JP2020003236A - 測距装置、移動体、測距方法、測距システム - Google Patents
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Abstract
Description
ステレオカメラによる測距とレーザレーダによる測距のフュージョンについて補足する。LiDARがレーザを照射することから以下ではLiDARをレーザレーダと称して説明する。本実施形態では特に断らない限り両者を区別しない。レーザレーダが照射する光はレーザでなくLEDなどを光源としてもよい。
・測距精度:遠方ほど距離分解能が粗くなるため、遠方測距や遠方物体検出が難しい。
・耐物標性:繰返しパタンや低テクスチャでの誤マッチングが発生し分散の大きい距離値が多く発生する。
・耐環境性:夜間になるとテクスチャがほぼなくなるため距離算出が困難である。
・小型化:小型化するには基線長を短くしなければならない(演算性能が高いCPU等を採用しにくくなる)。すると、高精度化を目指して重い処理を入れていくと処理時間が長くなる。処理時間を短縮しようとすると小型で演算性能が高いCPU等を採用する必要があるためコストも高くなるなどの課題が挙げられる。
・遠方になるほど空間分解能が粗くなる。
・閾値を設定して距離値を出力する方式のため、その閾値を下回った反射信号はたとえピークがあったとしても無視される。特に、遠方に反射信号のピークがあった場合、せっかく信号は取れているにも関わらず使われない。
・数多くの発光素子や受光素子を搭載することは困難であるし、大きな発光素子や受光素子は搭載できない。このため、反射信号は微弱であり、反射信号のノイズレベルと物体に対応する反射信号のピークの大きさが比較的近くなってくる(信号のS/Nが低い)と、閾値設定方式では正しい距離を得にくくなる。
・発光素子の多層化や、細かい分解能を持たせる構成にすると、製造コストが増大し、1面の走査を高速にすることが困難になるなどのデメリットもある。
図1は、ステレオカメラ、レーザレーダ、及び、原理フュージョンそれぞれの空間分解能と距離分解能を対比して示す図である。図1に示すように、ステレオカメラの空間分解能は高く、レーザレーダの遠方の空間分解能は低いが、原理フュージョンにより遠方でも高い空間分解能が得られる。また、ステレオカメラの距離分解能は遠方で低く、レーザレーダの距離分解能は距離に関係なく高いが、原理フュージョンにより遠方でも高い距離分解能を達成できる。原理フュージョンでは、ステレオカメラとレーザレーダの測定原理を超えた性能が得られる。
図3は、粗い光線分解能の照射範囲における3つの物体A〜Cを示す。例えば、距離の関係が、A<B<Cである複数の物体A、B、Cがあるとする。粗い光線分解能のレーザ光は物体A〜Cを含む照射範囲101のほぼ全体をカバーして照射できる。すなわち、照射範囲101は、1回(1光線)のレーザ光で照射できる範囲である。
図5を用いて、測距装置100の適用例について説明する。図5は、移動体の一例である自動車200に搭載された測距装置100を示す図である。図5では、自動車200のフロントウィンドウの内側中央位置に、測距装置100が設定されている。測距装置100は、レーザレーダ測距部110とステレオカメラ部120とを有する。レーザレーダ測距部110とステレオカメラ部120はいずれも前方が測距範囲となるように設置されている。レーザレーダ測距部110は、ステレオカメラ部120が有するステレオカメラ(2つの撮像部)の間(好ましくは中央)に配置されるものとする。
図6は、レーザレーダ測距部110によるレーザ光の照射範囲について説明する図の一例である。図6(a)は、自動車200を上方から見た上面図であり、図6(b)は、自動車200を側方から見た側面図である。
例えば車載されるような測距装置100は可能な限り小さいサイズであることが好ましい。ステレオカメラは車両の前方を撮像する必要があるので、前方の視界を遮らないために設置位置が限られるためである。一般乗用車では車室内に設置されることも多く、限られたスペースに乗員の邪魔にならないように設置される。例えば、ルームミラーよりも前方でウィンドウガラス内に設置されることを考えると、ルームミラーを見たり操作したりする運転者が意識しないようなサイズであことが好ましい。
レーザレーダ測距部110の幅 < 測距装置100の幅 ≦ 30〔cm〕
レーザレーダ測距部110の幅は、設計、製造技術、及び要求する精度などによって変わると言えるが、例えば、4、5〔cm〕以上は必要であると考えられる。したがって、測距装置100の幅は、以下のようになる。
