌｓよりも遠い位置にあれば、領域Ｓｎ’は、セグメント領域Ｓｎに対してＸ軸負方向に変位する。

セグメント領域Ｓｎに対する領域Ｓｎ’の変位方向と変位量をもとに、投射光学系１００からＤＰ光（ＤＰｎ）が照射された物体の部分までの距離Ｌｒが、距離Ｌｓを用いて、三角測量法に基づき算出される。同様にして、他のセグメント領域に対応する物体の部分について、投射光学系１００からの距離が算出される。かかる算出手法の詳細は、たとえば、上記非特許文献１（第１９回日本ロボット学会学術講演会（２００１年９月１８−２０日）予稿集、Ｐ１２７９−１２８０）に示されている。

かかる距離算出では、参照テンプレートのセグメント領域Ｓｎが、実測時においてどの位置に変位したかを検出する。この検出は、実測時にＣＭＯＳイメージセンサ２４０上に照射されたＤＰ光から得られたドットパターンと、セグメント領域Ｓｎに含まれるドットパターンとを照合することによって行われる。以下、実測時にＣＭＯＳイメージセンサ２４０上の撮像有効領域に照射されたＤＰ光から得られた全画素値からなる画像を、「実測画像」と称する。実測時のＣＭＯＳイメージセンサ２４０の撮像有効領域は、基準画像取
得時と同様に、たとえば、ＶＧＡ（６４０画素×４８０画素）のサイズである。

図６（ａ）〜（ｅ）は、かかる距離検出の手法を説明する図である。図６（ａ）は、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上における基準画像に設定された参照パターン領域を示す図であり、図６（ｂ）は、実測時のＣＭＯＳイメージセンサ２４０上の実測画像を示す図であり、図６（ｃ）〜（ｅ）は、実測画像に含まれるＤＰ光のドットパターンと、参照テンプレートのセグメント領域に含まれるドットパターンとの照合方法を説明する図である。なお、図６（ａ）、（ｂ）は、便宜上、一部のセグメント領域のみが示されている。また、図６（ｂ）の実測画像には、便宜上、図４（ｂ）のように、検出対象物体として基準面より前に人物が存在しており、人物の像が写り込んでいることが示されている。

図６（ａ）のセグメント領域Ｓｉの実測時における変位位置を探索する場合、図６（ｂ）に示すように、実測画像上に、セグメント領域Ｓｉに対して探索範囲Ｒｉが設定される。探索範囲Ｒｉは、Ｘ軸方向に所定の幅を持っている。セグメント領域Ｓｉが探索範囲Ｒｉにおいて１画素ずつＸ軸方向に送られ、各送り位置において、セグメント領域Ｓｉのドットパターンと実測画像上のドットパターンとが比較される。以下、実測画像上の各送り位置に対応する領域を、「比較領域」と称する。探索範囲Ｒｉには、セグメント領域Ｓｉと同じサイズの比較領域が複数設定され、Ｘ軸方向に隣り合う比較領域は互いに１画素ずれている。

探索範囲Ｒｉは、検出対象物体が基準面よりも情報取得装置１に離れる方向、および近づく方向にどの程度の距離を検出可能な範囲とするかによって決定される。図６中では、基準画像上のセグメント領域Ｓｉの画素位置に対応する実測画像上の画素位置から、Ｘ軸負方向にｘ画素ずれた位置からＸ軸正方向にｘ画素ずれた位置の範囲が探索範囲Ｒｉに設定されている。

比較領域においてセグメント領域ＳｉをＸ軸方向に１画素ずつ送りながら、各送り位置において、参照テンプレートに記憶されているセグメント領域Ｓｉのドットパターンと、実測画像のＤＰ光のドットパターンのマッチング度合いが求められる。このようにセグメント領域Ｓｉを探索範囲Ｒｉ内においてＸ軸方向にのみ送るのは、上記のように、通常、参照テンプレートにより設定されたセグメント領域のドットパターンは、実測時において、Ｘ軸方向の所定の範囲内でのみ変位するためである。

なお、実測時には、検出対象物体の位置によっては、セグメント領域に対応するドットパターンが実測画像からＸ軸方向にはみ出すことが起こり得る。たとえば、参照パターン領域の最もＸ軸負側のセグメント領域Ｓ１に対応するドットパターンが、基準面よりも遠距離の物体に反射された場合、セグメント領域Ｓ１に対応するドットパターンは、実測画像よりもＸ軸負方向に位置づけられる。この場合、セグメント領域に対応するドットパターンは、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の撮像有効領域内にないため、この領域については、適正にマッチングすることができない。しかし、このような端の領域以外については、適正にマッチングすることができるため、物体の距離検出への影響は少ない。

なお、端の領域についても、適正にマッチングする場合には、実測時のＣＭＯＳイメージセンサ２４０の撮像有効領域を、基準画像取得時のＣＭＯＳイメージセンサ２４０の撮像有効領域よりも、大きくすることができるものを用いればよい。たとえば、基準画像取得時において、ＶＧＡ（６４０画素×４８０画素）のサイズで撮像有効領域が設定された場合、実測時においては、それよりもＸ軸正方向およびＸ軸負方向に３０画素分大きいサイズで撮像有効領域を設定する。これにより、実測画像が基準画像よりも大きくなるが、端の領域についても、適正にマッチングすることができる。

