JP3733498B2

JP3733498B2 - Infrared image processing distance measuring system

Info

Publication number: JP3733498B2
Application number: JP08476797A
Authority: JP
Inventors: 芳史羽生
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 1997-04-03
Filing date: 1997-04-03
Publication date: 2006-01-11
Anticipated expiration: 2017-04-03
Also published as: JPH10281759A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外線画像処理方式測距システムに関し、さらに詳しくは、パッシブな測距システムであって１台の赤外線ＴＶカメラで得た画像を処理してターゲットまでの距離を測定する赤外線画像処理方式測距システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
パッシブな測距システムであって、赤外線ＴＶカメラを用いてターゲットまでの距離を測定する従来技術としては、２台の赤外線ＴＶカメラを用いて三角測量の原理により距離を測定する測距システムが知られている。
しかし、１台の赤外線ＴＶカメラで得た画像を処理してターゲットまでの距離を測定する測距システムは知られていない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
２台の赤外線ＴＶカメラを用いて三角測量の原理により距離を測定する測距システムでは、２台の赤外線ＴＶカメラが必要であったり、離れた場所に設置した赤外線ＴＶカメラから映像信号を伝送する伝送設備が必要になるなど、設備が大掛かりになる問題点がある。また、設備が大掛かりになるため、車両や船舶や航空機などの移動体に搭載しにくい問題点がある。
そこで、本発明の目的は、パッシブな測距システムであって１台の赤外線ＴＶカメラで得た画像を処理してターゲットまでの距離を測定する赤外線画像処理方式測距システムを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
第１の観点では、本発明は、基準赤外線発生源（１）と、校正時に前記基準赤外線発生源（１）を離れた場所から撮像して校正時画像（ＣＧ）を得ると共に実測時にターゲット（ＴＧ）を撮像して実測時画像（ＭＧ）を得る赤外線ＴＶカメラ（２）と、前記校正時画像（ＣＧ）中の基準赤外線発生源像（１ｇ）から基準赤外線発生源像信号強度Ｐｓを算出すると共に前記実測時画像（ＭＧ）中のターゲット像（ＴＧｇ）からターゲット像信号強度Ｐ_t とターゲット面積Ｓ_t とを算出する画像処理装置（３）と、前記赤外線ＴＶカメラ（２）から前記基準赤外線発生源（１）までの距離Ｒｓと前記基準赤外線発生源像信号強度Ｐｓとに基づいて大気減衰項σを算出するσ計算部（４）と、前記大気減衰項σと前記ターゲット像信号強度Ｐ_t と前記ターゲット面積Ｓ_t とを基にターゲット（ＴＧ）までの距離Ｒ_P を算出する計算処理部（９）とを具備することを特徴とする赤外線画像処理方式測距システム（１００）を提供する。
【０００５】
赤外線ＴＶカメラ（２）で得られた赤外線発生源像信号強度Ｐは、

