JP2016180724A - Distance measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光飛行時間測距法を用いた距離計測技術に関する。 The present invention relates to a distance measurement technique using an optical time-of-flight ranging method.
所定位置における対象体との距離を測定する技術の1つとして光飛行時間測距法が知られている(例えば、特開2011−122913号公報参照)。この光飛行時間測距法では、所定位置から変調光を対象体に照射してその反射光を検出し、変調光と反射光の位相差を求めることによって対象体との相対的な距離が計測される。 An optical time-of-flight ranging method is known as one of the techniques for measuring the distance from a target object at a predetermined position (see, for example, JP 2011-122913 A). In this optical time-of-flight ranging method, the target object is irradiated with modulated light from a predetermined position, the reflected light is detected, and the relative distance from the target object is measured by obtaining the phase difference between the modulated light and the reflected light. Is done.
ところで、光飛行時間測距法を用いた距離計測においては、対象体との距離が比較的遠いときに距離の誤検出を生じる場合がある。このような誤検出は、対象体との距離が遠いことにより反射光の遅延が大きくなり、変調光と反射光の位相差が変調光の1周期を超えた場合に生じ得る。例えば、変調光と反射光の位相差が1.2周期であったとしても、検出側では位相差が0.2周期の場合と1.2周期の場合を判別することが困難であり、両者を同じ位相差であると判定してしまうからである。 By the way, in the distance measurement using the optical time-of-flight ranging method, there is a case where a false detection of the distance occurs when the distance from the object is relatively long. Such erroneous detection can occur when the delay of the reflected light increases due to the distance from the target object and the phase difference between the modulated light and the reflected light exceeds one period of the modulated light. For example, even if the phase difference between the modulated light and the reflected light is 1.2 cycles, it is difficult on the detection side to distinguish between the case where the phase difference is 0.2 cycles and the case where the phase difference is 1.2 cycles. Is determined to have the same phase difference.
本発明に係る具体的態様は、光飛行時間測距法を用いる場合における距離の検出精度を向上させる技術を提供することを目的の1つとする。 A specific aspect according to the present invention is to provide a technique for improving the accuracy of distance detection when the optical time-of-flight ranging method is used.
本発明に係る一態様の距離計測装置は、(a)対象体へ変調光を照射する光源と、(b)前記変調光による前記対象体からの反射光を検出するセンサと、(c)前記変調光と前記センサによって検出される前記反射光との位相差に基づいて前記対象体と所定位置との間の距離を検出する距離検出部と、(d)前記センサによって検出される前記反射光に基づいて前記対象体の相対的な大きさを検出する対象体検出部と、(e)前記対象体の相対的な大きさが所定の基準値よりも小さいときに、前記距離検出部によって検出された前記距離を補正する距離補正部とを含む、距離計測装置である。 A distance measuring device according to one aspect of the present invention includes (a) a light source that irradiates a target with modulated light, (b) a sensor that detects reflected light from the target by the modulated light, and (c) the above A distance detector for detecting a distance between the object and a predetermined position based on a phase difference between the modulated light and the reflected light detected by the sensor; and (d) the reflected light detected by the sensor. And (e) a detection by the distance detection unit when the relative size of the target object is smaller than a predetermined reference value. A distance measuring device including a distance correcting unit that corrects the measured distance.
上記構成によれば、光飛行時間測距法を用いる場合における位相差の繰り返し問題を解消して、対象体との相対的な距離の検出精度を向上させることが可能となる。 According to the above configuration, it is possible to eliminate the phase difference repetition problem in the case of using the optical time-of-flight ranging method, and to improve the detection accuracy of the relative distance to the object.
上記の距離計測装置において、前記距離補正部は、前記反射光の光強度が所定の閾値より小さく、かつ前記対象体の相対的な大きさが所定の基準値よりも小さいときに、前記距離を補正する、ことも好ましい。 In the distance measurement device, the distance correction unit may calculate the distance when the light intensity of the reflected light is smaller than a predetermined threshold and the relative size of the object is smaller than a predetermined reference value. It is also preferable to correct.