上記マッチング度合いの検出時には、まず、参照パターン領域の各画素の画素値と実測画像の各セグメント領域の各画素の画素値が２値化されて、メモリ２６に保持される。たとえば、基準画像および実測画像の画素値が８ビットの階調の場合、０〜２５５の画素値のうち、所定の閾値以上の画素が、画素値１に、所定の閾値未満の画素が、画素値０に変換されて、メモリ２６に保持される。その後、比較領域とセグメント領域Ｓｉとの間の類似度が求められる。すなわち、セグメント領域Ｓｉの各画素の画素値と、比較領域に対応する画素の画素値との差分が求められる。そして、求めた差分を比較領域の全ての画素について加算した値Ｒｓａｄが、類似度を示す値として取得される。

たとえば、図６（ｃ）のように、一つのセグメント領域中に、ｍ列×ｎ行の画素が含まれている場合、セグメント領域のｉ列、ｊ行の画素の画素値Ｔ（ｉ，ｊ）と、比較領域のｉ列、ｊ行の画素の画素値Ｉ（ｉ，ｊ）との差分が求められる。そして、セグメント領域の全ての画素について差分が求められ、その差分の総和により、図６（ｃ）に示す式の値Ｒｓａｄが求められる。値Ｒｓａｄが小さい程、セグメント領域と比較領域との間の類似度が高い。

こうして、図６（ｄ）に示すように、セグメント領域Ｓｉについて、探索範囲Ｒｉの全ての比較領域に対して値Ｒｓａｄが求められる。図６（ｅ）は、探索範囲Ｒｉの各送り位置における値Ｒｓａｄの大小が模式的に示されたグラフである。セグメント領域Ｓｉについて、探索範囲Ｒｉの全ての比較領域に対して値Ｒｓａｄが求められると、まず、求めた値Ｒｓａｄの中から、最小値Ｂｔ１が参照される。次に、求めた値Ｒｓａｄの中から、２番目に小さい値Ｂｔ２が参照される。最小値Ｂｔ１と２番目に小さい値Ｂｔ２との差分値Ｅｓが閾値未満であれば、セグメント領域Ｓｉの探索はエラーとされる。他方、差分値Ｅｓが閾値以上であれば、最小値Ｂｔ１に対応する比較領域Ｃｉが、セグメント領域Ｓｉの移動領域と判定される。図６（ｄ）のように、比較領域Ｃｉは、基準画像上のセグメント領域Ｓｉの画素位置と同位置の実測画像上の画素位置Ｓｉ０よりもＸ軸正方向にα画素ずれた位置で検出される。これは、基準面よりも近い位置に存在する検出対象物体（人物）によって、実測画像上のＤＰ光のドットパターンが基準画像上のセグメント領域ＳｉよりもＸ軸正方向に変位したためである。

こうして、実測時に取得されたＤＰ光のドットパターンから、各セグメント領域の変位位置が探索されると、上記のように、その変位位置に基づいて、三角測量法により、各セグメント領域に対応する検出対象物体の部位までの距離が求められる。

このようにして、セグメント領域Ｓ１〜セグメント領域Ｓｎまで全てのセグメント領域について、上記同様のセグメント領域の探索が行われる。

次に、上記距離検出手法を用いて本願発明者がマッチングの測定を行った測定例について説明する。この測定例では、セグメント領域Ｓｉが検出された場合、上記画素位置Ｓｉ０に対するセグメント領域Ｓｉの検出位置のずれ量（以下、「画素ずれ量」という）に応じて白から黒の階調で表現された値が、セグメント領域Ｓｉの距離情報として、メモリ２６に記憶される。セグメント領域Ｓｉの検出位置が探索範囲ＲｉにおいてＸ軸負方向にずれるほど黒に近く、セグメント領域Ｓｉの検出位置が探索範囲ＲｉにおいてＸ軸正方向にずれるほど白に近い色の階調が割り当てられる。また、セグメント領域Ｓｉの探索がエラーとなった場合、探索範囲Ｒｉにおいて最もＸ軸負方向にずれた位置に対応する階調、すなわち、最も黒い色の階調がメモリ２６に記憶される。このように、マッチングの測定結果を白と黒の階調で表現した画像を、「測定画像」と称する。

図７は、上記比較例のように、１画素間隔でセグメント領域が設定された状態で、上記距離検出手法を用いた場合の距離測定例を示す図である。

図７（ａ）は、情報取得装置１から距離１０００ｍｍの位置に平坦なスクリーンが配置され、情報取得装置１から距離８００ｍｍの位置に人物が立った状態でＤＰ光を照射し、反射されたＤＰ光を撮像した実測画像である。人物は、略２００ｍｍほど前方に手を突き出している。すなわち、図中では、人物の手、胴体、スクリーンの順で情報取得装置１からの距離が遠くなっている。

図７（ｂ）は、図５（ｃ）のように、７画素×７画素の大きさ、かつ、１画素間隔でセグメント領域が設定された状態で、図７（ａ）の実測画像を用いてマッチングを測定した測定画像を示す図である。また、図７（ｃ）は、１５画素×１５画素の大きさ、かつ、１画素間隔でセグメント領域が設定された状態で、図７（ａ）の実測画像を用いてマッチングを測定した測定画像を示す図である。なお、それぞれ、図７（ａ）の実測画像におけるスクリーンと同位置に基準面として、スクリーンのみが配置された状態でＤＰ光を照射し、反射されたＤＰ光を撮像した基準画像を用いて、マッチングを行った。

