JP3546296B2 - 動き検出装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、動き検出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
テレビカメラで撮像した画像のデジタル画像処理によって像の動きの方向やその速度を検出する方法として、所定時間間隔を空けた画面間で、画像の小領域の明るさや特徴点の対応を見付けることにより、各小領域や特徴点の移動の方向を検出したり、その移動の距離から速度を検出する方法がある。また、物体上の明るさが時間的に変化しないと仮定したときの画像の明るさの時間微分と空間微分の関係を拘束条件として、速度を求める方法がある(例えば、谷内田正彦編,コンピユータビジョン,平成2年(丸善)発行,に示されている)。
【0003】
しかし、カメラで撮像した画像によるこれらの方法は、多数の画素を参照して計算するものであるので、高速な検出が難しかったり、高速化のためにはハードウェア規模が大きくなる間題がある。また、撮像のフレームレートに比べて物体の動きが著しく速い場合、正しく動きを検出することが難しい問題がある。また、対象物の明るさの変動が大きい場合、テレビカメラのダイナミックレンジやA/D変換器のレンジによる画質の低下や、処理回路の濃淡のダイナミックレンジなどが原因で、良好な検出結果が得られない問題がある。
【0004】
一方、テレビカメラで撮像した画像のデジタル画像処理によるのではなく、半導体上に集積された光検出器の出力を直接処理することによって、極めて小型で低消賛電力なハードウェアで、高速に像の動きの方向やその速度を検出する方法や装置がいくつか報告されている。「C.ミード著,自井,米津訳,アナログVLSIと神経システム,(株)トッパン,1993,pp.269−299」には、物体上の明るさが時問的に変化しないと仮定したときの、画像の明るさの時問微分と空間微分の関係を拘束条件として大域的速度を求める、半導体上に集積された動き検出チップが示されている。しかしミードの動き検出チップは、微分値を使って計算するので、雑音に弱い問題がある。
【0005】
そこで、信号の時間的相関を利用した装置として、「J.Kramer,R.Sarpeshkar and C.Koch,”Pulse−Based Analog VLSI Vlocity Sensors”,IEEE Trans. on Circuits and Systems ▼2▲,Vol.44,No.2,pp.86−101,1997.」には、2つの光検出器の出力の時間微分信号に基づいて動きの方向や速度を検出する、半導体上に集積された動き検出チッブが示されている.また、「R.Etienne−Cummings,J.Van der Spiegel and P.Mueller,”A Focal Plane Visual Motion Measurement Sensor”,IEEE Trans.on Circuits and Systems−▼1▲,Vol.44,No.1,pp.55−66,1997.」には、抵抗回路網を用いて像の明るさのラプラシアン又はDOG(2つのガウス関数の差)を求め、そのゼロクロス信号又は閾値で2値化した信号の発生と消滅の関係から、像の動きの方向や速度を検出する、半導体上に集積された動き検出チッブが示されている。
【0006】
また、特開昭49−7901や、特開昭63−233375などには、交互に配置した2組の受光素子群による空間フィルタを利用した光学式の速度センサが示されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
図1(a)は、物体がxの正方向に動いたときの、各位置x−dx,x,x+dx,x+2dx(ただし,dx>0)における、像の強度を示した図で、横軸は時間である。
【0008】
J.Kramer et a1.の装置では、図1(b)に示したように、位置x及びx+dxにおける像の強度の時間微分信号を利用し、これらの信号を2値化した信号の相互関係から動きの方向や速度を検出している。J.Kramer et a1.の装置では、物体の動きによって生じる像の明るさの時間的変化である光検出器の出力の時間微分信号を用いて動きを検出するので、物体の動きの速さによって時間微分信号の大きさが変化するために、広い速度レンジで安定して動き方向や速度を検出することができない間題がある。
【0009】
Etienne−Cummings et a1.の装置では、像の強度の空間的なラプラシアン又はDOGのゼロクロス位置の信号の相互関係から動きの方向や速度を検出している。図1(c)は、像の強度の空間的なラプラシアンのゼロクロス位置の信号を、位置x,およびx+dxについて示したものである。この方法では、図1(c)からも分かるように、位置xの信号の消滅と位置x+dxの信号の生成が同時刻に起こるので、これらの信号からの動きの検出が小規模な回路で実現できるメリットがある。また、時間に関する定数を用いる必要がないので、検出できる速度レンジが広い。しかし,像の明るさのラプラシアン又はDOGを抵抗回路網を使って検出するので、全体の回路規模が大きくなる問題がある。また、ラプラシアン又はDOGのゼロクロス点を2箇所で求める必要があるので、少なくとも4個の光検出器が必要となる。
