JP3723282B2

JP3723282B2 - 測距型全方位視覚センサ

Info

Publication number: JP3723282B2
Application number: JP15989696A
Authority: JP
Inventors: 嶐一岡; 拓一西村
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1996-06-20
Filing date: 1996-06-20
Publication date: 2005-12-07
Anticipated expiration: 2016-06-20
Also published as: JPH109853A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、全方位で目標物までの距離を測定する測距型全方位視覚センサに関し、特にロボットの目として好適な測距型全方位視覚センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
環境を広い視野で撮影した画像系列からなるトボロジー地図（光景地図）を使用し、移動ロボットの誘導を行う場合に、超音波センサなどにより障害物を検知し、光景地図情報から大局的な位置と局所的な位置を推定する提案がなされている（連続ＤＰを利用した移動ロボットの動画像による位置同定、信学報、ｐｐ１３９〜１４４、１９９５等）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら超音波センサが目標物を捕捉できる範囲は限られており、全方位というわけにはいかない。
【０００４】
なお、全方位で目標物を撮影する装置としては反射ミラーを介して全方位の映像を撮像装置に取り込むようにした全方位視覚センサが提案されているが（電子情報通信学会論文誌Ｄ−１１，Ｖｏｌ，Ｊ７９ｄ−１１Ｎｏ．５ｐｐ６９８−７０７１９９６年５月）、距離を測定する方法までは提案していない。
【０００５】
そこで、本発明は、全方位視覚センサを使用して、特定の目標物の距離を測定できる測距型全方位視覚センサを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、請求項１の発明は、撮像装置と、第１の光路および該第１の光路とは異なる第２の光路で前記撮像装置に対して被写体画像を導き、該撮像装置に２つの被写体画像を結像させる光学系と、前記撮像装置において結像された２つの被写体画像の撮像位置から予め定めた対応関係に基づき、被写体までの距離を取得する情報処理手段とを具え、前記光学系は前記被写体画像を反射する円錐ミラーと、該円錐ミラーにより反射した被写体画像と、被写体からの直接の被写体画像とを前記撮像装置に導く魚眼レンズを有することを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１に記載の測距型全方位視覚センサにおいて、前記円錐ミラーは前記撮像装置の光軸上に配置され、前記情報処理手段は、該円錐ミラーそのものの撮影画像領域の中で該円錐ミラーにより反射した被写体画像の撮像位置を検出し、前記撮像装置の光軸に対応する撮像位置と前記反射した被写体画像の撮像位置とを結ぶ直線上で前記直接の被写体画像の撮像位置を検出することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。図１は本発明を適用した測距型全方位センサの構成を示す。図１において５０は目標物、例えば、光源である。光源５０からの光は第１の方向、すなわち、円錐ミラー８、魚眼レンズ７を介してＣＣＤ（個体撮像素子を使用した撮像装置）６に導かれる。光源５０からの光は第２の方向、すなわち、光源５０から直接、魚眼レンズ７に入射され、ＣＣＤ５０に導かれる。また、円錐ミラー８の中心が魚眼レンズ７の中心、すなわち、ＣＣＤ６の光軸に一致するように光学系が構成されている。
【００１２】
このようにして、撮像された光源５０の画像はＣＣＤ６の撮影画面上で図２の符号１０、１１の位置に２つ生じる。１０は円錐ミラー８により反射された光による光源５０の画像である。１１は光源５０から直接魚眼レンズ７を介して導かれた光により生じる画像である。
【００１３】
円錐ミラー８により反射された光の光源画像１０は円錐ミラー８の円錐画像９の中に生じ、光源５０から直接魚眼レンズ７を介して導かれた光により生じる光源画像１１は円錐画像９の外側に存在する。また光源画像１０と、光源画像１１を結ぶ直線は必ず、円錐画像の中心Ｏ（光軸中心に対応）を通るという特徴がある。
【００１４】
本実施例ではこのような特徴に着目して、２つの光源画像１０、１１の円錐画像１０からの距離ｄ１，ｄ２を求めることにより目標物までの距離を求める。
【００１５】
距離Ｌと、画面中の距離ｄ１，ｄ２との対応関係は円錐ミラー８と魚眼レンズ７の光学特性が定まれば、三角測量の技法を使用して数式で表すことができる。また、光源位置５０を３次元空間上の距離が判明している位置複数へ移動させて、そのときの光源位置１０、１１を取得し、実質距離Ｌと、画面内距離１０、１１の対応関係をテーブル形態に装置内に記憶しておくこともできる。
【００１６】
このような測距型全方位視覚センサの制御系の回路構成を図３に示す。図３において、ＣＣＤ６に取り込まれた画像についての１画面分の画像データはアナログ／デジタル信号によりアナログ信号からデジタル信号に変換器６Ａにより変換される。デジタル信号形態の画像データ、より具体的には、画素毎の輝度データは入出力インタフェース（Ｉ／Ｏ）５を介してＣＰＵ（中央演算処理装置）１に転送され、次にＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３に格納される。ＣＰＵ１はＲＯＭ（リードオンリメモリ）２に格納された図４のプログラムに従って、ＲＡＭ３の画像データを使用して距離の計算を行う。その計算結果はＣＰＵ１の制御で表示器４に表示される。