図７（ｂ）、（ｃ）を参照して、スクリーンの部分が黒に近い階調で示され、人物の部分が白に近い階調で示されている。また、人物の手の部分は、他の胴体部分に比べて、さらに白に近い階調で示されている。このように、それぞれの測定結果において、大まかな人物の形状を認識できていることがわかる。

図７（ｂ）の場合、図中、多数の黒い点が示されている。すなわち、セグメント領域の探索がエラーとなった領域が多数含まれている。他方、図７（ｃ）の場合、人物とスクリーンの境界、人物の胴体と手の境界、および黒いベルトの位置以外の領域においては、黒い点は、ほぼ存在しない。すなわち、大部分の領域において、セグメント領域の探索がエラーとならず、適正に距離情報が得られている。

なお、人物とスクリーンの境界におけるエラーは、セグメント領域に対応する比較領域内にスクリーンによって反射されたドットパターンと人物によって反射されたドットパターンが同程度含まれることによって、図６（ｅ）に示した最小値のＲｓａｄと２番目に小さいＲｓａｄの差分値が閾値を超えないために生じたものである。また、ベルトの位置におけるエラーは、ベルトが反射率の低い黒色であることにより、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０に受光されるドットパターンが減少したため生じたものである。

このように、セグメント領域の大きさが小さいと、セグメント領域内に含まれるドットパターンのユニーク性が減少し、エラーの領域が多発する。したがって、適正に距離情報を取得するためには、図７（ｃ）の１５画素×１５画素のように、ある程度のセグメント領域の大きさが必要である。

しかし、セグメント領域の大きさが大きくなると、測定画像における物体の輪郭の見た目の鮮鋭さは、劣化したものとなる。以下、物体の輪郭の見た目の鮮鋭さを「解像感」と称する。解像感は、人が見た目で感じる画像の精細さの尺度であり、人の主観的な評価基準である。

図８は、セグメント領域の大きさと解像感の関係について説明する図である。

図８（ａ）は、図７（ａ）に示した実測画像の右手周辺部を模式的に示した図、図８（ｂ）は、図８（ａ）に示す右手の内、人差し指の周辺部Ａ１の一部拡大図である。 図８（ｃ）は、７画素×７画素の大きさ、かつ、１画素間隔でセグメント領域が設定された状態でマッチングを測定した結果の右手周辺部の測定画像である。図８（ｄ）は、２１画素×２１画素の大きさ、かつ、１画素間隔でセグメント領域が設定された状態でマッチング
を測定した結果の右手周辺部の測定画像である。

図８（ｂ）を参照して、大きさが７画素×７画素のセグメント領域Ｓの実測画像上の画素ずれ量０の位置Ｓ０が示されている。人差し指は、基準面よりも近距離にあるため、人差し指によって反射されたドットは、Ｘ軸負方向にずれて受光光学系２００に撮像される。セグメント領域Ｓの大きさは、おおよそ、人差し指の大きさと同程度である。よって、セグメント領域Ｓの比較領域には、ほぼ人差し指によって反射されたドットのみが含まれる。したがって、セグメント領域Ｓは、Ｘ軸正方向にずれた比較領域Ｃ１とマッチングし、適正に人差し指の距離情報が得られる。たとえば、図８（ｃ）に示すＡ’１の領域では、人差し指の輪郭を認識できていることがわかる。

また、図８（ｂ）には、大きさが２１画素×２１画素のセグメント領域Ｓ’の実測画像上の画素ずれ量０の位置Ｓ’０が示されている。セグメント領域Ｓ’の比較領域には、スクリーンによって反射されたドットと、人差し指によって反射されたドットが混在している。比較領域に含まれるドットは、人差し指よりもスクリーンから反射されたドットの方がかなり多い。スクリーンは、基準面と同位置にあるため、スクリーンによって反射されたドットの位置は、基準画像の位置からほぼずれない。したがって、セグメント領域Ｓ’は、人差し指によって反射されたドットよりも、スクリーンによって反射されたドットとのマッチング率が高くなり、比較領域Ｃ’とマッチングするため、スクリーンの距離情報が得られる。このため、図８（ｄ）に示す領域Ａ’’１では、人差し指を認識することができず、スクリーンの距離情報のみが得られている。また、図８（ｃ）と図８（ｄ）を比較すると、図８（ｄ）の場合のほうが、親指の先端や、中指と薬指の隙間等が認識できず、解像感がかなり劣っていることがわかる。

このように、セグメント領域内に異なる距離位置からのドットパターンが混在すると、最もマッチング率の高い１つの距離情報が得られることとなる。したがって、セグメント領域の大きさが大きくなればなるほど、測定画像の物体の輪郭の見た目の鮮鋭さ（解像感）は、劣化したものとなる。

図９は、比較例におけるセグメント領域の間隔と、距離検出の分解能の関係を説明する図である。

図９（ａ）に示すように、比較例のセグメント領域ｓ０の右側には、セグメント領域ｓ０を１画素だけＸ軸正方向にずらした領域に、セグメント領域ｓｘが設定される。同様に、セグメント領域ｓ０を１画素だけＹ軸正方向にずれした領域に、セグメント領域ｓｙが設定される。なお、セグメント領域の大きさは、７画素×７画素が設定されている。