【0010】
空間フィルタを利用した光学式の速度センサでは、物体の動きの速度は検出できるが、動きの方向を検出することができない。また、交互に配置した2組の受光素子群による空間フィルタを用いるので、局所的な速度を検出することが困難である。
【0011】
本発明の目的は、広い速度レンジで、局所的な動き方向と速度を、安定して高速に検出することができる、小規模で低消費電力な、半導体上に集積するのに適した、広い明るさレンジで動作する、動き検出装置を提供することである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は、位置Aの近傍の2箇所に於ける像の強度の違いに基づく2値信号1と、位置Bの近傍の2箇所に於ける像の強度の違いに基づく2値信号2とを用い、信号1と信号2の関係に基づいて、像の動きの方向と動きの速さの少なくとも1つを求めることを特徴とする動き検出装置である。
【0013】
図1(d)〜(f)を参照して説明する。図1(d)は、位置x−dxの強度と位置xの強度の差の信号、および位置xの強度と位置x+dxの強度の差の信号、を示したものである。そして、図1(e)は、図1(d)の信号を閾値pで2値化した信号を示す。同図から、(e)の2つの2値信号の関係から、像の動き方向や速度を検出できることが分かる。また、図1(f)は,図1(d)の信号を閾値qで2値化した信号を示す。同図から、(f)の2つの2値信号の関係からも、像の動き方向や速度を検出できることが分かる。即ち、本発明では、位置Aの近傍の2箇所における像の強度の違いに基づく2値信号1と、位置Bの近傍の2箇所における像の強度の違いに基づく2値信号2とを用い、信号1と信号2の関係に基づいて、像の動きの方向または動きの速度を求める。速度は、具体的には、信号1が発生してから信号2が発生するまでの時間又は信号1が消滅したときから信号2が消滅するまでの時間に基づいて、AB間の移動時間を検出し、それによって像の動きの速度を求める。ここで、図1の(x−dx),x,(x+dx)と、位置A及び位置Bとの関係を説明すると、位置Aは(x−dx)〜x間に在り、位置Bはx〜(x+dx)間に在る。
【0014】
図1(e)の信号と、図1(f)の信号の違いは、前者は2つの信号間に重なりがあるのに対し、後者には2つの信号間の重なりがない点である。これらの違いは、像の空間的エッジの強さや傾き、光検出器の空間的解像度、閾値などの関係により生じる。
【0015】
前者の場合に対して、本発明は、信号1の出力中に信号2が発生したとき、AからB方向への動きと判定する。その具体例は実施例2で示す。また、信号2の出力中に信号1が消滅したとき、AからB方向への動きと判定する。その具体例は実施例1で示す。
【0016】
後者の場合に対して、本発明は、信号1の消滅と信号2の発生が所定時間内に生じたときAからB方向への動きと判定する。また、上記2つを併せて実施することにより、前者と後者の両方の場合を検出することも可能である。この具体例は実施例4で示す。
【0017】
また本発明では、信号1と信号2の対応関係に矛盾があるときには動きを検出しないようにすることにより、動きの検出精度をあげることができる。その具体例は実施例3で示す。
【0018】
ここで、作用効果を説明する。
位置A,Bの近傍の2箇所における像の強度の違いに基づく2値信号を用いるので、像の明るさレンジが広くても、像の動きの方向や速度を検出することができる。また、位置A,Bの近傍の2箇所における像の強度の遠いに基づく2値信号を用いるので、最低3個の検出器により、像の動きの方向や速度を検出することができる。また、最低3個の検出器を用いればよいので、局所的な動きを検出することが容易である。また、位置A,Bの近傍の2箇所における像の強度の違いに基づく2値信号を用いるので、抵抗回路網が不要であり、小規模なハードウェアで像の動きの方向や速度を検出することができる。
【0019】
また、2値信号の関係に基づいて動きの方向や速度を検出するので、半導体上に集積するのが容易である。また、2値信号の関係に基づいて動きの方向や速度を検出するので、雑音に強い。
【0020】
また、信号1の出力中に信号2が発生したとき又は信号2の出力中に信号1が消滅したとき動きを検出する方法は、時間に関する定数を用いないので、広い速度レンジで像の動きの方向や速度を検出することができる。また、信号1の消滅と信号2の発生が所定時間内に生じたとき動きを検出する方法は、対象物の濃淡エッジの強さなどによることなく、動きを検出することができる。また、信号1が発生してから信号2が発生するまでの時間、又は信号1が消滅したときから信号2が消滅するまでの時間に基づいてAからB方向への動き速度を求めるので、速度を精度よく求めることができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、図示する実施例1(図2〜6)、実施例1の変形例(図7〜11)、実施例2(図12〜14)、実施例3(図15〜26)、実施例3の変形例(図27〜28)、及び実施例4(図29〜35)に即して、本発明の実施の形態を説明する。
【0022】
1.実施例1.