上記の距離計測装置において、前記距離補正部は、光速の値と前記変調光の変調周波数に基づいて得られる補正値を前記距離に加えることによって前記距離を補正する、ことも好ましい。 In the distance measuring apparatus, it is also preferable that the distance correcting unit corrects the distance by adding a correction value obtained based on a value of light speed and a modulation frequency of the modulated light to the distance.
上記の距離計測装置において、前記センサは、複数の画素を含んだ画像として前記反射光を検出しており、前記対象体検出部は、前記画像における前記対象体に相当する領域の画素数に基づいて当該対象体の相対的な大きさを検出する、ことも好ましい。 In the distance measuring apparatus, the sensor detects the reflected light as an image including a plurality of pixels, and the object detection unit is based on the number of pixels in a region corresponding to the object in the image. It is also preferable to detect the relative size of the object.
本発明に係る一態様の電子機器は、上記した距離計測装置を備える電子機器である。ここでいう「電子機器」とは、対象体の相対的な距離の検出結果に基づいて何らかの制御が実行されるものであり、例えば、ある場所を通過する対象体(人間等)の数を計測する人流カウンタや、ある場所への対象体(人間等)の進入や接近などを検知するセキュリティシステムなどが挙げられる。 An electronic device according to an aspect of the present invention is an electronic device including the above-described distance measuring device. Here, “electronic device” means that some kind of control is executed based on the detection result of the relative distance of the target object. For example, the number of target objects (humans, etc.) passing through a certain place is measured. And a security system that detects an approach or approach of an object (such as a person) to a certain place.
上記構成によれば、対象体との相対的な距離を用いて制御を行う電子機器における距離の検出精度を向上させることが可能となる。 According to the above configuration, it is possible to improve the distance detection accuracy in the electronic device that performs control using the relative distance to the object.
以下に、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。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、一実施形態の距離計測装置の構成を示すブロック図である。図示の距離計測装置1は、例えば種々の電子機器(例えば、人流カウンタ、セキュリティシステム等)に組み込まれて、対象体としての人間2を検出してその相対的な距離(位置)を検出するために用いられるものであり、光源10、受光部(センサ)11および制御部14を含んで構成されている。
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a distance measuring device according to an embodiment. The illustrated distance measuring apparatus 1 is incorporated in various electronic devices (for example, a human flow counter, a security system, etc.), for example, to detect a
光源10は、対象体としての人間2に対して変調光を照射する。この光源10から放出される変調光は、例えば正弦波や矩形波等で高速に変調された光(赤外光、可視光等)である。光源10としては、例えばLED等の高速変調が可能な発光素子を用いることができる。
The
受光部11は、光源10によって人間2に照射された変調光による反射光を検出するものであり、光電変換部12と、電荷蓄積部13を有する。光電変換部12は、複数の光電変換素子を有しており、各光電変換素子に入射する光の光量を電荷量に変換する。各光電変換素子は、例えば、二方向に沿ったマトリクス状に配列されている。電荷蓄積部13は、光電変換部12の各光電変換素子により得られた電荷を蓄積する。
The light receiving unit 11 detects reflected light by the modulated light irradiated to the
制御部14は、光源10と受光部11の動作を制御するとともに、所定位置(例えば、距離計測装置1の設置位置)と人間2との間の相対的な距離を計測するための情報処理を行うものであり、機能ブロックとしての距離検出部15、対象体検出部16、距離補正部17、距離画像生成部18を有する。この制御部14は、例えばCPU、ROM、RAM等を備えたコンピュータシステムにおいて所定の動作プログラムを実行することによって実現される。
The
距離検出部15は、光源10から放出される変調光と、受光部11によって検出される反射光との位相差に基づいて、人間2と所定位置(例えば、距離計測装置1の設置位置)との間の距離を検出する。位相差に基づく距離の算出には光飛行時間測距法が用いられる。
The
対象体検出部16は、受光部11によって得られる複数の光電変換素子のそれぞれにおける反射光強度の配列、すなわち画像に基づいて所定の画像処理(パターンマッチング処理)を行うことによって、対象体である人間2の相対的な大きさを検出する。本実施形態では、人間2の相対的な大きさは、画像内における人間2に相当する領域の画素数に基づいて検出される。
The target
距離補正部17は、対象体検出部16によって検出される人間2の相対的な大きさが所定の基準値よりも小さいときに、距離検出部15によって検出された距離を補正する。本実施形態では、距離補正部17は、受光部11によって検出される反射光の光強度が所定の閾値より小さいか否をさらに判定しており、反射光の光強度が閾値より小さく、かつ人間2の相対的な大きさが所定の基準値よりも小さいときに距離の補正を行う。
The