比較例では、セグメント領域ｓ０の中心ｐ０と、セグメント領域ｓｘの中心ｐｘおよびセグメント領域ｓｙの中心ｐｙの間隔は、セグメント領域のずれ幅に相当する１画素分の間隔となる。

このように、セグメント領域が決定されると、対象物体に対する距離は、上下左右に１画素に対応する細かさで検出されることになる。すなわち、図９（ｂ）に示す如く、円で概念的に示される位置が、距離を検出できる一つの位置となり、これが距離検出の分解能となる。比較例の場合では、１画素単位で距離検出することができ、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０から出力された実測画像および基準画像の解像度とほぼ同等の分解能で距離を検出することができる。

しかし、このように分解能が高い場合には、その分、ＣＰＵ２１における演算処理の負担が大きくなる。他方、図９（ｃ）に示すように、セグメント領域の大きさが１５画素×
１５画素に広げられると、上記のように分解能が高められても、測定画像の解像感はかなり劣化する。この場合、分解能をやや低下させて、ＣＰＵ２１の処理負担を軽減させた方が望ましいとも考えられる。

そこで、本願発明者は、セグメント領域の大きさ毎に、距離検出の分解能の高さを複数設定したシミュレーションを行い、測定画像の解像感の劣化具合を比較した。なお、シミュレーションでは、１画素間隔でセグメント領域を設定した状態で得た測定画像から、Ｘ軸方向とＹ軸方向にそれぞれ所定の画素毎に階調を抽出して測定画像よりも小さなサイズの画像を生成し、生成した画像を測定画像と同一サイズに引き伸ばした画像が示されている。測定画像から１画素飛ばしで階調を抽出すると、２画素間隔で、隣り合うセグメント領域が設定された場合の測定画像と等価な画像が得られ、測定画像から２画素、３画素飛ばしで階調を抽出すると、それぞれ、３画素、４画素間隔で、隣り合うセグメント領域が設定された場合の測定画像と等価な画像が得られる。シミュレーションでは、これらの画像が、各画素間隔で、隣り合うセグメント領域が設定された場合の測定画像として示されている。

図１０は、シミュレーション結果を示す図である。

図１０の上段には、セグメント領域の大きさが７画素×７画素の場合の右手部分の測定画像、中段には、セグメント領域の大きさが１５画素×１５画素の場合の右手部分の測定画像、下段には、セグメント領域の大きさが２１画素×２１画素の場合の右手部分の測定画像が示されている。

また、図中、左から順に、セグメント領域の間隔が１画素、２画素、３画素、４画素、８画素で設定された場合の測定画像が示されている。左にいくほど、距離測定の分解能は高く、右にいくほど、距離測定の分解能は低い。すなわち、左にいくほど、測定画像に含まれる階調が対応づけられた領域（階調領域）の数が多く、ひとつひとつの階調領域が小さいサイズとなっており、右にいくほど、測定画像に含まれる階調領域の数が少なく、ひとつひとつの階調領域が大きいサイズとなっている。

本願発明者は、これらのシミュレーション結果の測定画像のうち、セグメント領域の間隔が１画素の場合における測定画像の手の輪郭の解像感が損なわれない程度の測定画像を主観的に選択した。

まず、図中、上段のセグメント領域の大きさが７画素×７画素の場合は、セグメント領域の間隔が２画素の場合までは、手の輪郭の解像感がほぼ損なわれていない。セグメント領域の間隔が３画素の場合は、１画素の場合に比べて、指の輪郭の鮮鋭さ（解像感）が失われている。

次に、図中、中段のセグメント領域の大きさが１５画素×１５画素の場合は、セグメント領域の間隔が４画素の場合までは、手の輪郭の解像感がほぼ損なわれていない。セグメント領域の間隔が８画素の場合は、１画素の場合に比べて、指の輪郭の鮮鋭さ（解像感）は、大きく失われている。

さらに、図中、下段のセグメント領域の大きさが２１画素×２１画素の場合は、セグメント領域の間隔が４画素の場合までは、手の輪郭の解像感がほぼ損なわれていない。セグメント領域の間隔が８画素の場合は、１画素の場合に比べて、指の輪郭の鮮鋭さ（解像感）は、大きく失われている。

以上のことから、セグメント領域の間隔は、セグメント領域の一辺に含まれる画素の数
の略１／４程度にしたとしても、物体の見た目の輪郭の鮮鋭さ（解像感）が劣ることがないことがわかる。

たとえば、セグメント領域の大きさが７画素×７画素の場合、７を４で除算した除算値１．７５に最も近い整数である２を、セグメント領域の間隔の上限の画素数として求めることができる。また、セグメント領域の大きさが１５画素×１５画素の場合、１５を４で除算した除算値３．７５に最も近い整数である４を、セグメント領域の上限の画素数として求めることができる。さらに、セグメント領域の大きさが２１画素×２１画素の場合、２１を４で除算した除算値５．２５に最も近い整数である５を、好適なセグメント領域の間隔の上限の画素数として求めることができる。これらの結果は、上記の解像感の評価で選択した測定画像に対応する画素数と略一致する。

なお、上記では、除算値に最も近い整数をセグメント領域の間隔を規定する画素数としたが、物体の輪郭抽出の要求精度に応じて、除算値の小数点以下を切り捨てた整数をセグメント領域の間隔を規定する画素数としてもよいし、除算値の小数点以下を切り上げた整数をセグメント領域の間隔を規定する画素数としてもよい。たとえば、セグメント領域の大きさが１５画素×１５画素の場合、小数点以下を切り捨てて、セグメント領域の間隔の上限を３画素としてもよい。