本発明の実施例1を図2に示す。図2の構成は半導体基板上に集積されており、例えば、図3に示すようにして、この基板上に対象物の像が結像される。図2の動き検出装置は、像の光強度の対数に比例した信号を出力する光検出器1,2,3、光検出器1,2の出力信号の差を求める差分回路1、光検出器2,3の出力信号の差を求める差分回路2、差分回路1の出力値を所定の閾値で2値化する2値化回路1、差分回路2の出力値を所定の閾値で2値化する2値化回路2、2値化回路1,2の出力する2値の信号1および信号2に基づいて動きの方向および速度を検出する動き判定回路、から構成される。
【0023】
光検出器1および2は、位置Aの近傍の2箇所における像の強度を検出するためのもの、光検出器2および3は位置Bの近傍の2箇所における像の強度を検出するためのもの、である。したがって、信号1は位置Aの近傍の2箇所における像の強度の違いに基づく2値信号であり、信号2は位置Bの近傍の2箇所における像の強度の違いに基づく2値信号である。
【0024】
この実施例1では、動き判定回路は、信号2の出力中に信号1が消滅したときAからB方向への動きと判定し、逆に、信号1の出力中に信号2が消滅したときBからA方向への動きと判定する。さらに、信号1が消滅したときから信号2が消滅するまでの時間、又は信号2が消滅したときから信号1が消滅するまでの時間に基づいて、動き速度を求める。
【0025】
図4(a)〜(d)は、動き判定回路での動きの方向や速度の検出原理を示した図であり、信号1及び信号2の時間的変化を示す。(a)(b)は動きの方向の判定方法を示した図で、(a)は像がAからB方向に動いた場合の例、(b)は像がBからA方向に動いた場合の例である。(c)(d)は、動き判定回路において動き速度を求める方法を示した図であり、(c)は像がAからB方向に動いた場合の例、(d)は像がBからA方向に動いた場合の例である。
【0026】
動き判定回路は、図4(a)に示したように、信号2の出力中(ハイレベル状態)に信号1が消滅(ハイレベルからローレベルに変化)したときAからB方向への動きと判定し、図4(b)に示したように、信号1の出力中(ハイレベル状態)に信号2が消滅(ハイレベルからローレベルに変化)したときBからA方向への動きと判定する。また、動き判定回路は、図4(c)に示すように、信号2の出力中に信号1が消滅した時点から信号2が消滅するまでの時間T、即ち、光検出器1と2の間隔(AB間の距離)を像が移動するのに要した時間Tを求める。速度はAB間の距離を時間Tで割ることにより求められる。なお、時間Tは実質的に速度と同じ情報なので、本明細書では、移動時間のことも含めて速度と呼ぶことにする。同様にして、図4(d)に示すように、信号1の出力中に信号2が消滅した時点から信号1が消滅するまでの時間Tから、BからA方向への動きの速度を求める。
【0027】
図5は、実施例1の動き判定回路のブロック構成を示す。同図において、回路11,41は、入力2がハイレベルのときに入力1がハイレベルからローレベルに変化したときにパルスを出力する回路である。回路21,51は、インバータ回路であり、回路31,61は、SRフリップフロップである。回路31は、AからB方向への動きが検出されたとき、AB間の移動時間をパルス幅で出力する。また、回路61は、BからA方向への動きが検出されたとき、BA間の移動時間をパルス幅で出力する。図6は、図5の動き判定回路の動作のタイミングチャートを示し、(a)は像がAからB方向に動いた場合の例、(b)は像がBからA方向に動いた場合の例で、同図に示されるようにして、動きの方向及び速度(移動時間T)が検出される。
【0028】
実施例1では、上述のように、2箇所における像の強度の違い(強度の比)を所定の閾値で2値化した信号を用い、像の強度自体を検出しないので、像の明るさレンジが広くても、像の動きの方向や速度を検出することが容易である。また、実施例1では、光検出器が像の光強度の対数に比例した信号を出力するので、差分回路の出力は光強度の比に比例した出力となり、光検出器が光強度に比例した信号を出力し、その差を2値化した信号を用いる場合に比ベ、より広い明るさレンジで動きが検出できる。また、実施例1では、抵抗回路網が不要なため、小規模なハードウェアで像の動きの方向や速度を検出することができる。
【0029】
また、実施例1では、上述のように、3個の検出器により像の動きの方向や速度を検出することができる。また、2値信号の発生と消滅の関係に基づいて動きの方向や速度を検出するので、半導体上に集積するのが容易である。また、実施例1では、2値信号の関係に基づいて動きの方向や速度を検出するので、雑音に強い。また、実施例1では、信号の時間的な変化や時間に関する定数を用いないので、広い速度レンジで像の動きの方向や速度を検出することができる。
【0030】
2.実施例1の変形例.
実施例1は種々の変形が可能であり、そのいくつかを図7〜11に示す。
【0031】
2−1.変形例1.
図7は、複数の位置で動きの方向や速度を検出するための構成例である。図2の構成を単に並べるのではなく、図7では光検出器を共用しており、これにより、集積度を高められる効果がある。図7の例では光検出器が1次元上に並ベられているが、2次元的に配置する場合にも、同様の考えに基づいて光検出器を共用することで、集積度を高めることが可能である。
【0032】
2−2.変形例2.