で表される。ここで、ξは赤外線ＴＶカメラ（２）の変換効率などによる定数項であり、Ｊは赤外線発生源の赤外線放射エネルギーであり、τ_o は赤外線ＴＶカメラ（２）の光学系に起因する定数項であり、これらの積（ξ・Ｊ・τ_o ）を特性値Ｋ₂ で表す。また、Ｒは赤外線ＴＶカメラ（２）から赤外線発生源までの距離であり、σは大気減衰項である。なお、exp｛｝は、指数関数を表す。
上記（式１）の自然対数をとってから変形すれば、
σ＝(１／Ｒ)・ln｛Ｐ・Ｒ²／Ｋ₂｝ …(式２)
となる。なお、ln｛｝は、自然対数関数を表す。
ここで、赤外線発生源が基準赤外線発生源（１）であるなら、距離Ｒは、既知の距離Ｒｓである。また、赤外線発生源像信号強度Ｐは、校正時画像（ＣＧ）中の基準赤外線発生源像（１ｇ）を形成する画素の信号値から画像処理装置（３）で算出される基準赤外線発生源像信号強度Ｐｓである。従って、
σ＝(１／Ｒｓ)・ln｛Ｐｓ・Ｒｓ²／Ｋ₂｝ …(式２')
となり、この（式２’）により、σ計算部（４）は大気減衰項σを算出する。
【０００６】
なお、赤外線放射エネルギーの等しい２台の基準赤外線発生源（１）を既知の距離Ｒs1の位置と既知の距離Ｒs2の位置とに置き、それぞれの基準赤外線発生源像信号強度Ｐs1およびＰs2を画像処理装置（３）で算出し、σ計算部（４）で次式により大気減衰項σを算出してもよい。
σ＝（１／(Ｒs2−Ｒs1)）・ln｛Ｐs1・Ｒs1²／Ｐs2・Ｒs2²｝ …(式２")
上記（式２”）は前記（式２’）から導かれるものであり、これによれば特性値Ｋ₂ を知る必要がなくなる。
【０００７】
次に、赤外線ＴＶカメラ（２）で得られた赤外線発生源像面積Ｓは、
Ｓ＝Ｋ₁・Ｓｏ／Ｒ² …(式３)
で表される。ここで、Ｋ₁ は、赤外線ＴＶカメラ（２）の光学系のパラメータであり、既知である。Ｓｏは、赤外線発生源像の実際の面積である。
上記（式３）の自然対数をとると、
ln｛Ｓ｝＝ln｛Ｋ₁｝＋ln｛Ｓｏ｝−２・ln｛Ｒ｝ …(式４)
となる。さらに、この（式４）を微分すると、
(１／Ｓ)・d/dt｛Ｓ｝＝−２（１／Ｒ）・d/dt｛Ｒ｝ …(式５)
となる。
次に、前記（式１）を微分すると、次式が導出される。
(１／Ｐ)・d/dt｛Ｐ｝＝−（σ＋２／Ｒ）・d/dt｛Ｒ｝ …(式６)
前記（式５）と（式６）とによりd/dt｛Ｒ｝を消去し、変形すると、
Ｒ＝(２／σ)［（d/dt｛Ｐ｝／Ｐ）／（d/dt｛Ｓ｝／Ｓ）−１］ …(式７)
となる。ここで、前記（式２’）または（式２”）によりσ計算部（４）で大気減衰項σは算出されている。そして、赤外線発生源がターゲット（ＴＧ）であるなら、距離Ｒは、ターゲットまでの距離Ｒ_P である。また、赤外線発生源像信号強度Ｐは、実測時画像（ＭＧ）中のターゲット像（ＴＧｇ）を形成する画素の信号値から画像処理装置（３）で算出されるターゲット像信号強度Ｐ_t である。また、赤外線発生源像面積Ｓは、実測時画像（ＭＧ）中のターゲット像（ＴＧｇ）を形成する画素数から画像処理装置（３）で算出されるターゲット像面積Ｓ_t である。従って、
Ｒ_P＝(２／σ)［（d/dt｛Ｐ_t｝／Ｐ_t）／（d/dt｛Ｓ_t｝／Ｓ_t）−１］ …(式７')
となり、この（式７’）により、計算処理部（９）はターゲット（ＴＧ）までの距離Ｒ_P を算出する。なお、上記（式７’）では、d/dt｛Ｐ_t｝やd/dt｛Ｓ_t｝が“０”であってはならないから、赤外線ＴＶカメラ（２）とターゲット（ＴＧ）とが相対移動している必要がある。
【０００８】
上記（式７’）を離散値で表現すれば次のようになる。ここで、ｎは時間間隔Δｔ毎の値を表す。
Ｒ_Pn＝(２／σ)[（ΔＰ_Pn／(Δｔ・Ｐ_Pn)）／（ΔＳ_Pn／(Δｔ・Ｓ_Pn)）−１] …(式７")
Ｐ_Pn＝η・Ｐ_Pn-1＋（１−η）・Ｐ_tn
ΔＰ_Pn＝η・ΔＰ_Pn-1＋（１−η）・ΔＰ_tn
ΔＰ_tn＝Ｐ_tn−Ｐ_tn-1
Ｓ_Pn＝η・Ｓ_Pn-1＋（１−η）・Ｓ_tn
ΔＳ_Pn＝η・ΔＳ_Pn-1＋（１−η）・ΔＳ_tn
ΔＳ_tn＝Ｓ_tn−Ｓ_tn-1
ηは、リカーシブフィルタ（recursive filter）のフィルタ長を変化させるための係数であり、η＝０の場合がフィルタ長が最も短く、η＝１に近付くにつれてフィルタ長が長くなる。
【０００９】
第２の観点では、本発明は、ターゲット（ＴＧ）を撮像して実測時画像（ＭＧ）を得る赤外線ＴＶカメラ（２）と、前記実測時画像（ＭＧ）中のターゲット像（ＴＧｇ）からターゲット像信号強度Ｐ_t とターゲット面積Ｓ_t とを算出する画像処理装置（３）と、大気減衰項σと前記ターゲット像信号強度Ｐ_t と前記ターゲット面積Ｓ_t とを基にターゲット（ＴＧ）までの距離Ｒ_P を算出する計算処理部（９）とを具備することを特徴とする赤外線画像処理方式測距システム（１００）を提供する。