このように、セグメント領域の間隔の上限は、セグメント領域のサイズが大きくなるほど大きくなる。これは、セグメント領域が大きくなるほど、セグメント領域の間隔が１画素であるときの解像感が劣化するとともに、マッチングエラーが少なくなるためである。

たとえば、セグメント領域の大きさが７画素×７画素の場合には、もともとセグメント領域の間隔が１画素であるときの測定画像の解像感が高いため、これと比較される測定画像の解像感も高くなければならない。しかしながら、セグメント領域の大きさが７画素×７画素の場合には、セグメント領域の大きさが小さいため、マッチングエラーが生じやすい。このため、このマッチングエラーと、セグメント領域の間隔を広げることによる分解能の低下とが相俟って、セグメント領域の間隔を少し広げただけで、大きく解像感が劣化する。したがって、測定画像において、セグメント領域の間隔が１画素であるときとあまり遜色のない解像感を得るためには、セグメント領域の間隔を大きく広げることができない。

これに対し、セグメント領域の大きさが２１画素×２１画素の場合には、もともとセグメント領域の間隔が１画素であるときの測定画像の解像感が低いため、これと比較される測定画像の解像感は低くても良い。また、セグメント領域の大きさが２１画素×２１画素の場合には、セグメント領域の大きさが大きいため、マッチングエラーが生じにくい。このため、セグメント領域の間隔を広げても、解像感は劣化しにくい。したがって、セグメント領域の間隔を大きく広げても、測定画像において、セグメント領域の間隔が１画素であるときとあまり遜色のない解像感を得ることができる。

以上の検討から、セグメント領域の大きさが大きくなるに応じて、セグメント領域の間隔を大きく設定することができる。具体的には、セグメント領域の大きさに応じて、セグメント領域の間隔を、セグメント領域の一辺に含まれる画素の数の略１／４程度を上限として設定する。これにより、解像感をさほど損なうことなく、ＣＰＵ２１の処理負担を大幅に軽減することができる。最も望ましくは、セグメント領域の間隔を、セグメント領域の一辺に含まれる画素の数の略１／４程度に設定すると良い。

なお、１画素間隔の場合よりもＣＰＵ２１の処理負担を軽減するためには、セグメント領域の間隔を２画素以上で、且つ、上述の上限値以下に設定する必要がある。ここで、上
記のように上限値は、セグメント領域の一辺に含まれる画素の数の略１／４程度に設定される。このため、セグメント領域の大きさが５画素×５画素以上でなければ、セグメント領域の間隔を２画素以上に設定できない。

たとえば、セグメント領域の大きさが４画素×４画素であると、４を４で除算した除算値は１となり、セグメント領域の間隔を１より大きく設定できなくなる。これに対し、セグメント領域の大きさが５画素×５画素であれば、５を４で除算した除算値は１．２５となり、セグメント領域の間隔を１．２５に近い２（小数点以下を切り上げ）に設定することがあり得る。したがって、上記シミュレーション結果における検討を適用する場合には、セグメント領域の大きさが５画素×５画素以上である必要がある。

図１１は、本実施の形態におけるセグメント領域の間隔と、距離検出の分解能の関係を説明する図である。ここでは、セグメント領域の間隔が、セグメント領域の一辺に含まれる画素の数の略１／４程度に設定されている。

図１１（ａ）に示すように、セグメント領域の大きさが７画素×７画素の場合は、セグメント領域Ｓ０の右側に、セグメント領域Ｓ０を２画素だけＸ軸正方向にずらした領域に、セグメント領域Ｓｘが設定される。同様に、セグメント領域Ｓ０を２画素だけＹ軸正方向にずらした領域に、セグメント領域Ｓｙが設定される。

この場合、セグメント領域Ｓ０の中心Ｐ０と、セグメント領域Ｓｘの中心Ｐｘおよびセグメント領域Ｓｙの中心ｐｙの間隔は、セグメント領域のずれ幅に相当する２画素分の距離となる。

このように、セグメント領域が決定されると、対象物体に対する距離は、上下左右に２画素に対応する距離で検出されることになる。すなわち、図１１（ｂ）に示す如く、円で概念的に示される位置が、距離を検出できる一つの位置となり、これが距離検出の分解能となる。したがって、本実施の形態では、上記比較例の場合に比べ、分解能を１／２とすることができ、演算量は、１／４となる。たとえば、セグメント領域の間隔が２画素の場合の４個の円は、セグメント領域の間隔が１画素の場合の１６個の円に相当する。

また、図１１（ｃ）に示すように、セグメント領域の大きさが１５画素×１５画素の場合は、セグメント領域Ｓ’０の右側に、セグメント領域Ｓ’０を４画素だけＸ軸正方向にずらした領域に、セグメント領域ＳＰ’ｘが設定される。同様に、セグメント領域Ｓ’０を４画素だけＹ軸正方向にずらした領域に、セグメント領域Ｓ’ｙが設定される。

この場合、セグメント領域Ｓ’０の中心Ｐ’０と、セグメント領域Ｓ’ｘの中心Ｐ’ｘおよびセグメント領域Ｓ’ｙの中心ｐ’ｙの間隔は、セグメント領域のずれ幅に相当する４画素となる。