【００１７】
このようなシステムの動作を図４のフローチャートを使用して説明する。電源が投入されると、ＣＰＵ１は距離計算における初期化処理を行う（ステップＳ１０）。次に、ＣＰＵ１はＩ／Ｏ５経由で１画面分の画像データを取り込む（ステップＳ２０）。ＣＰＵ１はＲＡＭ３上の画像データを調べ、まず、円錐ミラー８により反射された光により生じる画像（以下、第１の画像と称する）についての画像データを検出する。より具体的には、円錐ミラー８の外周円の撮影画像領域の位置および大きさは予め初期値として与えられているので、この領域の範囲でしきい値以上の輝度を有する画像データおよびその画素位置を検出する。検出した画素位置はＲＡＭ３に格納される（ステップＳ４０）。
【００１８】
次にＣＰＵ１は被写体から直接、ＣＣＤ６に取り込んだ光の画像（以下、第２の画像と称する）の位置をＲＡＭ３の画像データに基づき検出する。上述したように第２の画像は第１の画像と、円錐ミラー８の画像中心を結ぶ直線上にあり、かつ円錐ミラー８自体の画像の外の領域にあるという特徴がある。ＣＰＵ１はＲＡＭ３上の各画素の画像データについて上述の特徴に合致しているかの判定を行う。これにより上記特徴を満足する第１および第２の画像の画像データおよびその画素位置が検出される。
【００１９】
この画素位置と円錐ミラー８の画像の中心位置との間の距離ｄ１，ｄ２（図２参照）をＣＰＵ１において計算する。また、予め定められている距離計算式、あるいは変換テーブルを使用して、距離ｄ１，ｄ２に対応する距離を取得する（ステップＳ５０）。計算結果は表示器４に表示される（ステップＳ６０）。
【００２０】
以下、ステップＳ２０〜Ｓ６０の処理手順が終了の指示があるまで、繰り返される。
【００２１】
以上、説明したように、本実施例では、全方位視覚センサを使用して距離を測定できるので、ロボットに本実施例を搭載した場合には、単なる、障害物の検知だけでなく、障害物までの衝突時間等を得ることができる。また、従来から知られている、距離測定装置を全方位視覚センサとは別個に搭載する必要もないので、ロボットを小型化できる。また、全方位視覚センサはＣＣＤ６を固定設置できるので、ロボットの首振り動作等が不要であり、ロボット本体の機構を簡素化することも可能である。
【００２２】
本実施例の他に次の例を実施できる。
【００２３】
１）全方位視覚センサで使用する反射部材として本実施例では円錐ミラーを使用しているが、球面ミラー等他の形状のミラーを使用してもよい。
【００２４】
２）本実施例は、同一の光源について２つの光路でＣＣＤ６に光を導くようにしている。このために、本実施例では魚眼レンズ７を使用している。この例に限らず、図５に示すような光学系でも本発明を実現できる。図５の例は、円錐ミラー８とＣＣＤ６の間に曲面ミラー２０を設けている。曲面ミラー２０の中心部には円錐ミラー８の反射光をＣＣＤ６に導くための開口部２１が設けられている。また、光源５０からの光は曲面ミラー２０の外側面で反射されてＣＣＤ６に導かれる。この場合には、点光源５０の画像位置は、１つは曲面ミラー２０の開口部２１の画像領域内に生じ、他の１つは曲面ミラー２１の中の開口部２１を除く領域に生じる。これら領域内だけが光源画像の探索領域となるという利点を有する。
【００２５】
３）本実施例では、発明の説明のために、被写体を点光源で説明したが、被写体は点光源に限ることなく、ある形状を持つもの全てに適用できる。この場合には、２つの光路により生じる２つの画像をパターンマッチングで検出するとよい。なお、画像の位置の特徴は上述した点光源の例と同様である。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、被写体画像について２つの画像を撮像装置において取得することにより、全方位視覚センサでも距離測定が可能となる。
【００２７】
請求項１の発明では、さらに、円錐ミラー１つと魚眼レンズ１つで光学系を構成でき、ロボットのような設置場所に制限を有する装置内に測距型全方位視覚センサを組み込むことができる。
【００２８】
請求項２の発明では、２つの被写体画像の位置特徴を利用して、撮像位置を検出することにより、位置検出精度が高まり、また、検出時間も短くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例の光学系の構成を示す構成図である。
【図２】撮影画像を示す説明図である。
【図３】本発明実施例の制御系の構成を示すブロック図である。
【図４】ＣＰＵ１の処理内容を示すフローチャートである。
【図５】本発明実施例の光学系の他の構成を示す構成図である。
【符号の説明】
１ＣＰＵ
２ＲＯＭ
３ＲＡＭ
４表示器
５Ｉ／Ｏ
６ＣＣＤ
６ＡＡ／Ｄ
７魚眼レンズ
８円錐ミラー
５０光源

Claims

撮像装置と、
第１の光路および該第１の光路とは異なる第２の光路で前記撮像装置に対して被写体画像を導き、該撮像装置に２つの被写体画像を結像させる光学系と、
前記撮像装置において結像された２つの被写体画像の撮像位置から予め定めた対応関係に基づき、被写体までの距離を取得する情報処理手段と
を具え、前記光学系は前記被写体画像を反射する円錐ミラーと、該円錐ミラーにより反射した被写体画像と、被写体からの直接の被写体画像とを前記撮像装置に導く魚眼レンズを有することを特徴とする測距型全方位視覚センサ。
請求項１に記載の測距型全方位視覚センサにおいて、前記円錐ミラーは前記撮像装置の光軸上に配置され、前記情報処理手段は、該円錐ミラーそのものの撮影画像領域の中で該円錐ミラーにより反射した被写体画像の撮像位置を検出し、前記撮像装置の光軸に対応する撮像位置と前記反射した被写体画像の撮像位置とを結ぶ直線上で前記直接の被写体画像の撮像位置を検出することを特徴とする測距型全方位視覚センサ。