JP2021117036A

JP2021117036A - 測距装置の測定値補正方法

Info

Publication number: JP2021117036A
Application number: JP2020008974A
Authority: JP
Inventors: 克美伊藤; Katsumi Ito; 誠二稻葉; Seiji Inaba
Original assignee: Hitachi LG Data Storage Inc
Current assignee: Hitachi LG Data Storage Inc
Priority date: 2020-01-23
Filing date: 2020-01-23
Publication date: 2021-08-10
Also published as: CN113176578A; US20210231783A1

Abstract

【課題】ＴＯＦ法による測距装置において、マルチパス現象により発生する距離誤差の補正処理をより簡単に行うとともに、測定距離の大きさに応じて適切に補正する方法を提供すること。【解決手段】準備工程として、測距装置１からの距離が設定値Ｌ１となるよう測定サンプルを配置し、測距装置１により測定サンプル３’までの距離を測定して測定値Ｌ２を得る。設定値Ｌ１を変えながら、複数通りの設定値Ｌ１に対応する測定値Ｌ２を取得し、取得した設定値Ｌ１と測定値Ｌ２の関係をもとに、測定値Ｌ２を設定値Ｌ１に変換するための補正式１６を作成する。続いて、実測工程として、測距装置１で測定した対象物３までの距離（実測値ｘ）を前記補正式１６にて補正し、測定距離の補正値ｙを算出する。【選択図】図８

Description

本発明は、光の伝達時間に基づいて対象物までの距離を測定する測距装置における測定距離の補正方法に関する。

光の伝達時間に基づいて対象物までの距離を測定する方式（以下、ＴＯＦ法：タイム・オブ・フライト）による測距装置（以下、ＴＯＦ装置とも呼ぶ）が知られる。ＴＯＦ装置で取得した距離データを、２次元の距離画像として表示し、その時間変化を追跡することで、例えば室内の人物の移動経路（動線）を求めることができる。

ＴＯＦ装置の原理は、光源から出射した照射光が対象物にて反射し、受光部に戻ってくるまでの時間（光路長）を計測することで、対象物までの距離を算出するものである。よって、周囲の壁や床などに反射率が高い素材が使用された環境で使用する場合、壁や床などからの不要な反射により、光路長が長くなったように見える。これはマルチパス現象と呼ばれ、その結果、実際の距離より測定値が大きく計測されて距離誤差が発生することになる。

マルチパス現象により発生する距離誤差の補正方法として、例えば特許文献１に記載の距離情報取得装置では、固体撮像素子（受光部）で取得した実際の受光信号列と、マルチパスのない環境下における受光信号のモデルとして予め作成された参照データとを比較し、比較結果の差異に応じてマルチパスの有無を判定するとともに、受信信号列と参照データとの比率を示す比較結果に応じて補正係数を算出する構成となっている。

国際公開第２０１９／１８８３４８号

特許文献１に記載の補正方法では、露光タイミングを所定幅だけずらしながら露光期間の受光量（蓄積量）の変化（折れ線）を求め、マルチパスのない環境下における受光量の変化（参照データの折れ線）と比較して、所定の露光タイミングにおける両者の蓄積量の比率から補正係数を算出するようにしている。そのため、露光タイミングの制御や、受光量の時間変化の取得など、補正のための処理負荷が増大して装置構成が複雑になり、装置コストも増大することが予想される。さらには、マルチパスの影響の度合いは、壁や床などの測定環境に依存し、測定距離の大きさ、すなわち近距離の測定と遠距離の測定とでは補正係数が異なるものとなる。特許文献１の技術では、測定距離の大きさに応じて補正係数を算出することについては特に考慮されていない。

本発明の目的は、ＴＯＦ法による測距装置において、マルチパス現象により発生する距離誤差の補正処理をより簡単に行うとともに、測定距離の大きさに応じて適切に補正する方法を提供することである。