このように、セグメント領域が決定されると、対象物体に対する距離は、上下左右に４画素に対応する距離で検出されることになる。すなわち、図１１（ｃ）に示す如く、円で概念的に示される位置が、距離を検出できる一つの位置となり、これが距離検出の分解能となる。したがって、本実施の形態では、セグメント領域の間隔が１画素の場合に比べ、分解能を１／４とすることができ、演算量は、１／１６となる。たとえば、セグメント領域の間隔が４画素の場合の４個の円は、セグメント領域の間隔が１画素の場合の６４個の円に相当する。

以上のように、セグメント領域の大きさに応じて、セグメント領域の間隔を大きくすると、セグメント領域の間隔が１画素に設定された場合に比べて、演算量を１／（セグメン
ト領域の間隔の画素数の２乗）に抑えることができる。上述のように、マッチングのエラーを抑止するためには、セグメント領域の大きさは、１５画素×１５画素のように、ある程度の大きさが必要であるため、セグメント領域の間隔を大きくとることができ、演算量を大きく減少させることができる。また、シミュレーション結果のとおり、セグメント領域の間隔は、セグメント領域の一辺に含まれる画素の数の略１／４画素程度までは、セグメント領域の間隔が１画素の場合に対して解像感が損なわれることがないため、物体検出の精度を保ちつつ、演算量を減らすことができる。

図１２（ａ）は、本実施の形態におけるセグメント領域の設定までの処理の概要の流れを示す図である。図１２（ｂ）は、本実施の形態におけるセグメント領域の大きさと間隔の設定の処理の流れを示す図、図１２（ｃ）は、セグメント領域の大きさと間隔の値を保持するテーブルＴを示す図である。これらの処理は、情報取得装置１のセットアップ時に、設定者によって設定装置を用いて行われる。

図１２（ａ）を参照して、まず、セグメント領域の大きさおよびセグメント領域の間隔の設定が行われる（Ｓ１）。具体的には、図１２（ｂ）に示すように、まず、設定者がセグメント領域の縦・横の大きさを設定する（Ｓ１０１）。設定されたセグメント領域の縦・横の大きさはメモリ２６に記憶される。なお、ここでは、セグメント領域の縦・横の大きさは、それぞれ同じ値が用いられ、セグメント領域が正方形になるように設定される。

次に、設定装置は、設定されたセグメント領域の一辺に含まれる画素の数を４で除算する（Ｓ１０２）。そして、設定装置は、除算された値の小数点以下を四捨五入する（Ｓ１０３）。設定装置は、こうして得られた値を、図１２（ｃ）に示すテーブルＴのように、セグメント領域の間隔として、セグメント領域の大きさに関連付けてメモリ２６に設定する（Ｓ１０４）。そして、設定装置は、設定者によりセグメント領域の大きさ・間隔の設定を完了する指示が入力された否かを判断する（Ｓ１０５）。設定を完了する指示が入力されない場合（Ｓ１０５：ＮＯ）、設定装置は、処理をＳ１０１に戻し、他のセグメント領域の大きさおよび間隔の設定を受け付ける。設定処理を完了する指示が入力された場合（Ｓ１０５：ＹＥＳ）、設定装置は、セグメント領域の大きさ、およびセグメント領域の間隔の設定処理を終了する。こうして、Ｓ１０１で設定されたセグメント領域の大きさに対する測定画像の解像感が劣化しない程度の、適正な距離検出の分解能が決定される。

その後、図１２（ａ）に戻り、設定者は、目標領域に基準面が配置された状態で、設定装置を介してＣＰＵ２１にＤＰ光を照射させ、基準画像が取得させる（Ｓ２）。そして、取得した基準画像と、Ｓ１で設定したセグメント領域の大きさ、およびセグメント領域の間隔をもとに、ＣＰＵ２１にセグメント領域を設定させる（Ｓ３）。

図１３は、セグメント領域の設定処理の流れを示す図である。

図１３を参照して、まず、ＣＰＵ２１は、基準画像上に、参照パターン領域を設定し（Ｓ３０１）、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上における参照パターン領域の位置に関する情報と、参照パターン領域に含まれる全画素の画素値（参照パターン）がメモリ２６に記憶される（Ｓ３０２）。

次に、設定者は、設定装置を介して、セグメント領域の大きさを指定する。これを受けて、ＣＰＵ２１は、メモリ２６に記憶されたセグメント領域の縦横幅の大きさを特定する（Ｓ３０３）。そして、セグメント領域の大きさに応じたセグメント領域の間隔をＳ１０４で生成したテーブルより読み出し、変数ｎにセットする（Ｓ３０４）。なお、セグメント領域の大きさは、複数選択可能となっており、セグメント領域の大きさに応じて、セグメント領域の間隔がセットされる。たとえば、１５画素×１５画素のセグメント領域の大
きさが選択されると、セグメント領域の間隔として２画素が変数ｎにセットされる。

次に、ＣＰＵ２１は、変数ｉに１をセットし（Ｓ３０５）、参照パターン領域の左上の角を頂点とし、規定された縦横幅の四角形の領域を指定して、最初のセグメント領域Ｓｉ（Ｓｉ＝Ｓ１）を設定する（Ｓ３０６）。

そして、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上におけるセグメント領域Ｓｉの位置に関する情報がメモリ２６に記憶される（Ｓ３０７）。

