JP4164402B2 - 赤外イメージングシステムを有するビークル - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はモータビークル（以下、自動車という）用イメージングシステムに関し、特に、温度に基づいて道路状況を視覚的に強調するために、検出した赤外放射をディジタル信号プロセッサによって処理するイメージングシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
夕暮れの後の、潜在的に問題が多い状況である夜間に走行しようとすると、多くの原因から視界が悪化する。典型的な運転者は、夕暮れ後の殆どのドライビング状態においてロービーム前照灯（ヘッドライト）を使用する。しかしながら、ロービームの照射距離は限られており、前方の道路の比較的小さい部分を照明するに過ぎない。更に、殆どの運転者は、対向車の前照灯によって生ずる一時的な盲目効果を経験している。湿潤状態では、道路の表面が反射性になるために光の散乱を悪化させる。雨、雪、霧、及び他の型の荒れ模様の天候は、夜間における見え方を更に制限する。
【０００３】
夜間の見え方が悪化することを理解しているエンジニアは、普通では人間の眼には見えない放射を検出することを含む他の視認手段に目を転じた。全ての物体は、多かれ少なかれ放射を放出し、反射させる。物体と、その物体が放出する放射の波長との間には相関が存在し、これは黒体放射として知られる原理である。普通経験するような０°乃至50°Cの温度を有する物体の場合、放出される放射はスペクトルの赤外帯内にある。たとえある物体が可視光を反射しなくとも、その物体は赤外光を放出する可能性がある。科学者及びエンジニアは、赤外放射を検出し、それによって普通では見ることができない物体を視覚化できるようにした手段、即ちナイトビジョンシステムを開発した。
【０００４】
このようなナイトビジョンシステムの１つは、熱イメージングとして知られるものである。軍用に開発された熱イメージングは、民生用自動車市場に使用するには高価過ぎ、扱い憎いものと考えられていた。しかしながら、最近のエレクトロニクス及び赤外検出器の進歩により、民生用自動車におけるナイトビジョンの使用がより容易になり、今日では少なくとも１つの製造者が自動車内に熱イメージングシステムを採り入れている。
【０００５】
受動イメージングシステム及び能動イメージングシステムが存在している。受動システムは、物体から放出された放射を検出する点が人間の眼に似ていないこともない。一方、能動システムは、放射を投射し、物体から反射したその放射を検出する。受動システムは、能動システムに対して幾つかの長所を有している。最も重要なことは、受動システムが自動車から如何なる種類の放射も投射せず、従って周囲の環境に、または他の自動車のイメージングシステムに干渉しないことである。遠赤外カメラは受動システムの一例であり、この赤外カメラが本発明に使用されるカメラである。
【０００６】
一般的に、遠赤外カメラは、７乃至14ミクロンの波長帯の放射を検出する。この波長帯は、自動車エンジニアにとって関心がある全ての物体をカバーする約20°乃至50°Cの温度範囲に対応する。例えば、人間の身体はその約37°Cの体温に対応する約9.3ミクロンのピーク放出を有している。
【０００７】
民生用自動車熱イメージングシステムは、ジェネラルモーターズのキャディラックデビル熱イメージングナイトビジョンシステムによって代表される。このキャディラックシステムは、熱イメージングカメラ、ヘッドアップディスプレイ、及びイメージ制御装置からなる。他の熱イメージングシステムとして、キャディラックは、赤外データを捕捉するカメラ、このデータを処理するカメラエレクトロニクス、及び情報を運転者に提示するヘッドアップディスプレイを使用している。
【０００８】
キャディラックシステムが夜間運転状態を改善したにも拘わらず、赤外イメージの分解能及びコントラストを向上させる問題は継続的に残されている。標準遠赤外カメラは、広い温度範囲にわたって増分温度を検出することはできるが、運転者に提示されるイメージは物体間の微妙な差を十分に反映しない。最も重要なことは、既存のイメージングシステムが道路境界と道路とを区別できないか、または道路のトラフィックを分離するレーンマーカを弁別できないことである。