本発明は、光の伝達時間に基づいて対象物までの距離を測定する測距装置における測定距離の補正方法であって、補正のための準備工程として、前記測距装置からの距離が設定値Ｌ１となるよう測定サンプルを配置するステップと、前記測距装置により前記測定サンプルまでの距離を測定して測定値Ｌ２を得るステップと、前記設定値Ｌ１を変えながら、複数通りの前記設定値Ｌ１に対応する前記測定値Ｌ２を取得するステップと、取得した前記設定値Ｌ１と前記測定値Ｌ２の関係をもとに、前記測定値Ｌ２を前記設定値Ｌ１に変換するための補正式を作成するステップと、を備える。続いて、前記対象物までの実測工程として、前記測距装置で前記対象物までの距離を測定して実測値ｘを得るステップと、前記実測値ｘを前記補正式にて補正し、測定距離の補正値ｙを算出するステップと、前記補正値ｙを出力するステップと、を備える。

本発明によれば、測距装置における距離補正のための処理負荷を大幅に低減し、かつ測定距離の大きさに応じて適切に補正する測定距離の補正方法を提供することができる。

実施例１に係る測距装置の構成を示す図。ＴＯＦ法による距離測定の原理を説明する図。マルチパス現象を説明する図。マルチパス現象で発生する距離誤差の例を示す図。距離誤差による動線計測への影響を説明する図。準備工程での距離誤差の測定方法を説明する図。距離誤差の補正式の作成例を説明する図。距離補正の手順を示すフローチャート。実施例２に係る測距システムの構成を示す図。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。

図１は、実施例１に係る測距装置の構成を示す図である。以下の例では、測定対象物として人物までの距離を測定する場合について説明するが、これに限るものではない。

測距装置（ＴＯＦ装置）１は、レーザダイオード（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）などの光源から対象物にパルス光を照射する発光部１１、対象物から反射したパルス光をＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどで受光する受光部１２、発光部１１の点灯または消灯、あるいは発光量の制御を行う発光制御部１３、受光部１２の検出信号（受光データ）から対象物までの距離を計算する距離計算部１４を備える。さらに本実施例では、距離計算部１４から出力される距離データを補正する距離補正部１５を備え、補正に用いる補正式１６は予め装置内のメモリに格納している。

補正後の距離データは外部処理装置２へ送られる。外部処理装置２は例えばパソコンからなり、距離補正データに基づき対象物の各部の色相を変えるカラー化処理を行って距離画像を生成し（画像処理動作）、ディスプレイに出力して表示する（表示動作）。また、距離データに基づき対象物（人物等）の位置の変化を解析することで、人物等の移動軌跡（動線）を得ることができる。

図２は、ＴＯＦ法による距離測定の原理を説明する図である。ＴＯＦ装置１と対象物３（例えば人物）の関係を示している。ＴＯＦ装置１は発光部１１と受光部１２を有し、発光部１１から対象物３に向けて距離測定用の照射光３１を出射する。受光部１２は、対象物３で反射された反射光３２を、ＣＣＤなどの２次元センサ１２ａで受光する。対象物３は、発光部１１および受光部１２から距離Ｌだけ離れた位置に存在する。ここで、光速をｃとして、発光部１１が照射光３１を出射してから受光部１２が反射光３２を受光するまでの時間差をｔとすると、対象物３までの距離Ｌは、Ｌ＝ｃ×ｔ／２で求められる。なお、距離計算部１４の行う実用的な距離測定では、時間差ｔの代わりに、所定幅の照射パルスを出射し、これを２次元センサ１２ａの露光ゲートのタイミングをずらしながら受光し、異なるタイミングにおける受光量（蓄積量）の値から距離Ｌを算出するようにしている。

図３は、マルチパス現象を説明する図である。発光部１１から出射した照射光は対象物３で反射して受光部１２へ戻ってくるが、通常は最短の経路である実線３０に示す光路となる。この光路の光を「直接光」と呼ぶことにする。ところが、反射率の高い材料を用いた壁や床４が存在する環境では、照射光の一部は壁や床４などで反射して、破線４０に示す光路で受光部１２に戻ってくる。この現象は「マルチパス現象」と呼ばれ、この光路の光を「間接光」と呼ぶことにする。すなわち間接光は、発光部１１と対象物３との間、または対象物３と受光部１２との間の光路が最短の直線ではなく、折れ線状になることから、間接光の光路４０は直接光の光路３０よりも光路長が長くなる。受光部１２には、直接光と間接光とが混合されて入射するので、ＴＯＦ装置において測定距離の誤差が発生する要因となる。