距離画像生成部18は、受光部11の各電荷蓄積部13に蓄積される電荷の量に所定の演算を施すことによって各画素ごとの距離値を算出して、それらの距離値を表す画像である距離画像を生成する。ここでいう距離画像とは、例えば、各距離値の大小に応じて異なる色が割り当てられた画像である。この距離画像が図示しない表示装置に出力されることにより、ユーザが視覚的に認識できる距離画像の表示が行われる。なお、距離値の算出方法については、例えば上記した特開2011−122913号公報に開示される方法を用いることができ、ここでは詳細な説明を省略する。
The distance
図2は、距離計測の原理について説明するための図である。図2では、受光部11と対象体Pの位置関係が平面図で示されている。光源10からの照射光による対象体Pからの反射光の光強度は、対象体Pとの間の距離に応じて変化するものであり、具体的には、距離が2倍になると反射光の光強度は1/4(1/22)になる。図示のように、対象体Pが受光部11に対して相対的に近い位置にある場合の距離をL1、遠い位置にある場合の距離をL2とする。この場合、例えばL1=1メートルのときの反射光の光強度に比べ、L2=16メートルの時の反射光の光強度は1/65536倍と非常に小さくなる。ここで、反射光の光強度については、例えば、変調光の1周期を4等分した各期間に蓄積される電荷量をC1、C2、C3、C4とすれば以下の式で求めることができる。
したがって、受光部11によって検出される反射光の光強度を予め設定した閾値と比較することで、対象体Pの遠近を判定することができる。ただし、対象体Pの光反射率が著しく低い場合には、対象体Pの距離が比較的小さい場合であっても反射光の光強度が低下するため、対象体Pが遠方にいると誤判定する可能性がある。 Therefore, the distance of the target P can be determined by comparing the light intensity of the reflected light detected by the light receiving unit 11 with a preset threshold value. However, when the light reflectivity of the target object P is extremely low, the light intensity of the reflected light is reduced even when the distance of the target object P is relatively small. Therefore, it is erroneously determined that the target object P is far away. there's a possibility that.
また、例えば変調周波数が15MHzであるとすると、10メートル毎に位相差が見かけ上同じになる問題(繰り返し問題)が発生する。例えば、図2においてL1=1メートル、L2=11メートルのときには、変調光と反射光の位相差として検出される値が等しくなり、両者を識別することが困難となる。このため、本実施形態では、次に説明するように、対象体Pの相対的な大きさを画像処理によって検出してその結果を用いる。 For example, if the modulation frequency is 15 MHz, a problem (repetition problem) that the phase difference appears to be the same every 10 meters occurs. For example, in FIG. 2, when L1 = 1 meter and L2 = 11 meters, the values detected as the phase difference between the modulated light and the reflected light are equal, making it difficult to identify the two. For this reason, in this embodiment, as will be described below, the relative size of the object P is detected by image processing and the result is used.
図2において、受光部11の画角θ(例えば90°)の範囲に含まれる水平方向の画素数が例えば200画素であるとする。また、対象体Pとして人間を検出するものとする。図3(A)は、相対的に遠い位置にいる人間の検出結果を概念的に示した図であり、図3(B)は、相対的に近い位置にいる人間の検出結果を概念的に示した図である。例えば、L2=11メートルの位置に存在する対象体Pの幅X1が5画素分であったとすると、L1=1メートルの位置に存在する対象体Pの幅X2は55画素分となる。あるいは、仮にL2=11メートルの位置に存在する対象体Pの幅X1が10画素分であったとすると、L1=1メートルの位置に存在する対象体Pの幅X2は110画素分となる。対象体Pの垂直方向の高さY1、Y2についても同様である。なお、現在の画像処理技術を考慮すると、パターンマッチング処理によって対象体Pとしての人間を検出するには、少なくとも幅方向で5画素、高さ方向で10画素が必要と考えられる。 In FIG. 2, it is assumed that the number of pixels in the horizontal direction included in the range of the angle of view θ (for example, 90 °) of the light receiving unit 11 is, for example, 200 pixels. Further, it is assumed that a human is detected as the object P. FIG. 3A is a diagram conceptually showing a detection result of a human being at a relatively far position, and FIG. 3B conceptually shows a detection result of a human being at a relatively close position. FIG. For example, if the width X1 of the object P existing at the position of L2 = 11 meters is 5 pixels, the width X2 of the object P existing at the position of L1 = 1 meter is 55 pixels. Alternatively, if the width X1 of the object P existing at the position of L2 = 11 meters is 10 pixels, the width X2 of the object P existing at the position of L1 = 1 meter is 110 pixels. The same applies to the vertical heights Y1 and Y2 of the object P. In consideration of the current image processing technology, it is considered that at least 5 pixels in the width direction and 10 pixels in the height direction are necessary to detect a person as the object P by pattern matching processing.