他の装置で計測した大気減衰項σを通信装置を介して受信したり、入力装置を介して受け取るようにすれば、大気減衰項σを測距システム（１００）が自ら計測する必要はない。そこで、大気減衰項σを計測するための構成を前記第１の観点の測距システム（１００）から省略した上記第２の観点の測距システム（１００）でも、ターゲット（ＴＧ）までの距離Ｒ_P を算出することが出来る。そして、上記第２の観点の測距システム（１００）は、携帯可能な程度まで小型化することが出来る。
【００１０】
第３の観点では、本発明は、上記構成の赤外線画像処理方式測距システム（１００）において、前記赤外線ＴＶカメラ旋回角度Ａｚを出力する旋回角度センサ（６）と、赤外線ＴＶカメラ俯仰角度Ｅ_L を出力する俯仰角度センサ（７）とをさらに具備し、前記画像処理装置（３）は、実測時画像（ＭＧ）中のターゲット像（ＴＧｇ）からターゲット相対旋回角度ΔＡｚとターゲット相対俯仰角度ΔＥL とを算出し、前記計算処理部（９）は、前記距離Ｒ_P と前記ターゲット面積Ｓt と前記赤外線ＴＶカメラ旋回角度Ａｚと前記赤外線ＴＶカメラ俯仰角度Ｅ_L と前記ターゲット相対旋回角度ΔＡｚと前記ターゲット相対俯仰角度ΔＥ_L とを基にターゲット（ＴＧ）の速度Ｖｔを算出することを特徴とする赤外線画像処理方式測距システム（１００）を提供する。
実施態様において詳細に説明するが、赤外線ＴＶカメラ旋回角度Ａｚと赤外線ＴＶカメラ俯仰角度Ｅ_L とターゲット相対旋回角度ΔＡｚとターゲット相対俯仰角度ΔＥ_L とが判れば、赤外線ＴＶカメラ（２）からターゲット（ＴＧ）へのベクトルの、直交する３つの空間座標軸への方向余弦λ，μ，νが判る。そして、これら方向余弦λ，μ，νと距離Ｒ_P とターゲット面積Ｓ_t とを基に、後述する（式13）から、ターゲット（ＴＧ）の速度Ｖｔを算出することが出来る。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態にかかる赤外線画像処理方式測距システム（１００）の構成図である。
この赤外線画像処理方式測距システム（１００）は、基準赤外線発生源（１）と、赤外線ＴＶカメラ（２）と、画像処理装置（３）と、σ計算部（４）と、２軸プラットホーム（５）と、旋回角度センサ（６）と、俯仰角度センサ（７）と、変換部（８）と、計算処理部（９）とを具備している。
【００１３】
前記基準赤外線発生源（１）は、前記赤外線ＴＶカメラ（２）から既知の距離Ｒｓの位置に設置されている。
前記赤外線ＴＶカメラ（２）は、校正時に前記基準赤外線発生源（１）を撮像して図２に示すごとき校正時画像（ＣＧ）を得ると共に、実測時にターゲット（ＴＧ）を撮像して図３に示すごとき実測時画像（ＭＧ）を得る。
前記画像処理装置（３）は、校正時画像（ＣＧ）中の基準赤外線発生源像（１ｇ）を形成する画素の信号値を積算して基準赤外線発生源像信号強度Ｐｓを算出する。また、フレーム毎に実測時画像（ＭＧ）中のターゲット像（ＴＧｇ）を形成する画素の信号値を積算してターゲット像信号強度Ｐ_tnを算出する。また、フレーム毎に実測時画像（ＭＧ）中のターゲット像（ＴＧｇ）を形成する画素数を計数してターゲット面積Ｓ_tnを算出する。また、フレーム毎に実測時画像（ＭＧ）のセンターからのターゲット像（ＴＧｇ）の重心のずれを検出してターゲット相対旋回角度ΔＡ_znとターゲット相対俯仰角度ΔＥ_Lnとを算出する。
【００１４】
前記σ計算部（４）は、前記基準赤外線発生源（１）および前記赤外線ＴＶカメラ（２）の特性で決まる特性値Ｋ₂ および両者間の距離Ｒｓと前記基準赤外線発生源像信号強度Ｐｓとから前記（式２’）により大気減衰項σを算出する。すなわち、
σ＝(１／Ｒｓ)・ln｛Ｐｓ・Ｒｓ²／Ｋ₂｝ …(式２')
である。
【００１５】
前記２軸プラットホーム（５）は、水平面および垂直面内で向きを変えられるように赤外線ＴＶカメラ（２）を支持する。
前記旋回角度センサ（６）は、赤外線ＴＶカメラ（２）の水平面内での向きである赤外線ＴＶカメラ旋回角度Ａｚを出力する。
前記俯仰角度センサ（７）は、赤外線ＴＶカメラ（２）の垂直面内での向きである赤外線ＴＶカメラ俯仰角度Ｅ_L を出力する。
【００１６】
前記変換部（８）は、前記赤外線ＴＶカメラ旋回角度Ａｚと前記ターゲット相対旋回角度ΔＡ_znの和（Ａｚ＋ΔＡ_zn）を入力される。この和（Ａｚ＋ΔＡ_zn）は、図４に示すように、ターゲット旋回角度を意味する。また、変換部（８）は、前記赤外線ＴＶカメラ俯仰角度Ｅ_L と前記ターゲット相対俯仰角度ΔＥ_Lnの和（Ｅ_L ＋ΔＥ_Ln）を入力される。この和（Ｅ_L ＋ΔＥ_Ln）は、図４に示すように、ターゲット俯仰角度を意味する。そして、前記変換部（８）は、入力されたターゲット旋回角度（Ａｚ＋ΔＡ_zn）およびターゲット俯仰角度（Ｅ_L ＋ΔＥ_Ln）を、図５に示す幾何学的関係に基づき、赤外線ＴＶカメラ（２）からターゲット（ＴＧ）へのベクトルΨの、直交する３つの空間座標軸ｘ，ｙ，ｚへの方向余弦λ_n，μ_n，ν_n に変換する。
【００１７】
前記計算処理部（９）は、前記大気減衰項σと前記ターゲット像信号強度Ｐ_tnと前記ターゲット面積Ｓ_tnとを基に前記（式７”）によりターゲット（ＴＧ）までの距離Ｒ_Pnを算出する。すなわち、