マルチパス現象が生じた場合、間接光の光路は１つだけでなく多数存在することが多く、直接光に対する間接光の強度比も様々である。受光部１２においては、直接光とこれに対し時間遅れをもつ多数の間接光とが入射し、露光ゲート方式の場合、所定のゲート期間で検出する受光量が本来の受光量（マルチパスのない場合）からずれてくるので、距離算出において距離誤差となって表れる。

図４は、マルチパス現象で発生する距離誤差の例を示す図である。図４（ａ）はＴＯＦ装置による距離測定値を、マルチパス発生の有／無の場合で比較したものである。横軸はＴＯＦ装置から対象物までの実際の距離Ｌ０で、縦軸はＴＯＦ装置の測定値で、マルチパスありの場合（Ｌ２）とマルチパスなしの場合（Ｌ１）を示す。マルチパスなしの場合の測定値Ｌ１は対象物までの実際の距離Ｌ０に等しいが、マルチパスありの場合の測定値Ｌ２は実際の距離Ｌ０よりも大きい値となっている。

図４（ｂ）はマルチパス現象による測定値の誤差を縦軸に示したものである。マルチパスによる距離誤差（Ｌ２−Ｌ１）は一定ではなく、ＴＯＦ装置から対象物までの実際の距離Ｌ０に応じて変化していることが分かる。これは、測定環境の影響（床や壁で反射する間接光の程度）が、対象物の位置によって変化することを意味している。

図５は、距離誤差による動線計測への影響を説明する図である。ＴＯＦ装置を複数台設置して、室内での対象物（人物）の移動経路を求める場合を想定する。例えば、エレベータホールのように周辺の壁や床に反射率が高い大理石が使用されている環境では、マルチパス現象のため、動線が二重になるなどの問題が生じる。

図５（ａ）は、動線計測の方法を説明する図である。ここでは２台のＴＯＦ装置１ａ，１ｂを設置して人物３の動線を計測する場合である。ＴＯＦ装置１ａの設置位置を（Ｘａ，Ｙａ），ＴＯＦ装置１ｂの設置位置を（Ｘｂ，Ｙｂ）とし、それぞれの装置で人物３までの距離の測定値Ｌａ，Ｌｂが得られたとする。これより、人物３の位置座標（Ｘ３，Ｙ３）を算出する。

図５（ｂ）（ｃ）は、測定距離をもとに人物３の位置を平面図に変換して示したものである。（ｂ）はマルチパスなしの場合を、（ｃ）はマルチパスありの場合を示す。
（ｂ）のマルチパスなしの場合は、ＴＯＦ装置１ａの測定値Ｌａで算出した人物３の位置と、ＴＯＦ装置１ｂの測定値Ｌｂで算出した人物３の位置が一致し、位置座標（Ｘ３，Ｙ３）は一義に決定される。

しかし（ｃ）のマルチパルスありの場合は、ＴＯＦ装置１ａの測定値Ｌａ’とＴＯＦ装置１ｂの測定値Ｌｂ’には誤差が含まれ、実際の距離よりも長く測定される。すなわち、ＴＯＦ装置１ａで算出した人物３の位置座標（Ｘ３ａ，Ｙ３ａ）と、ＴＯＦ装置１ｂで算出した人物３の位置座標（Ｘ３ｂ，Ｙ３ｂ）とが一致しない。その結果、同一の人物であるにも関わらず別の人物３ａ，３ｂの座標として捉えられることで、動線が二重に分裂する。あるいは、ＴＯＦ装置１ａ，１ｂ間の繋ぎ目で座標が連続せず、動線が途切れるという問題が発生する。

このようなマルチパス現象に対処するため、本実施例では、ＴＯＦ装置を測定すべき環境に設置し、予め、所定距離に対象物（サンプル）を置いて対象物までの距離測定を行う。次に、測定した距離が実際の距離（真値）よりも長くなる場合、発生する距離誤差に応じて、これを補正する補正式を作成する。ここまでの作業を「準備工程」と呼ぶ。そして、ＴＯＦ装置により実際に距離を測定する場合、距離測定値を補正式を用いて補正することで、マルチパスによって発生する誤差を低減する。この作業を「実測工程」と呼ぶ。