一方、ステレオカメラの基線長があまり短いと遠方の距離分解能が粗くなることが知られている(距離分解能は画素ピッチ、焦点距離にも影響されるため一概に決まらない)。例えば、好ましい性能が得られるステレオカメラの基線長を8cmとすると、測距装置100の幅もこれ以上となる。したがって、測距装置100の幅は、以下のようになる。
このように、本実施形態の測距装置100は従来よりも大幅に小型化されたサイズで実現することができる。
続いて、図8に基づき測距装置100の全体的な構成例について説明する。図8は、測距装置100の全体的な構成図の一例を示す図である。測距装置100は、レーザレーダ測距部110とステレオカメラ部120とが相互に必要な情報を送受信できるように構成される。ステレオカメラ部120は上記のように右カメラ11と左カメラ12に加え、基準画像と比較画像を処理して距離画像を出力するステレオカメラ部120を有している。
レーザ信号処理部240が行うTOF方式の測距方法では、式(1)のような形で信号が受信される。
L: 物体までの検出距離
RTgt: 物体の反射率
PO: 発光部の発光量
A: オプト系やメカ系で決まる定数
レーザ光を照射した時から、レーザ光が物体で反射して受光される時点までの時間によって、距離が計測できる。式1をみると分かるように、レーザレーダ測距部110が受信する信号Prの強さは、距離の2乗で影響される。たとえば、ターゲットの反射率Rtgtや、Ssndなどが同じ物体であるとし、距離Lが2倍になったとき(たとえば10〔m〕の場合と20〔m〕の場合)では、信号レベルは1/4になってしまう。
本実施形態の測距装置100は、粗い光線分解能のレーザ光を照射することが特徴の1つとなっている。以下、図11、図12を用いて粗い光線分解能のレーザ光の照射について説明する。
図14は、測距装置100のうち主にステレオ画像演算部250の機能をブロック状に示す図の一例である。図14に示すように、ステレオ画像演算部250は、ステレオカメラを形成する右カメラ11及び左カメラ12の基準画像と比較画像が入力される歪み補正部13、及び、原理フュージョンを行う距離演算部14を有する。なお、本実施形態では、右カメラ11により撮像される撮像画像を基準画像として用い、左カメラ12により撮像される撮像画像を比較画像として用いる。
(i) 画素範囲に距離算出部28が算出した距離情報と同程度の距離があるか否かを判断する。画素範囲に距離算出部28が算出した距離情報と同程度の距離がある場合には該当する画素を決定する。
(ii) ブロックマッチングで得た画素の距離と同程度の距離情報のピークが反射信号にあるか否かを判断する。
以下では、距離演算部14が有するステレオマッチング部23、SGM部24、距離補間部25、反射信号コスト変換部26、距離算出部28、フュージョン部29、及び、画素範囲決定部31について各機能を詳細に説明する。
図15(a)は基準画像における基準画素を示す概念図、図15(b)は図15(a)の基準画素に対して比較画像における対応画素の候補を順次シフトしながら(ずらしながら)シフト量(ずれ量)を算出する際の概念図である。図16は、シフト量毎のコストを示すグラフである。ここで、対応画素は、基準画像内の基準画素に最も類似する比較画像内の画素である。
続いて、図17、図18を用いて、SGM法を用いた測距方法について説明する。SGM法は、テクスチャが弱い物体に対しても適切に上記視差値を導き出す方法であり、基準画像に基づいて、高密度視差画像を導き出す方法である。SGM法はテクスチャが弱い道路等の詳細な情報を表すことができるため、より詳細な測距を行うことができる。
1)+P1,Lr(p−r,d+1)+P1,Lrmin(p−r)+p2}…(2)
式(2)において、rは、集約方向の方向ベクトルを示し、x方向及びy方向の2成分を有する。min{}は、最小値を求める関数である。Lrmin(p−r)は、pをr方向に1画素シフトした座標において、シフト量dを変化させた際のLr(p−r,d)の最小値を示す。なお、Lrは、式(2)に示されているように再帰的に適用される。また、P1及びP2は、予め実験により定められた固定パラメータであり、経路上で隣接する基準画素の視差値Δが連続になりやすいようなパラメータになっている。例えば、P1=48、P2=96である。
このようにして算出された合成コストLs(p,d)は、図18に示されているように、シフト量d毎に合成コストLs(p,d)が示される合成コスト曲線のグラフによって表すことができる。図18では、合成コストLsは、シフト量d=3の場合が最小値となるため、視差値Δ=3として算出される。
距離補間部25は合成コストLs(p,d)をレーザレーダ測距部110が検出する反射信号とフュージョンさせるため、視差空間をZ空間(距離空間)に変換する。