である。
【００１８】
また、計算処理部（９）は、ターゲット（ＴＧ）が赤外線ＴＶカメラ（２）に向かってくる接近速度Ｖｃ_Pnを次式により算出する。すなわち、
Ｖｃ_Pn＝[（ΔＳ_Pn／(Δｔ・Ｓ_Pn)）−（ΔＰ_Pn／(Δｔ・Ｐ_Pn)）]／σ
…(式８)上記（式８）は、次の一般式を離散的に表現した式である。
Ｖｃ＝d/dt｛Ｒ｝＝（d/dt｛Ｓ｝／Ｓ−d/dt｛Ｐ｝／Ｐ）／σ …(式８')上記（式８’）は、前記（式５），（式６）からＲを消去して導かれる。
【００１９】
また、計算処理部（９）は、ターゲット（ＴＧ）の速度Ｖｔ_Pnを次式により算出する。

なお、sqrt｛｝は、平方根関数を表す。
【００２０】
また、計算処理部（９）は、ターゲット（ＴＧ）の速度ベクトルの、直交する３つの空間座標軸ｘ，ｙ，ｚへの方向余弦λｖ_Pn，μｖ_Pn，νｖ_Pnを、
λｖ_Pn＝Ａ_Pn・sqrt｛Ａ_Pn ²＋Ｂ_Pn ²＋Ｃ_Pn ²｝
μｖ_Pn＝Ｂ_Pn・sqrt｛Ａ_Pn ²＋Ｂ_Pn ²＋Ｃ_Pn ²｝
νｖ_Pn＝Ｃ_Pn・sqrt｛Ａ_Pn ²＋Ｂ_Pn ²＋Ｃ_Pn ²｝ …(式10)
により算出する。
【００２１】
上記（式９），（式10）は、次のようにして導かれる。
図６に示すように、直交する３つの空間座標軸ｘ，ｙ，ｚ上の単位ベクトルをｉ，ｊ，ｋとするとき、赤外線ＴＶカメラ（２）からターゲット（ＴＧ）への前記ベクトルΨは、
Ψ＝ｉ・Ｒ_P・λ＋ｊ・Ｒ_P・μ＋ｋ・Ｒ_P・ν …(式11)
である。
速度ベクトルは、（式11）を微分したものであり、