図8は、光検出器の配置の別の例である。図2の構成では、位置Aの近傍の2箇所における像の強度の違いを検出するための光検出器の1つが、位置Bの近傍の2箇所における像の強度の違いを検出するための光検出器の1つと共用されていたのに対して、図8の構成では、別になっている.すなわち,図8の構成では、光検出器1,3が位置Aの近傍の2箇所における像の強度を検出するためのものであり、光検出器2,4が位置Bの近傍の2箇所における像の強度を検出するためのものである。実施例1では、閾値を大きくすると、信号1と信号2が時間的重なりをもたない場合が多くなるため、検出できる動きの数が少なくなり、また、閾値を小さくすると、検出できる動きの数が多くなる反面、ノイズを検出する確率が大きくなるため、動きの検出結果の信頼度が低下する。図8のように構成することで、閾値を小さくすることなくより確実に信号1と信号2が時間的重なりをもつようになるため、検出結果の信頼度を低下させることなくより多くの動きを検出することが可能となる。
【0033】
2−3.変形例3.
図9は、位置A,Bの近傍の2箇所における像の強度の違いに基づく2値信号1,2の別の実施例であり、図9(a)は、2個の光検出器の出力の差が、閾値1以上で且つ閾値2以下である場合に信号を出力する2値化回路を用いた例である。これにより、位置AとBにおける像のエッジの対応がより確実となり、動きの検出精度が向上する効果がある。図9(b)は、2個の光検出器の出力の差の絶対値を閾値で2値化する例であり、図2のように差を閾値で2値化する場合に比ベ、位置AとBにおける像のエッジの対応の確度は低下するが、小規模な回路構成でより多くの動き検出が可能になる効果がある。
【0034】
2−4.変形例4.
図10は、位置Aに関しては光検出器2(図10内の3つの光検出器の中の中央の光検出器)の出力から光検出器1(図10内の3つの光検出器の中の左端の光検出器)の出力を引いた値を所定の閾値で2値化した信号をも利用するようにし、位置Bに関しても同様に光検出器3(図10内の3つの光検出器の中の右端の光検出器)の出力から光検出器2(図10内の3つの光検出器の中の中央の光検出器)の出力を引いた値を所定の閾値で2値化した信号をも利用するようにした構成例である。前述の図2の構成では、位置Aの近傍の2箇所における像の強度の違いに基づく2値信号としては光検出器1の出力から光検出器2の出力を引いた値を所定の閾値で2値化した信号を用い、位置Bの近傍の2箇所における像の強度の違いに基づく2値信号としては光検出器2の出力から光検出器3の出力を引いた値を所定の閾値で2値化した信号を用いていたのに対し、図10の構成では、位置Aに関しては光検出器2の出力から光検出器1の出力を引いた値を所定の閾値で2値化した信号をも利用し、位置Bに関しては光検出器3の出力から光検出器2の出力を引いた値を所定の閾値で2値化した信号をも利用しているので、より多くの動き検出が可能になる効果がある。また、光検出器1と光検出器2の出力の差の信号や、光検出器2と光検出器3の出力の差の信号を、符号によって2つの異なる回路で処理するため、位置AとBにおける像のエッジの対応の確度が低下することはない。
【0035】
2−5.変形例5.
図11は、2種類の閾値を用いた例であり、対象物の濃淡エッジ強度のバラツキが大きくても、信号1と信号2の対応関係がより精度良く求められるので、検出の精度を高められる効果がある。
【0036】
2−6.他の変形.
実施例1とその変形例では、光学像の強度を光検出器で検出して像の動きを検出する場合を示したが、光以外の像についても、その像の各位置における強度を検出する検出器を用いることにより、本発明を実施することが可能であることは明らかである。また、実施例1とその変形例では、半導体基板上に集積した装置の例を示したが、本発明は、必ずしも半導体基板上に集積する必要がないことも明らかである。
【0037】
3.実施例2.