図20は、LiDARコストCLI(p,Z)の算出方法を説明する図の一例である。図20(a)はレーザ光310のパルスが照射したタイミングを模式的に示し、図20(b)は時系列にサンプリングされた反射信号311を示し、図20(c)はLiDARコストCLI(p,Z)の一例を示す。レーザレーダ測距部110はレーザ光310を照射すると、反射信号311の定期的なサンプリングを開始する。
図12では1つのレーザ光の照射範囲を示したが、各照射範囲が各画素範囲に対応する。レーザ光の照射範囲が固定(つまり、基準画像が切り替わってもほぼ同じ方向に各レーザ光が照射される)であるとすると照射方向が分かれば画素範囲を特定できる。1つの基準画像におけるレーザ光の照射方向は、基準画像が切り替わってもほぼ同じと見なせるので予め照射方向と画素範囲とを対応づけておくことができる。
図21は、距離算出部28が算出する距離情報を説明する図の一例である。距離算出部28は、反射信号から値が閾値Tth以上の時間Tを特定し。この時間Tから距離を算出する。図21に示すように例えば、閾値Tth以上の反射信号が3つの距離で検出された場合、レーザ光を照射してからピークが観測されるまでの時間T(図20参照)と光の速度から3つの距離La〜Lcを算出する。
物体までの距離=光の速度×T/2
したがって、距離算出部28は時間Tを距離情報に変換できる。
フュージョン部29は、主に2つの方法でレーザレーダ測距部110による情報とステレオカメラによる情報をフュージョンする(原理フュージョン)ことができる。1つはコストレベルでフュージョンする方法で、もう1つはブロックマッチングで得られた画素ごとの距離をレーザレーダ測距部110が検出した距離情報で置き換える方法である。いずれも原理フュージョンの一例である。
まず、コストレベルのフュージョンを説明する。フュージョン部29は、合成コストLs(p,Z)とLiDARコストCLI(p,Z)をフュージョンして、コストC(p,Z)を算出する。なお、フュージョン部29はSGMが行われる前のステレオマッチングコストCST(p,Z)とLiDARコストCLI(p,Z)をフュージョンすることもできる。
C(p,Z)=A×CLI(p,Z)+B×Ls(p,Z) …(4)
A:LiDARコストの係数(重み)
B:合成コストLsの係数(重み)
係数Aと係数BはLiDARコストと合成コストLs(p,Z)のどちらをフュージョンにおいて強く影響させるかという点で重要である。LiDARと合成コストLs(p,Z)にはそれぞれ精度がよい条件があるため、実験的に決定されてよい。また、環境条件(時間帯、天候、現在地等)ごとに係数A,Bが予め定められているテーブルから読み出して係数Aと係数Bを設定してもよい。また、ステレオカメラ部120が基準画像を物体認識することで基準画像の範囲ごとに写っているオブジェクトが分かるので、この範囲ごとに係数A,係数Bを切り替えてもよい。
次に、画素の置き換えによるフュージョンを説明する。フュージョン部29は、ブロックマッチングで得た画素ごとの距離を、反射信号から算出された距離で置き換える。
合成後の距離=α×ブロックマッチングで得られた距離+β×反射信号のピークに対応する距離
なお、α+β=1である。フュージョン部29はαとβを例えば以下のように決定する。ピークの高さが高いほどβの信頼性が高いと見なして反射信号のピークの高さに応じてβを決定し、αは「1−β」から算出する。この場合は、反射信号のピークの高さとβが対応付けられたテーブルが用意される。
以下では、粗い光線分解能を照射するレーザレーダ測距部110による情報とステレオカメラ部120による情報のフュージョン(原理フュージョン)の3つの方法を説明する。
図25は、ブロックマッチングで得た画素の距離を反射信号から算出された距離情報で置き換えてフュージョンする処理を説明するフローチャート図の一例である。図25の説明では、図24との差異を説明する場合がある。
図25の処理の変形例として、SGM後にフュージョンする手順を説明する。
図26は、ブロックマッチングで得た画素の距離を反射信号から算出された距離情報で置き換えてフュージョンする処理を説明するフローチャート図の一例である。図26の説明では、図25との差異を説明する場合がある。
図27を用いて本実施形態の測距装置100の効果について説明する。図27は測距装置100が測距するシーンと距離画像を示す図である。図27(a)に示すように、測距装置100は人物301と高反射板302を含む照射範囲101に1つのレーザ光を照射した。人物までの距離は約57〔m〕、高反射板までの距離は約147〔m〕である。反射信号には人物301のピークと高反射板302のピークが生じるいわゆるマルチパルスが得られた。