となる。前記（式５）でＳ＝Ｓ_t，Ｒ＝Ｒ_Pとし、それを用いて上記（式12）からd/dt｛Ｒ_P｝を消去すると、
Ａ＝d/dt｛λ｝−(１／２Ｓ_t)・d/dt｛Ｓ_t｝
Ｂ＝d/dt｛μ｝−(１／２Ｓ_t)・d/dt｛Ｓ_t｝
Ｃ＝d/dt｛ν｝−(１／２Ｓ_t)・d/dt｛Ｓ_t｝
d/dt｛Ψ｝＝ｉ・Ｒ_P・Ａ＋ｊ・Ｒ_P・Ｂ＋ｋ・Ｒ_P・Ｃ
Ｖｔ＝｜d/dt｛Ψ｝｜＝Ｒ_P・sqrt｛Ａ²＋Ｂ²＋Ｃ²｝ …(式13)
が得られる。上記（式９）は、上記（式13）を離散的に表現した式である。
また、速度ベクトル d/dt｛Ψ｝の方向余弦λｖ，μｖ，νｖは、次式で与えられる。
λｖ＝Ａ／sqrt｛Ａ²＋Ｂ²＋Ｃ²｝
μｖ＝Ｂ／sqrt｛Ａ²＋Ｂ²＋Ｃ²｝
νｖ＝Ｃ／sqrt｛Ａ²＋Ｂ²＋Ｃ²｝ …(式14)
上記（式10）は、上記（式14）を離散的に表現した式である。
【００２２】
以上の赤外線画像処理方式測距システム（１００）によれば、１台の赤外線ＴＶカメラ（２）で得た画像を処理して、ターゲット（ＴＧ）までの距離Ｒ_pn、赤外線ＴＶカメラ（２）に向かってくる接近速度Ｖｃ_Pn、ターゲット（ＴＧ）の速度Ｖｔ_Pnおよびターゲット（ＴＧ）の速度ベクトルの方向余弦λｖ_Pn，μｖ_Pn，νｖ_Pnを測定することが出来る。
【００２３】
なお、前記（式６）において、σは例えば０．１くらいであるから、Ｒ＞１０００メートルならば、σ》２／Ｒとなり、
(１／Ｐ)・d/dt｛Ｐ｝≒−σ・d/dt｛Ｒ｝ …(式６')
となる。（式６）の代りに（式６’）を用いれば、近距離では精度が低下するが、演算は簡単になる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の赤外線画像処理方式測距システム（１００）によれば、１台の赤外線ＴＶカメラ（２）で得た画像（ＭＧ）を処理してターゲット（ＴＧ）までの距離Ｒ_p をパッシブに測定することが出来る。また、複数台の赤外線ＴＶカメラを必要としないから、設備を小型化できる。従って、移動体に搭載したり、人が携帯することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる赤外線画像処理方式測距システムを示す構成図である。
【図２】校正時画像の例示図である。
【図３】実測時画像の例示図である。
【図４】ターゲット旋回角度とターゲット俯仰角度の説明図である。
【図５】赤外線ＴＶカメラからターゲットへのベクトルの方向余弦の説明図である。
【図６】空間座標上の単位ベクトルの説明図である。
【符号の説明】
１００赤外線画像処理方式測距システム
１基準赤外線発生源
２赤外線ＴＶカメラ
３画像処理装置
４ σ計算部
５２軸プラットホーム
６旋回角度センサ
７俯仰角度センサ
８変換部
９計算処理部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an infrared image processing distance measuring system, and more particularly, to a passive distance measuring system that measures the distance to a target by processing an image obtained by one infrared TV camera. It relates to a ranging system.
[0002]
[Prior art]
As a conventional distance measuring system that measures the distance to a target using an infrared TV camera, a distance measuring system that measures distance based on the principle of triangulation using two infrared TV cameras is known. It has been.
However, there is no known distance measuring system that processes the image obtained by one infrared TV camera and measures the distance to the target.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
A distance measuring system that uses two infrared TV cameras to measure the distance based on the principle of triangulation requires two infrared TV cameras or transmits video signals from infrared TV cameras installed at remote locations. There is a problem that the equipment becomes large, such as the need for transmission equipment. Moreover, since the facilities are large, there is a problem that it is difficult to mount on a moving body such as a vehicle, a ship, or an aircraft.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an infrared image processing type distance measuring system which is a passive distance measuring system and measures the distance to a target by processing an image obtained by one infrared TV camera. .
[0004]
[Means for Solving the Problems]
In a first aspect, the present invention provides a reference infrared ray generation source (1) and a reference infrared ray generation source (1) that is imaged from a remote location during calibration to obtain a calibration image (CG) and a target ( A reference infrared source image signal intensity Ps is calculated from an infrared TV camera (2) that captures a TG) and obtains an actual measurement image (MG), and a reference infrared source image (1g) in the calibration image (CG). wherein the actually measured during image (MG) target image in an image processing apparatus for calculating a target image signal from (TGg) intensity P _t and the target area S _t (3), wherein the reference from the infrared TV camera (2) as well as An σ calculating section (4) for calculating an atmospheric attenuation term σ based on the distance Rs to the infrared generation source (1) and the reference infrared generation source image signal intensity Ps; the atmospheric attenuation term σ and the target image signal intensity; said the P _t data Be provided with calculation processing section based on the target area S _t to calculate the distance R _P to the target (TG) and (9) provides an infrared imaging system ranging system (100), characterized in.
[0005]
The infrared source image signal intensity P obtained by the infrared TV camera (2) is