次に、ＣＰＵ２１は、セグメント領域Ｓｉの位置が参照パターン領域の右端に到達したかどうかを判定する（Ｓ３０８）。セグメント領域Ｓｉの位置が参照パターン領域の右端に到達していないと（Ｓ３０８：ＮＯ）、ｉに１を加算し（Ｓ３０９）、セグメント領域Ｓｉの位置からＸ軸正方向にｎ画素ずらした領域を指定して、セグメント領域Ｓｉを設定する（Ｓ３１０）。その後、ＣＰＵ２１は、処理をＳ３０７に戻す。

参照パターン領域の左端から右端までｎ画素間隔でセグメント領域Ｓｉが設定され、セグメント領域Ｓｉの位置情報がメモリ２６に記憶されると（Ｓ３０８：ＹＥＳ）、セグメント領域Ｓｉの位置が参照パターン領域の下端に到達したかどうかを判定する（Ｓ３１１）。

セグメント領域Ｓｉの位置が参照パターン領域の下端に到達していないと（Ｓ３１１：ＮＯ）、ｉに１を加算し（Ｓ３１２）、セグメント領域Ｓｉの位置をＹ軸正方向にｎ画素ずらし、かつ、参照パターン領域の左端の領域を指定し、セグメント領域Ｓｉを設定する（Ｓ３１３）。その後、ＣＰＵ２１は、処理をＳ３０７に戻す。

参照パターン領域の上端の左端から下端の右端までセグメント領域Ｓｉが設定され、セグメント領域Ｓｉの位置情報がメモリ２６に記憶されると（Ｓ３１１：ＹＥＳ）、図１１（ａ）または図１１（ｂ）に示すように、セグメント領域の大きさに応じてセグメント領域がＸ軸方向およびＹ軸方向にｎ画素間隔で並ぶように設定され、処理が終了する。なお、各セグメント領域内の画素値のパターンは、セグメント領域毎に異なっている。

こうして、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上における参照パターン領域の位置に関する情報と、参照パターン領域に含まれる全画素の画素値（参照パターン）と、参照パターン領域に対して設定されるセグメント領域の位置に関する情報が参照テンプレートとして、メモリ２６に記憶される。なお、セグメント領域の情報として、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上の位置に関する情報のみがメモリ２６に記憶されたが、セグメント領域内の画素値が記憶されてもよい。

そして、図２のＣＰＵ２１は、投射光学系１００から検出対象物体までの距離を算出する際に、参照テンプレートから得られる各セグメント領域内のドットパターンのずれ量に基づいて、物体の各部までの距離を算出する。距離の算出方法は、上述のごとく、セグメント領域の変位量を用いて、三角測量法に基づき算出される。

以上、本実施の形態によれば、セグメント領域の大きさに応じて、セグメント領域の間隔が大きく設定されるため、距離検出にかかる演算量の増加を抑えることができる。

また、本実施によれば、セグメント領域の間隔が、セグメント領域の大きさの略１／４画素程度に設定されるため、物体の検出精度を保ちつつ、距離検出にかかる演算量の増加を抑えることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら制限されるものではなく、また、本発明の実施の形態も上記の他に種々の変更が可能である。

たとえば、上記実施の形態では、セグメント領域の大きさに応じたセグメント領域の間隔があらかじめテーブルＴに設定されたが、セグメント領域の間隔は、テーブルに保持されずに、セグメント領域の大きさを読み出した時に、直接演算されてよい。

図１４は、この場合のセグメント領域の設定処理の流れを示す図である。図中、上記実施の形態における図１３と同様の処理については、同一の符号が付されており、説明は省略する。

変更例の場合、図１２（ｂ）のＳ１０２〜Ｓ１０４にかかる処理が省略され、図１２（ｃ）に示すテーブルＴが省略される。

メモリ２６に記憶されたセグメント領域の縦横幅の大きさを設定すると（Ｓ３０３）、ＣＰＵ２１は、セグメント領域の一辺に含まれる画素の数を４で除算する（Ｓ３２１）。そして、除算された値の小数点以下を四捨五入する（Ｓ３２２）。こうして得られた値を、セグメント領域の間隔として、変数ｎにセットする（Ｓ３０４）。その後、上記実施の形態と同様、セグメント領域Ｓｉがｎ画素間隔で設定される（Ｓ３０５〜Ｓ３１２）。

本変更例においても、上記実施の形態と同様、物体の検出精度を保ちつつ、距離検出にかかる演算量の増加を抑えることができる。また、メモリ２６にテーブルＴを保持する必要がなく、メモリ２６の容量の削減を図ることができる。

また、上記実施の形態では、セグメント領域の間隔をセグメント領域の一辺に含まれる画素の数の略１／４程度に設定することで、物体の検出精度を保ちつつ、距離の演算量の低減を図ったが、求められる検出精度に応じて、セグメント領域の間隔をやや小さくしてもよいし、大きくしてもよい。

また、上記実施の形態では、セグメント領域の大きさを設定者によって選択可能としたが、あらかじめ、セグメント領域の大きさが決められていてもよい。

また、上記実施の形態では、セグメント領域の間隔がセグメント領域の一辺に含まれる画素の数の略１／４程度に設定されたが、セグメント領域の大きさに応じてセグメント領域の間隔が大きくなれば、その他の値が設定されてもよい。たとえば、セグメント領域の一辺に含まれる画素の数の略１／４程度を上限値として、２画素から上限値までの間の画素数に、セグメント領域の間隔が設定されても良い。この場合、あらかじめ、２画素から上限値までの間の画素数から、セグメント領域の間隔の最適値を個別に決定しておき、その値をテーブルに保持しておくことにより、セグメント領域の間隔を決定してもよい。