実施例2は、動き判定回路が、信号1の出力中に信号2が発生したときAからB方向への動きと判定し、逆に、信号2の出力中に信号1が発生したときBからA方向への動きと判定すること、及び、信号2が発生したときから信号1が発生するまでの時間または信号1が発生したときから信号2が発生するまでの時間に基づいて動き速度を求めること以外は、実施例1と同様である。
【0038】
図12(a)〜(d)は、実施例2の動き判定回路での動きの方向や速度の検出原理を示した図である。(a)(b)は、動きの方向の判定方法を示した図であり、(a)は像がAからB方向に動いた場合の例、(b)は像がBからA方向に動いた場合の例である。(c)(d)は、動き判定回路において動き速度を求める方法を示した図であり、(c)は像がAからB方向に動いた場合の例、(d)は像がBからA方向に動いた場合の例である。
【0039】
実施例2の動き判定回路は、図12(a)に示したように、信号1の出力中(ハイレベル状態)に信号2が生成(ローレベルからハイレベルに変化)したときAからB方向への動きと判定し、図12(b)に示したように、信号2の出力中(ハイレベル状態)に信号1が生成(ローレベルからハイレベルに変化)したときBからA方向への動きと判定する。また、動き判定回路は、図12(c)に示すように、信号1が発生した時点から信号1の出力中に信号2が生成するまでの時間TよりAからB方向への動きの速度を求め、図12(d)に示すように、信号2が発生した時点から信号2の出力中に信号1が生成するまでの時間TよりBからA方向への動きの速度を求める。図13は、実施例2の動き判定回路のブロック構成を示す。同図において、回路12は、入力1がローレベルのときに入力2がローレベルからハイレベルに変化したとき又は入力2がローレベルのときに入力1がローレベルからハイレベルに変化したときにパルスを出力する回路、回路22,32は、入力1がハイレベルのときに入力2がローレベルからハイレベルに変化したときにパルスを出力する回路である。
【0040】
この動き判定回路では、定電流源によって充電されるコンデンサCの電圧によって移動時間Tを検出する。すなわち、回路12の出力によりスイッチSW12が閉じてコンデンサの電荷がクリアされてから、スイッチSW22またはスイッチSW32が閉じるまでの時間が、電圧として読み出される。スイッチSW22は、信号1の出力中に信号2が生成したときに閉じるので、AからB方向への動きが検出されたときにパルスを出力する。そして、そのパルスの電圧は、その動きの速度に対応する移動時間Tに対応した電圧となる。同様にして、スイッチSW32は、BからA方向への動きが検出されたとき、その動きの速度に対応する移動時間Tに対応した電圧のパルスを出力する。
【0041】
図14は、この動き判定回路の動作のタイミングチャートを示し、(a)は像がAからB方向に動いた場合の例、(b)は像がBからA方向に動いた場合の例である。同図に示されるようにして、動きの方向及び速度(移動時間T)が検出される。この動き判定回路を用いた場合も、図5の動き判定回路を用いた実施例1の場合と同様な作用効果がある。また、実施例1と同様の、種々の変形が可能である。
【0042】
4.実施例3.
実施例3は、信号1と信号2の波形の対応関係が不明確なとき及び矛盾しているときには動きを検出しないことにより、動きの誤検出の可能性を小さくすることを特徴とする動き検出方法及び装置である。構成は概略実施例1と同様であるが、動き判定回路が異なる。
【0043】
実施例1,2の方法は、信号1と信号2の各1個の同じ時間的長さの波形のみが時問的重なりをもつことを前提として動きを検出する方法である。しかし、対象物が複雑である場合や、2値化回路の閾値が小さい場合、信号1と信号2の複数の波形が時間的重なりをもつようになり、信号1の波形と信号2の波形の対応関係が不明確になったり、矛盾する可能性がある。
【0044】
図15は、信号1と信号2の波形の対応関係が明確な場合、不明確な場合、及び矛盾している場合の例を示した図である。図15(a)は信号1と信号2の同じ時問的長さの2つの波形が時間的な重なりをもつ場合の例、同図(b)は信号1の波形と信号2の複数の波形が時間的重なりをもつ場合の例、同図(c)は信号1と信号2の異なる時問的長さの2つの波形が時問的な重なりをもつ場合の例である。
【0045】
図15(a)の場合、信号1の1つの波形と信号2の1つの波形が時間的重なりをもつため、波形の対応関係は明確であり、実施例1及び実施例2で示した方法によって正しく動きの方向と速度を検出することが可能である。図15(b)の場合、信号2の1つの波形が信号1の2つの波形と時間的な重なりをもつため対応関係が不明確であり、実施例1の方法を用いて動き検出を行った場合も、実施例2の方法を用いて動き検出を行った場合も、ともに、異なる2つの方向の動きを検出してしまう。図15(c)の場合、2つの波形が対応していると仮定すると信号1が発生してから信号2が発生するまでの時問と、信号1が消滅してから信号2が消滅するまでの時間が異なるため、矛盾しており、実施例1の方法を用いて動き検出を行った場合と実施例2の方法を用いて動き検出を行った場合とでは、検出される速度(通過時間)が異なる。