It is represented by Here, ξ is a constant term due to the conversion efficiency of the infrared TV camera (2), J is the infrared radiation energy of the infrared generation source, and τ _o is a constant term due to the optical system of the infrared TV camera (2). These products (ξ · J · τ _o ) are represented by characteristic value K ₂ . R is the distance from the infrared TV camera (2) to the infrared radiation source, and σ is the atmospheric attenuation term. Note that exp {} represents an exponential function.
If the natural logarithm of (Equation 1) above is taken and then transformed,
σ = (1 / R) · ln {P · R ² / K ₂ } (Formula 2)
It becomes. Note that ln {} represents a natural logarithmic function.
Here, if the infrared ray generation source is the reference infrared ray generation source (1), the distance R is a known distance Rs. The infrared source image signal intensity P is a reference infrared source image calculated by the image processing device (3) from the signal value of the pixel forming the reference infrared source image (1g) in the calibration image (CG). Signal strength Ps. Therefore,
σ = (1 / Rs) · ln {Ps · Rs ² / K ₂ } (Formula 2 ′)
From this (Equation 2 ′), the σ calculator (4) calculates the atmospheric attenuation term σ.
[0006]
Two reference infrared ray generation sources (1) having the same infrared radiation energy are placed at a position of a known distance Rs1 and a position of a known distance Rs2, and the respective reference infrared ray source image signal intensities Ps1 and Ps2 are subjected to image processing. It may be calculated by the device (3), and the atmospheric attenuation term σ may be calculated by the following equation by the σ calculation unit (4).
σ = (1 / (Rs2−Rs1)) · ln {Ps1 · Rs1 ² / Ps2 · Rs2 ² } (Formula 2 ″)
The above (Expression 2 ″) is derived from the (Expression 2 ′), and according to this, it is not necessary to know the characteristic value K ₂ .
[0007]
Next, the infrared source image area S obtained by the infrared TV camera (2) is:
S = K ₁ · So / R ² (Formula 3)
It is represented by Here, K ₁ is a parameter of the optical system of the infrared TV camera (2) and is known. So is the actual area of the infrared source image.
Taking the natural logarithm of (Equation 3) above,
ln {S} = ln {K ₁ } + ln {So} −2 · ln {R} (Formula 4)
It becomes. Furthermore, when this (Equation 4) is differentiated,
(1 / S) · d / dt {S} = − 2 (1 / R) · d / dt {R} (Formula 5)
It becomes.
Next, when the above (Formula 1) is differentiated, the following formula is derived.
(1 / P) · d / dt {P} = − (σ + 2 / R) · d / dt {R} (Expression 6)
When d / dt {R} is eliminated and transformed by (Equation 5) and (Equation 6),
R = (2 / σ) [(d / dt {P} / P) / (d / dt {S} / S) −1] (Expression 7)
It becomes. Here, the atmospheric attenuation term σ is calculated by the σ calculator (4) by the above (Expression 2 ′) or (Expression 2 ″). If the infrared ray generation source is the target (TG), the distance R is , The distance R _P to the target, and the infrared source image signal intensity P is calculated by the image processing device (3) from the signal value of the pixel forming the target image (TGg) in the actual measurement image (MG). a target image signal intensity P _t is. the infrared source image area S is calculated by the image processing apparatus (3) from the number of pixels forming the target image of the measured time of the image (MG) (TGg) a target image area S _t. Therefore,
R _P = (2 / σ) [(d / dt {P _t } / P _t ) / (d / dt {S _t } / S _t ) −1] (Expression 7 ′)
From this (Equation 7 ′), the calculation processing section (9) calculates the distance R _P to the target (TG). In the above (Formula 7 ′), since d / dt {P _t } and d / dt {S _t } must not be “0”, the infrared TV camera (2) and the target (TG) are relative to each other. Must be moving.
[0008]
The above (formula 7 ′) is expressed as a discrete value as follows. Here, n represents a value for each time interval Δt.
R _Pn = (2 / σ) [(ΔP _Pn / (Δt · P _Pn )) / (ΔS _Pn / (Δt · S _Pn )) − 1] (Formula 7 ″)
P _Pn = η · P _Pn-1 + (1-η) · P _tn
ΔP _Pn = η · ΔP _Pn-1 + (1-η) · ΔP _tn
ΔP _tn = P _tn -P _tn-1
S _Pn = η · S _Pn-1 + (1-η) · S _tn
ΔS _Pn = η · ΔS _Pn-1 + (1-η) · ΔS _tn
ΔS _tn = S _tn -S _tn-1
η is a coefficient for changing the filter length of the recursive filter. The filter length is the shortest when η = 0, and the filter length becomes longer as η = 1 is approached.
[0009]
In a second aspect, the present invention relates to an infrared TV camera (2) that captures a target (TG) and obtains an actual measurement image (MG), and a target image (TGg) in the actual measurement image (MG). an image processing apparatus for calculating the image signal strength P _t and the target area S _t (3), of the basis of the atmospheric attenuation term σ and the target image signal strength P _t and the target area S _t to the target (TG) distance to provide an infrared imaging system ranging system (100), characterized in that it comprises calculation processing unit for calculating the R _P and (9).
If the atmospheric attenuation term σ measured by another device is received via a communication device or received via an input device, the ranging system (100) does not need to measure the atmospheric attenuation term σ by itself. Therefore, the distance R to the target (TG) is also obtained in the distance measuring system (100) according to the second aspect in which the configuration for measuring the atmospheric attenuation term σ is omitted from the distance measuring system (100) according to the first aspect. _P can be calculated. The distance measuring system (100) according to the second aspect can be downsized to the extent that it can be carried.