図６は、準備工程での距離誤差の測定方法を説明する図である。まず、ＴＯＦ装置１を実際の使用環境に設置する。この例では、ＴＯＦ装置１を天井に取り付けている。準備工程で用いる測定対象物（サンプル）は、実測工程での測定対象物と反射特性が近いことが好ましく、ここでは人物３’を用いている。サンプルである人物３’は、ＴＯＦ装置から距離Ｌ１だけ離れた位置に立ち、ＴＯＦ装置１にて人物３’までの距離を測定し、測定値Ｌ２を得る。

具体的には、サンプルである人物３’の位置は、ＴＯＦ装置１から例えば距離Ｌ１＝２〜８ｍだけ離れた区間で、１ｍ間隔とする。なお、距離Ｌ１の設定確認にはレーザ距離計等を用いることで、マルチパスの影響を受けない直接光（実線）のみによる正確な距離Ｌ１を与えることができる。一方距離Ｌ２は、マルチパスの影響を受けた間接光（破線）を含む測定値である。

このようにして、人物３’の各位置（距離Ｌ１）に対し、ＴＯＦ装置１で人物３’までの距離の測定値Ｌ２を取得すると、これらのデータをもとに距離誤差の演算や補正式の作成を行う。なお、補正式の作成は、外部処理装置（パソコン）２を使用して行うことができる。

図７は、距離誤差の補正式の作成例を説明する図である。補正のための近似法として、（ａ）は１次式による線形近似を、（ｂ）は２次式による非線形近似の場合を示す。いずれも、図６で説明した人物３’の距離設定値Ｌ１を縦軸（ｙ軸）に、これに対するＴＯＦ装置１による距離測定値Ｌ２を横軸（ｘ軸）にプロットしている。グラフでは、測定点を●印で、またこれらを結ぶ実線で示す。最小二乗法等により、Ｌ２値とＬ１値の関係を示す近似式を求めることで、破線で示すような距離誤差の補正式が得られる。補正式では、Ｌ２を変数ｘ、Ｌ１を変数ｙと置いている。

（ａ）は１次式による線形近似を行った場合、（ｂ）は２次式による非線形近似を行った場合で、それぞれの補正用近似式の例を示している。当然ながら、補正式として（ｂ）の２次式を用いることで、距離誤差をより低減することができる。近似式はこれらに限らず、さらに高次の多項式や関数を組み込んだ式でも良い。

ここで作成した補正式、またはこれらの補正式の係数は、図１のＴＯＦ装置１内の補正式１６として格納しておく。そして距離補正部１５は、距離計算部１４にて算出された距離測定値に対し、補正式１６を用いて補正する。

上記の補正方法によれば、マルチパス現象により発生する距離誤差の補正処理をより簡単に行えるとともに、測定距離の大きさに応じて適切な補正係数にて補正処理を行うことが可能となる。

なお、マルチパス現象は対象物（人物）までの距離だけでなく、ＴＯＦ装置から見た対象物の方向（方位角度）によっても影響の度合いが異なってくることが予想される。よって、図６の距離誤差の測定と図７の補正式作成は、ＴＯＦ装置から見た対象物の方位角度を複数通り変えて実施し、方位角度ごとの補正式を作成することが好ましい。そして距離補正部１５は、対象物までの距離測定値だけでなく、対象物がどの方位角度に存在するかによって対応する補正式を使い分けて補正することにより、距離誤差をさらに低減することができる。

図８は、本実施例における距離補正の手順を示すフローチャートである。本実施例の距離補正は、準備工程と実測工程から構成される。
Ｓ１０１：ＴＯＦ装置１を測定現場に設置する。以下、Ｓ１０２からＳ１０５までが準備工程である。