上記のように対象体Pとしての人間が検出される場合に、その相対的な大きさは、対象体Pに相当する領域の画素数に基づいて検出することができる。具体的には、図3(A)、図3(B)に示した幅X1、X2や高さY1、Y2のいずれか一方の画素数で対象体Pの相対的大きさを検出してもよいし、これらの幅、高さによって画定される領域内に含まれる画素数をもとにして対象体Pの相対的大きさを検出してもよい。 When a human being as the target object P is detected as described above, the relative size thereof can be detected based on the number of pixels in the region corresponding to the target object P. Specifically, even if the relative size of the object P is detected by the number of pixels of any one of the widths X1 and X2 and the heights Y1 and Y2 shown in FIGS. 3 (A) and 3 (B). Alternatively, the relative size of the object P may be detected based on the number of pixels included in the region defined by the width and height.
次に、距離計測装置1の動作について詳細に説明する。図4は、距離計測装置1の動作について示すフローチャートである。 Next, the operation of the distance measuring device 1 will be described in detail. FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the distance measuring apparatus 1.
距離検出部15は、光源10からの変調光とそれによる反射光とに基づいて人間2の相対的距離を検出する(ステップS11)。
The
また、距離補正部17は、受光部11によって検出された反射光の光強度を取得し(ステップS12)、この光強度が所定の閾値を超えたか否かを判定する(ステップS13)。
Further, the
光強度が閾値を超えている場合には(ステップS13;YES)、距離補正部17による距離の補正は行われず、距離検出部15において検出された距離が外部装置等へ出力される(ステップS14)。これは、人間2の位置が比較的近距離であり、かつ衣服の反射率も高いため、位相差の繰り返し問題が発生することなく、必要十分な精度で距離を検出できるためである。
If the light intensity exceeds the threshold value (step S13; YES), the
他方、光強度が閾値以下である場合には(ステップS13;NO)、距離補正部17は、対象体検出部16によって検出された人間2の画像サイズ(画素数)が所定の規定値を超えているか否かを判定する(ステップS14)。
On the other hand, when the light intensity is equal to or less than the threshold value (step S13; NO), the
ここで、規定値については、位相差の繰り返し問題が生じる距離に対応する画素サイズに基づいて設定すればよい。上記した例の変調周波数が15MHzの場合であれば、距離L1と距離L2の差が10[m]のときに位相差が等しくなるので、例えば、L2=11[m]のときの人間2の画素サイズ(例えば幅5画素分)を超えているときは、位相差の繰り返し問題が発生しない程度の近距離に人間2がいると考えられ、距離の補正は必要ないと判断できる。他方で、上記した画素サイズ以下の場合には、位相差が等しくなる条件であると考えられるので、距離の補正が必要と判断できる。なお、距離L1と距離L2の差が20[m]、30[m]・・・の場合には、もはやパターンマッチング処理によっては人間2を検出困難であるので、本実施形態ではそのような状況は考慮していない。
Here, the specified value may be set based on the pixel size corresponding to the distance at which the phase difference repetition problem occurs. If the modulation frequency in the above example is 15 MHz, the phase difference becomes equal when the difference between the distance L1 and the distance L2 is 10 [m]. For example, the human 2 when L2 = 11 [m] When the pixel size is exceeded (for example, the width of 5 pixels), it is considered that the
人間2の画素サイズが規定値を超えている場合には(ステップS15;YES)、距離補正部17による距離の補正は行われず、距離検出部15において検出された距離が外部装置等へ出力される(ステップS14)。これは、画素サイズが比較的大きいことから人間2の位置が近距離であり、反射光の光強度が低いのは単に衣服の反射率が低いことによると考えられ、位相差の繰り返し問題が発生する状況ではないと判断できるからである。
When the pixel size of the human 2 exceeds the specified value (step S15; YES), the
人間2の画素サイズが規定値以下の場合には(ステップS15;NO)、距離補正部17は、距離検出部15において検出された距離を補正して外部装置等へ出力する(ステップS16)。例えば、距離検出部15において検出された距離に対して、光速/(変調周波数×2)の値を加えることにより距離の補正が行われる。ここでいう「光速」とは真空中における光の速度であり、具体的には299792458[m/s]である。変調周波数が15MHzであれば、距離検出部15において検出された距離に対して、補正値として約9.99[m]が加算される。
When the pixel size of the human 2 is equal to or smaller than the specified value (step S15; NO), the