【0046】
図16は、実施例3の動き検出の原理を示した図であり、(a)は像がAからB方向へ動いた場合、(b)は像がBからA方向へ動いた場合である。
【0047】
実施例3の動き検出では、以下に述べる5つの条件を満足したときに、動きがあると判定する。図16(a)に示すように、信号2が出力無で信号1が発生し(条件1)、信号1が消滅する前に信号2が発生し(条件2)、信号2が消滅する前に信号1が消滅し(条件3)、信号1が発生する前に信号2が消滅し(条件4)、また、信号1の発生から信号2の発生までの時問Tl(条件1を満たした時点から条件2を満たす時点までの時間)と、信号1の消滅から信号2の消滅までの時間T2(条件3を満たした時点から条件4を満たす時点までの時問)が等しい場合(条件5)、AからB方向への動きと判定し、時間T1(=T2)に基づいて動きの速度を求める。
【0048】
同様にして、同図(b)に示すように、信号1が出力無で信号2が発生し(条件1)、信号2が消滅する前に信号1が発生し(条件2)、信号1が消減する前に信号2が消滅し(条件3)、信号2が発生する前に信号1が消滅し(条件4)、また、信号2の発生から信号1の発生までの時間T1(条件1を満たした時点から条件2を満たす時点までの時間)と、信号2の消滅から信号1の消滅までの時間T2(条件3を満たした時点から条件4を満たす時点までの時問)が等しい場合(条件5)、BからA方向への動きと判定し、時問T1(=T2)に基づいて動きの速度を求める。
【0049】
上述の動き判定の条件1〜4を満足するためには、信号1の1つの波形と信号2の1つの波形のみが時問的重なりをもつことが必要であり、信号1の1つの波形と信号2の複数の波形が時間的な重なりをもつ場合又は信号2の1つの波形と信号1の複数の波形が時間的な重なりをもつ場合には、条件1〜4を満足しない。したがって、信号1と信号2の波形の対応関係が不明確であり、このときは動きを検出しない。また、上記の動き判定の条件1〜4を満足する場合には、信号1と信号2の波形が対応していると仮定できるが、条件5を満足しない場合には、信号1と信号2の波形が対応しているという仮定と矛盾する。したがって、信号1と信号2の波形の対応関係に矛盾があり、このときは動きを検出しない。
【0050】
図17は本実施例3での動き判定回路のブロック図、図18は図17中の回路13の状態遷移図である。図17の回路13は状態数7の非同期式順序回路であり、図18に示したように各状態を遷移する。図18において、S1とS2はそれぞれ信号1と信号2を表し、+と−はそれぞれ発生(ローレベルからハイレベルに変化)と消滅(ハイレベルからローレベルに変化)を表す。図17の回路23はサンプルホールド回路であり、入力2がローレベルからハイレベルに変化したとき入力1の電圧を記憶して出力し、次に入力2がローレベルからハイレベルに変化するまでその出力を保持する。図17の回路33は比較回路であり、入力3がローレベルからハイレベルに変化したとき、入力1と入力2の差が閾値以下なら入力1または入力2をそのまま出力し、閾値以上なら出力なしである。この動き判定回路では、実施例2と同様にスイッチSW23,SW33の出力電圧より動きの方向及び速度を検出することができる。
【0051】
図19〜図26は、実施例3の動き判定回路のタイミングチャートと状態遷移の様子を示した図である。図19と図20は、AからB方向の動きとBからA方向の動きについて、信号1と信号2の波形の対応が明らかな場合の例であり、図に示すように正しく動きを検出することができる。図21〜図22は、信号1と信号2の波形が対応しているという仮定と矛盾が生じる場合の2つの例であり、図に示すようにいずれも動きを検出しない。図23〜図26は、信号1の1つの波形が信号2のn個(n≧2)の波形と時問的重なりをもつ例を4つのパターンに場合分けして示している。信号1と信号2の波形の対応関係が不明確であり、図に示すように、4つのパターンすべて動きを検出しない。
【0052】
実施例3で示した動き判定方法は、実施例1及び実施例2の方法に比べ、動きがあると判定するために満たすべき条件が多く、信号1と信号2の波形の対応関係が不明確であるときや、対応関係に矛盾があるときには、動きを検出しない。したがって本実施例で示した動き検出方法は、検出できる動きの数は少なくなるが、誤検出が少なく、対象物の動きを信頼度よく検出することが可能である。
【0053】
5.実施例3の変形例.
上述の実施例3は、対象物が単純である場合、動きを判定するのに用いる条件を削減することによる変形が可能である。判定条件を削減すると、検出される動きの精度は悪くなるが、対象が単純なときは、信号1と信号2の波形の対応関係が明確である場合が多いため、判定条件を削減しても判定結果に大きな違いはない。動き判定の条件を削減した例を以下に示す。
【0054】
5−2.変形例1.
図27は、実施例3の動き検出の条件1、3、4のみを用いた場合の動き判定回路のブロック図である。また、図28は、図27中の回路13aの状態遷移図である。図示のように、動き判定の条件を削減することにより、順序回路の状態数を削減することができ、回路構成を簡略化することが可能となる。
【0055】
5−3.変形例2.