以上説明したように、本実施形態の測距装置100は、粗い光線分解能のレーザ光を照射するので、測距装置100の省スペース化又は低コスト化が可能になる。また、原理フュージョンでステレオカメラにより得られる情報とレーザレーダにより得られる情報を初期段階でフュージョンするので、複数の物体のマルチパルスが生じても距離画像を面分離することができる。
以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。
12 左カメラ
100 測距装置
110 レーザレーダ測距部
120 ステレオカメラ部
140 車両
190 ECU
200 自動車
240 レーザ信号処理部
250 ステレオ画像演算部
Claims (10)
- 複数の撮像装置から取得した複数の画像にマッチングを施し画素ごとに第1の距離情報に変換する変換部と、
横方向の光線分解能と縦方向の光線分解能の少なくとも一方が2度を超えるレーザ光を照射する照射部と、
物体で前記レーザ光が反射した反射信号を取得する受光部と、
物体からの反射に対応するピークを前記反射信号から検出して、前記照射部が前記レーザ光を照射してから前記ピークが観測されるまでの時間により第2の距離情報を算出する距離算出部と、
前記第1の距離情報と前記第2の距離情報を統合する統合部と、
を有することを特徴とする測距装置。 - 更に、1つのレーザ光の照射範囲に対応する画素範囲を決定する画素範囲決定部を有し、
前記統合部は、前記画素範囲の前記第1の距離情報と前記第2の距離情報を統合することを特徴とする請求項1に記載の測距装置。 - 前記受光部が受光した反射信号を値が大きいほど小さくなるLiDARコストに変換するコスト変換部、を有し、
前記統合部は、ブロックマッチングにより得られた各画素のステレオマッチングコストと、前記LiDARコストとを統合することを特徴とする請求項2に記載の測距装置。 - 前記統合部は、前記反射信号のピークから求められた前記第2の距離情報と同程度の前記第1の距離情報を有する前記画素範囲の画素に対し、ブロックマッチングにより得られた各画素のステレオマッチングコストと、前記画素範囲に照射された前記LiDARコストとを統合することを特徴とする請求項3に記載の測距装置。
- 前記統合部は、前記画素範囲の画素に対しブロックマッチングにより得られた前記第2の距離情報と同程度の前記第1の距離情報が算出される前記ピークを前記反射信号が有する場合、
前記画素範囲の画素が有する前記第2の距離情報を、前記画素範囲を照射範囲とするレーザ光の前記反射信号から得られた前記第1の距離情報で置き換えることを特徴とする請求項2に記載の測距装置。 - 前記照射部が照射するレーザ光は、縦の長さよりも横の長さの方が長い横長の照射範囲を有することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の測距装置。
- 前記照射部が照射するレーザ光は、縦の長さの方が横の長さよりも長い縦長の照射範囲を有することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の測距装置。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の測距装置を有する移動体。
- 変換部が、複数の撮像装置から取得した複数の画像にマッチングを施し画素ごとに第1の距離情報に変換するステップと、
照射部が、横方向の光線分解能と縦方向の光線分解能の少なくとも一方が2度を超えるレーザ光を照射するステップと、
受光部が、物体で前記レーザ光が反射した反射信号を取得するステップと、
距離算出部が、物体からの反射に対応するピークを前記反射信号から検出して、前記照射部が前記レーザ光を照射してから前記ピークが観測されるまでの時間により第2の距離情報を算出するステップと、
統合部が、前記第1の距離情報と前記第2の距離情報を統合するステップと、
を有することを特徴とする測距方法。 - 複数の撮像装置と、
前記複数の撮像装置から取得した複数の画像にマッチングを施し画素ごとに第1の距離情報に変換する変換部と、
横方向の光線分解能と縦方向の光線分解能の少なくとも一方が2度を超えるレーザ光を照射する照射部と、
物体で前記レーザ光が反射した反射信号を取得する受光部と、
物体からの反射に対応するピークを前記反射信号から検出して、前記照射部が前記レーザ光を照射してから前記ピークが観測されるまでの時間により第2の距離情報を算出する距離算出部と、
前記第1の距離情報と前記第2の距離情報を統合する統合部と、
を有することを特徴とする測距システム。
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