Ｓ１０２：測定対象物のサンプル（例えば人物３’）をＴＯＦ装置１から所定の距離Ｌ１（設定値と呼ぶ）だけ離して配置する。設定値Ｌ１の確認には、レーザ距離計などを用いる。設定値Ｌ１は予め複数通りの値を決めておき、順に実施する。
Ｓ１０３：ＴＯＦ装置１にて、設定値Ｌ１に配置した測定サンプルまでの距離を測定し、得られた測定値をＬ２とする。Ｓ１０２に戻り、設定値Ｌ１を変更し、予め決めた全ての設定値について終了するまで繰り返す。

Ｓ１０４：測定サンプルの設定値Ｌ１とＴＯＦ装置１の測定値Ｌ２の関係から、各距離における測定誤差を集計する。
Ｓ１０５：距離誤差の補正式、すなわち、測定値Ｌ２を設定値Ｌ１に変換するための補正式１６を作成し、距離補正部１５のメモリに格納する。これで準備工程を終了し、Ｓ１０６からの実測工程に移る。

Ｓ１０６：ＴＯＦ装置１で対象物の距離を実際に測定し、実測値ｘとする。例えば動線計測であれば、各時刻における人物までの距離を測定する。
Ｓ１０７：距離補正部１５は、Ｓ１０６での実測値ｘを補正式１６を用いて補正し、補正値ｙを算出する。そしてＳ１０６に戻り、一連の測定が終了するまで繰り返す。

Ｓ１０８：補正後の距離データｙを出力する。例えば、ＴＯＦ装置１が捉えた人物の動線軌跡等を出力する。

以上の説明は、１台のＴＯＦ装置について述べたが、複数台のＴＯＦ装置を設置する場合は、それぞれのＴＯＦ装置について実施する。

また、上記フローのうち、Ｓ１０２〜Ｓ１０５の準備工程は、ユーザが行う作業として説明したが、これを自動化することも可能である。例えば、対象物サンプル（移動物体）を移動させながら各位置での設定値Ｌ１と測定値Ｌ２を自動的に取得し、取得した設定値Ｌ１と測定値Ｌ２の関係から補正用の近似式の係数を自動的に算出することが可能である。

実施例１によれば、予め準備工程でＴＯＦ装置を設置した環境においてマルチパスの影響で生じる距離誤差を求め、これを補正する補正式を作成するようにしている。よって、実測工程において距離補正のためのＴＯＦ装置の処理負荷を大幅に低減できる。その際用いる補正式は、実測環境に即して作成したものであるから、例えば測定距離の大きさに応じて適切に補正することができ、その結果測定精度の高い測距装置を提供できる。

実施例１では、距離データを補正する距離補正部１５は測距装置（ＴＯＦ装置）１の内部に備える構成としたが、実施例２では、外部処理装置にて補正する構成とした。

図９は、実施例２に係る測距システムの構成を示す図である。測距システムは、測距装置（ＴＯＦ装置）１’と外部処理装置２’とで構成されている。ＴＯＦ装置１’は、実施例１（図１）と同様に、発光部１１、受光部１２、発光制御部１３、距離計算部１４を備えるが、距離補正部１５と補正式１６については外部処理装置２’に移動させた構成としている。すなわち、ＴＯＦ装置１’の距離計算部１４から外部処理装置２’に補正前の距離データを出力し、外部処理装置２’の距離補正部１５が補正式１６を用いて距離データを補正する。補正式１６の作成は実施例１と同様である。

実施例２の構成によれば、実施例１と同様に、距離補正のための処理負荷を大幅に低減し、測定距離の大きさに応じて適切に補正することができる測距システムを提供できる。また実施例２によれば、ＴＯＦ装置１’をさらに小型、簡素化することができ、ＴＯＦ装置１’を多数台用いる場合に好適になる。一方外部処理装置２’は、複数台のＴＯＦ装置１’と接続することで、複数の距離データを用いる動線計測などの処理をより効率的に実行することができる。

１，１’，１ａ，１ｂ：測距装置（ＴＯＦ装置）、
２，２’：外部処理装置、
３，３’：測定対象物（人物の例）、
１１：発光部、
１２：受光部、
１３：発光制御部、
１４：距離計算部、
１５：距離補正部、
１６：補正式、
３０：直接光、
３１：照射光、
３２：反射光、
４０：間接光。