図36は、実質的には実施例3の動き検出条件の中の2,3,4のみを用いた動き検出装置である。同図において、PDl,PD2,PD3は、光検出器(フォトダイオード)を示す。また、Ml,M2,M3はMOSFETであり、PDl,PD2,PD3とともに、隣り合うフォトダイオードの光電流比を2値化して出力する回路を構成している。E1,E2,E3は、各々PDl,PD2,PD3の受光面での光強度を示す。なお、Ml,M2,M3のゲートの縦横比W/Lは、各々Sl,S2,S3である(図38参照)。
【0056】
図38に、光電流比2値化回路(図36の回路と該図36の回路の出力を入力して処理する図37の回路とで構成される回路)の特性を示す。信号VAと信号VBは、それぞれ本発明の信号1と信号2に対応する負論理の信号である。信号VAが入力する変化検出回路は、信号VAから、本発明の信号1の立上りを示す信号AUP,立下りを示す信号ADN,及び立上りから立下りまでの間を示す信号AWNを作成する回路である。同様に信号VBが入力する変化検出回路は、信号VBから、本発明の信号2の立上りを示す信号BUP,立下りを示す信号BDN,及び立上りから立下りまでの間を示す信号BWNを作成する回路である。
【0057】
図39に図36と図37の回路のタイミングチャートを示す。信号VA(本発明の信号1に対応する)が発生している間に信号VB(本発明の信号2に対応する)が発生してから、信号VA(本発明の信号1に対応する)が再度発生する前に、信号VA(本発明の信号1に対応する)が消滅している状態で信号VB(本発明の信号2に対応する)が消滅したとき、PDlからPD3の方向への動きを検出して信号Gl(負論理)を出力する。また、信号VA(本発明の信号1に対応する)の消滅時に容量Clを充電し、Clの電荷を定電流Ioで放電しながら、前記信号Glが発生したときのClの電荷を容量C2(≪Cl)に転送することで、速度に対応した時間Tを電圧Vleftとして出力する。逆方向(PD3からPD1の方向)の動きについても同様な仕組みで検出し、速度に対応した時間TをVright として出力する。さらに本変形例2では、Vright −Vleftを演算することにより、符号付きの速度をVout に出力する。
本変形例2のように、実施例3の動き検出条件のうち、条件1を省略するとともに、条件2,3,4と実質的に同等の条件を用いることで、回路構成を簡略化した動き検出装置が構成可能である。
【0058】
上述の実施例3の変形例1や変形例2は、VLSIへ集積するときのチップ面積を小さくできるので、例えば、路上の車両の流れや建物出入口での人の出入りを、低コストに検出する応用に於いて、特に有用である。
【0059】
6.実施例4.
実施例4は、信号1の波形と信号2の波形が時問的重なりをもたない場合でも動きを検出することができることを特徴とする動き検出方法及び装置である。構成は概略実施例1と同様であるが、動き判定回路が異なる。
【0060】
実施例1、2、3の方法は、信号1の波形と信号2の波形が時間的重なりをもつとき2つの波形を対応付けてその発生と消滅の関係から動きを検出する方法である。しかし、検出器の間隔が大きい場合や対象物の像の強度変化の度合いが小さい場合、信号1と信号2の波形が時間的に重ならないため、波形の対応付けを行うことができず、動きを検出することができなくなる場合がある。
【0061】
実施例4では、信号1の消滅と信号2の発生が所定時問内に生じたとき、または信号2の消滅と信号1の発生が所定時問内に生じたとき、信号1と信号2の波形の対応付けを行うことにより、信号1の波形と信号2の波形が時間的重なりをもたない場合でも動きを検出することが可能である。
【0062】
図29は、動きの方向や速度の検出原理を示した図である。図29(a)(c)は、像がAからB方向に動いた場合の例、同図(b)(d)は、像がBからA方向に動いた場合の例である。また、同図(a)(b)は信号1と信号2が時間的重なりをもつ場合、同図(c)(d)は、信号1と信号2が時間的重なりをもたない場合である。
【0063】
実施例4の動き判定回路は、図29(a)に示したように、信号2の出力中(ハイレベル状態)に信号1が消滅(ハイレベルからローレベルに変化)したときAからB方向への動きと判定し、信号2の出力中に信号1が消滅した時点から信号2が消滅する時点までの時問Tに基づいてAからB方向への動きの速度を求める。また、図29(b)に示したように、信号1の出力中に信号2が消滅したときBからA方向への動きと判定し、信号1の出力中に信号2が消滅した時点から信号1が消滅する時点までの時問Tに基づいてBからA方向への動きの速度を求める。
【0064】
更に、図29(c)に示したように、信号1の消滅から所定時間以内に信号2が発生(ローレベルからハイレベルに変化)したときAからB方向への動きと判定し、信号1が発生した時点から信号1の消滅から所定時間以内に信号2が発生する時点までの時間Tに基づいてAからB方向への動きの速度を求める。また、図29(d)に示したように、信号2の消滅から所定時間以内に信号1が発生したときBからA方向への動きと判定し、信号2が発生した時点から信号2の消滅から所定時間以内に信号1が発生する時点までの時間Tに基づいてBからA方向への動きの速度を求める。
【0065】