以上のような実施形態によれば、光飛行時間測距法を用いる場合における位相差の繰り返し問題を解消して、対象体との相対的な距離の検出精度を向上させることが可能となる。 According to the embodiment as described above, it is possible to solve the phase difference repetition problem in the case of using the optical time-of-flight ranging method, and to improve the detection accuracy of the relative distance to the object.
なお、本発明は上述した実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。例えば、上記した実施形態において示した数値条件等は一例であり、それらに限定されるものではない。また、距離の検出対象となる対象体は人間にのみ限定されない。 In addition, this invention is not limited to the content of embodiment mentioned above, In the range of the summary of this invention, it can change and implement variously. For example, the numerical conditions and the like shown in the above-described embodiments are examples, and are not limited to them. Moreover, the target object for which the distance is to be detected is not limited to a human being.
1:距離計測装置
10:光源
11:受光部(センサ)
12:光電変換部
13:電荷蓄積部
14:制御部
15:距離検出部
16:対象体検出部
17:距離補正部
18:距離画像生成部
1: Distance measuring device 10: Light source 11: Light receiving unit (sensor)
12: Photoelectric conversion unit 13: Charge storage unit 14: Control unit 15: Distance detection unit 16: Object detection unit 17: Distance correction unit 18: Distance image generation unit
Claims (5)
前記変調光による前記対象体からの反射光を検出するセンサと、
前記変調光と前記センサによって検出される前記反射光との位相差に基づいて前記対象体と所定位置との間の距離を検出する距離検出部と、
前記センサによって検出される前記反射光に基づいて前記対象体の相対的な大きさを検出する対象体検出部と、
前記対象体の相対的な大きさが所定の基準値よりも小さいときに、前記距離検出部によって検出された前記距離を補正する距離補正部と、
を含む、距離計測装置。 A light source for irradiating the subject with modulated light;
A sensor for detecting reflected light from the object by the modulated light;
A distance detector that detects a distance between the object and a predetermined position based on a phase difference between the modulated light and the reflected light detected by the sensor;
An object detection unit that detects a relative size of the object based on the reflected light detected by the sensor;
A distance correction unit that corrects the distance detected by the distance detection unit when the relative size of the object is smaller than a predetermined reference value;
Including a distance measuring device.
請求項1に記載の距離計測装置。 The distance correction unit corrects the distance when the light intensity of the reflected light is smaller than a predetermined threshold and the relative size of the object is smaller than a predetermined reference value.
The distance measuring device according to claim 1.
請求項1又は2に記載の距離計測装置。 The distance correction unit corrects the distance by adding a correction value obtained based on a value of light speed and a modulation frequency of the modulated light to the distance.
The distance measuring device according to claim 1 or 2.
前記対象体検出部は、前記画像における前記対象体に相当する領域の画素数に基づいて当該対象体の相対的な大きさを検出する、
請求項1〜3の何れか1項に記載の距離計測装置。 The sensor detects the reflected light as an image including a plurality of pixels,
The target object detection unit detects a relative size of the target object based on the number of pixels in a region corresponding to the target object in the image.
The distance measuring device according to claim 1.
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