また、上記実施の形態では、セグメント領域は、縦・横の大きさが等しく、正方形になるように設定されたが、一辺が、他方の辺よりも大きくなるように、設定されてもよい。この場合、どちらか一辺に含まれる画素の数をもとに、セグメント領域の間隔が決定される。

また、上記実施の形態では、距離検出のエラー判定として、最も照合率の高いＲｓａｄと、その次に照合率が高いＲｓａｄとの差分が閾値を超えているかに基づいて、エラーが判定されたが、最も照合率の高いＲｓａｄが所定の閾値を超えているかに基づいて、エラーが判定されてもよい。

また、上記実施の形態では、セグメント領域と比較領域のマッチング率を算出する前に、セグメント領域と比較領域に含まれる画素の画素値を２値化したが、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０によって得られた画素値をそのまま用いて、マッチングしてもよい。また、上記実施の形態では、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０によって得られた画素値をそのまま２値化したが、画素値について、所定の画素の重みづけ処理、および背景光の除去処理、等の補正処理を行った後に、２値化、もしくは多値化してもよい。

また、上記実施の形態では、三角測量法を用いて距離情報が求められ、メモリ２６に記憶されたが、物体の輪郭抽出を主目的とするような場合は、三角測量法を用いた距離を演算せずに、セグメント領域の変位量（画素ずれ量）が距離情報として取得されてもよい。

また、上記実施の形態では、投射光学系１００に、ＦＭＤ１５０が用いられたが、ＦＭＤ１５０は省略されてもよい。

また、上記実施の形態では、目標領域に照射されるレーザ光の波長帯以外の波長帯の光を除去するためにフィルタ２３０を配したが、たとえば、目標領域に照射されるレーザ光以外の光の信号成分を、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０から出力される信号から除去する回路構成が配されるような場合には、フィルタ２３０を省略することができる。また、アパーチャ２１０の配置位置は、何れか２つの撮像レンズの間であってもよい。

また、上記実施の形態では、受光素子として、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０を用いたが、これに替えて、ＣＣＤイメージセンサを用いることもできる。さらに、投射光学系１００および受光光学系２００の構成も、適宜変更可能である。また、情報取得装置１と情報処理装置２は一体化されてもよいし、情報取得装置１と情報処理装置２がテレビやゲーム機、パーソナルコンピュータと一体化されてもよい。

本発明の実施の形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。

１ … 情報取得装置
２１ … ＣＰＵ（距離取得部）
２１ｂ … 距離取得部
２４ … 撮像信号処理回路（距離取得部）
２６ … メモリ（記憶部）
１００ … 投射光学系
１１０ … レーザ光源
１２０ … コリメータレンズ
１４０ … ＤＯＥ（回折光学素子）
２００ … 受光光学系

Claims (7)

1. 光を用いて目標領域の情報を取得する情報取得装置において、
   目標領域に所定のドットパターンでレーザ光を投射する投射光学系と、
   前記投射光学系に対して所定の距離だけ横方向に離れて並ぶように配置され、前記目標領域をイメージセンサにより撮像する受光光学系と、
   基準面に前記レーザ光を照射したときに前記受光光学系により撮像された基準ドットパターンを保持する記憶部と、
   前記基準ドットパターンにセグメント領域を設定し、距離測定時に目標領域を撮像して取得された実測ドットパターンと前記セグメント領域内のドットとを照合することにより、前記セグメント領域に対応する前記目標領域内の位置について距離を取得する距離取得部と、を備え、
   前記距離取得部は、前記イメージセンサ上において縦が５画素以上、横が５画素以上の四角形状となるよう前記セグメント領域の大きさを設定し、隣り合う前記セグメント領域の間隔を、２画素分の距離以上で、且つ、前記セグメント領域の大きさに応じた上限値以下の距離に設定する、
   ことを特徴とする情報取得装置。
2. 請求項１に記載の情報取得装置において、
   前記上限値は、前記セグメント領域の一辺に含まれる画素の数を４で除算した値に近い画素数に設定される、
   ことを特徴とする情報取得装置。
3. 請求項２に記載の情報取得装置において、
   前記上限値は、前記セグメント領域の一辺に含まれる画素の数を４で除算した値に最も近い画素数に設定される、
   ことを特徴とする情報取得装置。
4. 請求項２に記載の情報取得装置において、
   前記上限値は、前記セグメント領域の一辺に含まれる画素の数を４で除算した値の小数点以下を、四捨五入、切り上げまたは切り捨てした値に設定される、
   ことを特徴とする情報取得装置。
5. 請求項１ないし４の何れか一項に記載の情報取得装置において、
   前記距離取得部は、隣り合う前記セグメント領域の間隔を、前記上限値に設定する、
   ことを特徴とする情報取得装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか一項に記載の情報取得装置において、
   前記投射光学系は、レーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザ光が入射するコリメータレンズと、前記コリメータレンズを透過した前記レーザ光を回折によりドットパターンの光に変換する回折光学素子と、を備える、
   ことを特徴とする情報取得装置。
7. 請求項１ないし６の何れか一項に記載の情報取得装置を有する物体検出装置。