図30は、本実施例4での動き判定回路のブロック図であり、図31は図30中の回路34の状態遷移図である。図30において、回路14,24は入力信号がハイレベルからローレベルに変化したとき所定時問幅のパルスを出力する回路、回路34は状態数5の非同期順序回路であり、図31に示したように各状態を遷移する。図31において、S1とS2はそれぞれ信号1と信号2を表し、+と−はそれぞれ発生(ローレベルからハイレベルに変化)と消滅(ハイレベルからローレベルに変化)を表す。また、R1とR2は、それぞれ信号1と信号2の消滅から所定時間以内であるときハイレベルとなるパルスを表す。この動き判定回路では、実施例2、3と同様にスイッチSW24,SW34の出力電圧より動きの方向及び速度を検出することができる。
【0066】
図32〜図35は、実施例4の動き判定回路のタイミングチャートを示し、図32と図34は、像がAからB方向に動いた場合の例、図33と図35は、像がBからA方向に動いた場合の例である。また、図32と図33は信号1と信号2が時間的重なりをもつ場合、図34と図35は、信号1と信号2が時問的重なりをもたない場合である。図示のように、信号1と信号2が時間的重なりをもつ場合ももたない場合も動きの方向及び速度を検出することができる。
【0067】
実施例4では、信号1の消滅から所定時問内に信号2が発生した場合AからB方向の動きと判定し、または信号2の消滅から所定時間内に信号1が発生した場合BからA方向の動きと判定することにより、信号1と信号2の波形が時問的重なりがない場合も動きを検出することができる。実施例4では時間的定数を用いているため検出できる速度レンジが制限されるという欠点が生じるが、対象物の像の強度変化の度合いが小さい場合や光検出器の間隔が大きい場合でも、より多くの動きを検出することが可能である。
【0068】
【発明の効果】
本発明によると、広い速度レンジで、局所的な動き方向と速度を、安定して高速に検出でき、小規模で低消費電力な、半導体上に集積するのに適した、広い明るさレンジで動作する、動き検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】物体がxの正方向に動いたときの各位置での像の強度(a)と、(a)に関して動きの方向と速度を検出する従来の方法(b)(c)と、本発明の方法(d)〜(f)を示す説明図。
【図2】実施例1の動き検出装置の主要部のブロック図。
【図3】実施例1の動き検出装置に像を結像させる構成の説明図。
【図4】図2内の動き判定回路による動きの方向や速度の検出原理を示す説明図。
【図5】図2内の動き判定回路の構成を示すブロック図。
【図6】図5の動き判定回路での動作を示すタイミングチャート。(a)は像がAからB方向へ動いた場合、(b)は像がBからA方向へ動いた場合を示す。
【図7】実施例1の変形例1の動き検出装置の主要部のブロック図。
【図8】実施例1の変形例2の動き検出装置の主要部のブロック図。
【図9】実施例1の変形例3の動き検出装置の主要部のブロック図。
【図10】実施例1の変形例4の動き検出装置の主要部のブロック図。
【図11】実施例1の変形例5の動き検出装置の主要部のブロック図。
【図12】実施例2の動き判定回路による動きの方向や速度の検出原理を示す説明図。
【図13】実施例2の動き判定回路を示すブロック図。
【図14】図13の動き判定回路での動作を示すタイミングチャート。
【図15】実施例3の動き判定回路による動きの方向や速度の検出原理を示す説明図。
【図16】実施例3の動き判定回路による動きの方向や速度の検出原理を示す説明図。
【図17】実施例3の動き判定回路を示すブロック図。
【図18】図17内の回路1の状態遷移図。
【図19】実施例3の動き判定回路での動作を示すタイミングチャートと状態遷移の様子を示す説明図。
【図20】実施例3の動き判定回路での動作を示すタイミングチャートと状態遷移の様子を示す説明図。
【図21】実施例3の動き判定回路での動作を示すタイミングチャートと状態遷移の様子を示す説明図。
【図22】実施例3の動き判定回路での動作を示すタイミングチャートと状態遷移の様子を示す説明図。
【図23】実施例3の動き判定回路での動作を示すタイミングチャートと状態遷移の様子を示す説明図。
【図24】実施例3の動き判定回路での動作を示すタイミングチャートと状態遷移の様子を示す説明図。
【図25】実施例3の動き判定回路での動作を示すタイミングチャートと状態遷移の様子を示す説明図。
【図26】実施例3の動き判定回路での動作を示すタイミングチャートと状態遷移の様子を示す説明図。
【図27】実施例3の変形例1の動き判定回路を示すブロック図。
【図28】図27内の回路1の状態遷移図。
【図29】実施例4の動き判定回路による動きの方向や速度の検出原理を示す説明図。
【図30】実施例4の動き判定回路を示すブロック図。
【図31】図30内の回路3の状態遷移図。
【図32】実施例4の動き判定回路での動作を示すタイミングチャート。
【図33】実施例4の動き判定回路での動作を示すタイミングチャート。
【図34】実施例4の動き判定回路での動作を示すタイミングチャート。
【図35】実施例4の動き判定回路での動作を示すタイミングチャート。
【図36】実施例3の変形例2の動き検出装置を示すブロック図の一部。
【図37】実施例3の変形例2の動き検出装置を示すブロック図の残部。
【図38】図36の回路の特性を示す特性図。
【図39】図36と図37の回路の動作を示すタイミングチャート。
Claims (1)
- 位置Aの近傍の2箇所に於ける像の強度の違いに基づく2値信号1と、位置Bの近傍の2箇所に於ける像の強度の違いに基づく2値信号2とを用い、信号1と信号2の関係に基づいて、像の動きの方向と動きの速さの少なくとも1つを求めることを特徴とする動き検出装置。
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