Claims

光の伝達時間に基づいて対象物までの距離を測定する測距装置における測定距離の補正方法であって、
補正のための準備工程として、
前記測距装置からの距離が設定値Ｌ１となるよう測定サンプルを配置するステップと、
前記測距装置により前記測定サンプルまでの距離を測定して測定値Ｌ２を得るステップと、
前記設定値Ｌ１を変えながら、複数通りの前記設定値Ｌ１に対応する前記測定値Ｌ２を取得するステップと、
取得した前記設定値Ｌ１と前記測定値Ｌ２の関係をもとに、前記測定値Ｌ２を前記設定値Ｌ１に変換するための補正式を作成するステップと、を備え、
前記対象物までの実測工程として、
前記測距装置で前記対象物までの距離を測定して実測値ｘを得るステップと、
前記実測値ｘを前記補正式にて補正し、測定距離の補正値ｙを算出するステップと、
前記補正値ｙを出力するステップと、
を備えることを特徴とする測定距離の補正方法。
請求項１に記載の測定距離の補正方法において、
前記準備工程では、さらに、
前記測定サンプルを前記測距装置から見る方位角度を変えて配置し、複数通りの方位角度における前記測定サンプルまでの距離の前記設定値Ｌ１と前記測定値Ｌ２の関係を取得し、
取得した前記設定値Ｌ１と前記測定値Ｌ２の関係をもとに、方位角度ごとに前記測定値Ｌ２を前記設定値Ｌ１に変換するための前記補正式を作成し、
前記実測工程では、
前記対象物の存在する方位角度に対応する前記補正式を用いて、前記実測値ｘを補正して前記補正値ｙを算出することを特徴とする測定距離の補正方法。
請求項１に記載の測定距離の補正方法において、
前記準備工程では、
前記測定サンプルを移動させながら、各移動位置において、マルチパスのない直接光のみにより計測した前記設定値Ｌ１と、前記測距装置により測定した前記測定値Ｌ２を取得し、取得した前記設定値Ｌ１と前記測定値Ｌ２の関係から前記補正式の係数を算出することを特徴とする測定距離の補正方法。
請求項１に記載の測定距離の補正方法において、
前記準備工程にて作成する前記補正式として、非線形近似式を用いることを特徴とする測定距離の補正方法。
光の伝達時間に基づいて対象物までの距離を測定する測距装置において、
前記対象物に向けて照射光を出射する発光部と、
前記対象物からの反射光を検出する受光部と、
前記発光部を制御する発光制御部と、
前記受光部にて検出した反射光の伝達時間に基づき前記対象物までの距離を算出する距離計算部と、
前記距離計算部で算出した距離を補正式を用いて補正する距離補正部、を備え、
前記補正式は、予め、前記測距装置から設定値Ｌ１の距離に測定サンプルを配置し、該測定サンプルまでの距離を前記測距装置により測定して測定値Ｌ２として、複数通りの前記設定値Ｌ１と前記測定値Ｌ２の関係をもとに、前記測定値Ｌ２を前記設定値Ｌ１に変換するために作成した近似式であることを特徴とする測距装置。
光の伝達時間に基づいて対象物までの距離を測定する測距装置と該測距装置で測定した測定距離を補正する外部処理装置を備える測距システムにおいて、
前記測距装置は、
前記対象物に向けて照射光を出射する発光部と、
前記対象物からの反射光を検出する受光部と、
前記発光部を制御する発光制御部と、
前記受光部にて検出した反射光の伝達時間に基づき前記対象物までの距離を算出する距離計算部と、を有し、
前記外部処理装置は、
前記測距装置の前記距離計算部で算出した距離を補正式を用いて補正する距離補正部を有し、
前記補正式は、予め、前記測距装置から設定値Ｌ１の距離に測定サンプルを配置し、該測定サンプルまでの距離を前記測距装置により測定して測定値Ｌ２として、複数通りの前記設定値Ｌ１と前記測定値Ｌ２の関係をもとに、前記測定値Ｌ２を前記設定値Ｌ１に変換するために作成した近似式であることを特徴とする測距システム。