[0010]
In a third aspect, the present invention provides the infrared image processing system ranging system of the above configuration (100), wherein the infrared TV camera rotation angle sensor for outputting a turning angle Az (6), the infrared TV cameras elevation angle E _L The image processing device (3) further outputs a target relative turning angle ΔAz and a target relative elevation angle ΔEL from the target image (TGg) in the actual measurement image (MG). calculates, the calculation processing unit (9), the distance R _P and the target area St and the infrared TV camera rotation angle Az and the infrared TV camera elevation angle E _L and the target relative rotation angle ΔAz and the target relative infrared imaging system ranging system, characterized in that based on the elevation angle Delta] E _L calculates the velocity Vt of the target (TG) (100) Subjected to.
As will be described in detail in the embodiment, if the infrared TV camera turning angle Az, the infrared TV camera elevation angle E _L , the target relative turning angle ΔAz, and the target relative elevation angle ΔE _L are known, the infrared TV camera (2) can detect the target ( The direction cosines λ, μ, ν of the vector to (TG) to three orthogonal space coordinate axes are known. Then, these direction cosines lambda, mu, based on the ν and distance R _P and the target area S _t, a later-described (Equation 13), it is possible to calculate the speed Vt of the target (TG).
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to embodiments shown in the drawings. Note that the present invention is not limited thereby.
[0012]
FIG. 1 is a configuration diagram of an infrared image processing distance measuring system (100) according to an embodiment of the present invention.
This infrared image processing distance measuring system (100) includes a reference infrared light source (1), an infrared TV camera (2), an image processing device (3), a σ calculator (4), and a biaxial platform ( 5), a turning angle sensor (6), an elevation angle sensor (7), a conversion unit (8), and a calculation processing unit (9).
[0013]
The reference infrared radiation source (1) is installed at a known distance Rs from the infrared TV camera (2).
The infrared TV camera (2) images the reference infrared radiation source (1) at the time of calibration to obtain a calibration image (CG) as shown in FIG. 2, and also images the target (TG) at the time of actual measurement. An actual measurement image (MG) as shown in FIG.
The image processing device (3) calculates the reference infrared source image signal intensity Ps by integrating the signal values of the pixels forming the reference infrared source image (1g) in the calibration image (CG). Further, the target image signal intensity P _tn is calculated by integrating the signal values of the pixels forming the target image (TGg) in the actual measurement image (MG) for each frame. Moreover, to calculate the target area S _tn counts the number of pixels forming the target image of the measured time of the image (MG) for each frame (TGg). In addition, a shift in the center of gravity of the target image (TGg) from the center of the actual measurement image (MG) is detected for each frame to calculate the target relative turning angle ΔA _zn and the target relative elevation angle ΔE _Ln .
[0014]
The σ calculator (4) includes a characteristic value K ₂ determined by characteristics of the reference infrared generation source (1) and the infrared TV camera (2), a distance Rs between them, and the reference infrared generation source image signal intensity Ps. The atmospheric attenuation term σ is calculated from the above (Equation 2 ′). That is,
σ = (1 / Rs) · ln {Ps · Rs ² / K ₂ } (Formula 2 ′)
It is.
[0015]
The biaxial platform (5) supports the infrared TV camera (2) so that its orientation can be changed in a horizontal plane and a vertical plane.
The turning angle sensor (6) outputs an infrared TV camera turning angle Az which is the direction of the infrared TV camera (2) in the horizontal plane.
The elevation angle sensor (7) outputs an infrared TV camera elevation angle E _L which is a direction in a vertical plane of the infrared TV camera (2).
[0016]
The conversion unit (8) receives the sum (Az + ΔA _zn ) of the infrared TV camera turning angle Az and the target relative turning angle ΔA _zn . This sum (Az + ΔA _zn ) means the target turning angle as shown in FIG. Further, the conversion unit (8) receives the sum (E _L + ΔE _Ln ) of the infrared TV camera elevation angle E _L and the target relative elevation angle ΔE _Ln . This sum (E _L + ΔE _Ln ) means the target elevation angle as shown in FIG. Then, the conversion unit (8) converts the inputted target turning angle (Az + ΔA _zn ) and target elevation angle (E _L + ΔE _Ln ) from the infrared TV camera (2) based on the geometrical relationship shown in FIG. The vector Ψ to the target (TG) is converted into direction cosines λ _n , μ _n , and ν _n to three orthogonal spatial coordinate axes x, y, and z.
[0017]
The calculation processing unit (9) calculates the distance R _Pn to the target (TG) by the above (formula 7 ″) based on the atmospheric attenuation term σ, the target image signal intensity P _tn, and the target area S _tn. That is,

It is.
[0018]
Further, the calculation processing unit (9) calculates an approach speed Vc _{Pn at} which the target (TG) comes toward the infrared TV camera (2) by the following equation. That is,
Vc _Pn = [(ΔS _Pn / (Δt · S _Pn )) − (ΔP _Pn / (Δt · P _Pn ))] / σ
(Expression 8) The above (Expression 8) is an expression expressing the following general expression discretely.
Vc = d / dt {R} = (d / dt {S} / Sd / dt {P} / P) / σ (Expression 8 ′) The above (Expression 8 ′) R is derived from (Equation 6).
[0019]
Further, the calculation processing unit (9) calculates the speed Vt _Pn of the target (TG) by the following equation.

Note that sqrt {} represents a square root function.
[0020]
Further, the calculation processing unit (9) calculates the direction cosines λv _Pn , μv _Pn , and νv _Pn of the velocity vector of the target (TG) to the three orthogonal space coordinate axes x, y, and z,
λv _Pn = A _Pn · sqrt {A _Pn ² + B _Pn ² + C _Pn ² }
μv _Pn = B _Pn · sqrt {A _Pn ² + B _Pn ² + C _Pn ² }
νv _Pn = C _Pn · sqrt {A _Pn ² + B _Pn ² + C _Pn ² } (Formula 10)
Calculated by
[0021]
The above (Formula 9) and (Formula 10) are derived as follows.
As shown in FIG. 6, when unit vectors on three orthogonal coordinate axes x, y, and z are i, j, and k, the vector Ψ from the infrared TV camera (2) to the target (TG) is
Ψ = i · R _P · λ + j · R _P · μ + k · R _P · ν (Formula 11)
It is.
The velocity vector is a derivative of (Equation 11),

It becomes. When S = S _t and R = R _{P in} (Equation 5) and d / dt {R _P } is deleted from (Equation 12) using the above,
A = d / dt {λ} − (1 / 2S _t ) · d / dt {S _t }
B = d / dt {μ} − (1 / 2S _t ) · d / dt {S _t }
C = d / dt {ν}-(1 / 2S _t ) · d / dt {S _t }
d / dt {Ψ} = i, R _P , A + j, R _P , B + k, R _P , C
Vt = | d / dt {Ψ} | = R _P · sqrt {A ² + B ² + C ² } (Formula 13)
Is obtained. The above (Expression 9) is an expression that discretely expresses the above (Expression 13).
Further, the direction cosines λv, μv, νv of the velocity vector d / dt {Ψ} are given by the following equations.
λv = A / sqrt {A ² + B ² + C ² }
μv = B / sqrt {A ² + B ² + C ² }
νv = C / sqrt {A ² + B ² + C ² } (Formula 14)
The above (Expression 10) is an expression discretely expressing the above (Expression 14).
[0022]
According to the above infrared image processing distance measuring system (100), an image obtained by one infrared TV camera (2) is processed to obtain a distance R _pn to the target (TG), an infrared TV camera (2). It is possible to measure the approaching velocity Vc _Pn , the target (TG) velocity Vt _Pn and the target (TG) velocity vector direction cosines λv _Pn , μv _Pn , and νv _Pn .
[0023]
In the above (Expression 6), σ is about 0.1, for example, so if R> 1000 meters, σ >> 2 / R,
(1 / P) · d / dt {P} ≈−σ · d / dt {R} (Formula 6 ′)
It becomes. If (Expression 6 ′) is used instead of (Expression 6), the accuracy decreases at a short distance, but the calculation becomes simple.
[0024]
【The invention's effect】
According to the infrared image processing system Focusing system of the present invention (100), measuring the distance R _p to the target by processing the image (MG) obtained in a single infrared TV camera (2) (TG) in the passive I can do it. Moreover, since a plurality of infrared TV cameras are not required, the equipment can be reduced in size. Therefore, it can be mounted on a mobile body or carried by a person.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an infrared image processing distance measuring system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing an example of a calibration image.
FIG. 3 is an illustration of an actual measurement image.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a target turning angle and a target elevation angle.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a direction cosine of a vector from an infrared TV camera to a target.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a unit vector on spatial coordinates.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Infrared image processing system ranging system 1 Reference | standard infrared ray generation source 2 Infrared TV camera 3 Image processing apparatus 4 (sigma) calculation part 5 2-axis platform 6 Turning angle sensor 7 Elevation angle sensor 8 Conversion part 9 Calculation processing part

Claims

A reference infrared light source (1) and a reference image (CG) are taken from a location away from the reference infrared light source (1) during calibration to obtain a calibration image (CG). MG) and the reference infrared source image signal intensity Ps is calculated from the reference infrared source image (1g) in the calibration image (CG) and the actual measurement image (MG). distance Rs from the target image (TGg) image processing apparatus for calculating a target image signal strength P _t and the target area S _t and (3), to the infrared TV the reference IR source from the camera (2) (1) and the reference IR source image signal strength Ps and σ calculating unit for calculating the atmospheric attenuation section σ based on the (4), wherein the air damping term σ and the target image signal strength P _t and the target area S _t Based on Get infrared image processing system Focusing system characterized by comprising calculation processing unit for calculating the distance R _P to the (TG) and (9) (100).

Target and infrared TV camera (TG) by imaging the obtaining measured during image (MG) (2), the target image signal strength from the target image (TGg) of the actual time of the image (MG) P _t and the target area S _t the image processing apparatus (3) and the calculation processing unit for calculating the distance R _P of the base and the air damping term σ and the target image signal strength P _t and the target area S _t to the target (TG) for calculating bets ( 9) An infrared image processing distance measuring system (100).

In the infrared image processing system Focusing system according to claim 1 or claim 2 (100), wherein the infrared TV camera rotation angle sensor for outputting a turning angle Az (6), and outputs the infrared TV camera elevation angle E _L elevation angle sensor (7) and further comprising said image processing device (3) is calculated from the target image of the measured time of the image (MG) (TGg) the target relative rotation angle ΔAz and the target relative elevation angle Delta] E _L and, wherein the calculation processing unit (9), the distance R _P and the target area S _t to the infrared TV camera rotation angle Az and the infrared TV camera elevation angle E _L and the target relative rotation angle ΔAz and the target relative derricking An infrared image processing distance measuring system (100), characterized in that a velocity (Vt) of a target (TG) is calculated based on an angle ΔE _L.