【０００９】
従って、道路境界及びレーンマーカを含む道路状態の完全な表現を運転者に提示するように、物体間の相対温度差（区別）を強調するために使用する遠赤外イメージングシステムに対する要望が存在している。
なお、本発明に関連する従来技術を示すものとして、例えば、以下に示す特許文献１がある。
【特許文献１】
特願平０２−０９３８７５号公報
【００１０】
【発明の概要】
本発明は、自動車の前端に配置され、７乃至14ミクロンの波長帯の熱放射を検出し、そして周囲の物体の温度を表すイメージ信号を発生する遠赤外カメラを備えている。ディジタル信号プロセッサは、このイメージ信号を受信し、赤外領域を放出する物体の温度に比例するイメージ信号の相対温度差に基づいて温度分解能を選択的に強調する。ディスプレイ装置は、温度強調された、または温度ワープされたディスプレイ信号を受信し、その信号を運転者に表示する。
【００１１】
遠赤外カメラは熱放射を検出し、物体の温度を表すイメージ信号を発生する。このイメージ信号は、放出された放射の波長に依存する選択された温度濃度を有している。ディジタル信号プロセッサは、イメージ信号を受信し、信号の温度分布を計算し、そして温度分布に基づいて温度濃度を選択的に弁別（即ち、大きい温度濃度をイメージ信号からディスプレイ信号へマップする際に、分解能及び温度差を運転者に対してよりはっきりさせる）する。ディスプレイ装置は、前方のドライビング状態を運転者に知らせるように自動車内に配置される。
【００１２】
本発明は更に、自動車用赤外カメラの熱イメージング分解能を強調する方法を提供する。本方法は、熱放射を受信し、それに応答してイメージ信号を発生するステップと、放射の濃度を計算するステップと、高い放射濃度を熱的に強調してディスプレイ信号へマップするステップとを含む。次いで、運転者が、道路境界及びレーンマーカ、並びに歩行者を含む道路特色の微妙な差を視覚的に検出できるように、ディスプレイ信号を自動車運転者に対して表示する。
【００１３】
本発明の付加的な便益及び長所は、以下の添付図面に基づく好ましい実施の形態の詳細な説明から明白になるであろう。
【００１４】
【実施の形態】
図１に斜視図で示す自動車１０は、道路２２上の１対のレーンマーカ１６ａと１６ｂとの間に位置している。道路２２の一方の側は、縁石、歩道、または単に裸地からなる境界１８によって画されている。周辺空間２０が境界１８に接して位置している。周辺空間２０は、草、土、または走行には適さない、従って運転者（図示してない）が好ましくは回避するような他の表面からなる。
【００１５】
自動車１０には、遠赤外カメラ（以下、ＦＩＲカメラという）１４及びディスプレイ１２を含む本発明の赤外イメージングシステムが装備されている。ＦＩＲカメラ１４及びディスプレイ１２の両方に結合されているディジタル信号プロセッサ２４は図示してないが、自動車１０内の何れか便宜な位置に配置することができる。図示のように、ディスプレイ１２はヘッドアップディスプレイとして知られている型であり、自動車の搭乗区画６の内側のハンドル８の上に配置することができる。ヘッドアップディスプレイの場合、ディスプレイ１２は、運転を妨害したり、または運転者の注意を散逸させることが殆どないようにしながら、直接運転者の視線に沿って配置される。代替として、ディスプレイ１２は、ビデオモニタ、または運転者に視覚データを伝えるための他の適当なデバイスを含むことができる。
【００１６】
図２は、本発明の赤外イメージングシステムの主要成分のブロック図である。ＦＩＲカメラ１４は、ディジタル信号プロセッサ２４に結合されている。ディジタル信号プロセッサ２４は、ディスプレイ１２に結合されている。ディジタル信号プロセッサ２４は、ＦＩＲカメラ１４からイメージ信号を受信し、イメージ信号を処理し、そして自動車運転者が見ているディスプレイ１２へディスプレイ信号を伝える。
【００１７】
熱強調のプロセスを、図３のフロー図に示す。ステップＳ１０１において、ＦＩＲカメラ１４は、その視野内の物体から放出された放射を検出する。好ましい実施の形態におけるＦＩＲカメラ１４は、７乃至14ミクロンの範囲内の遠赤外放射に適合する。ＦＩＲカメラ１４の好ましい視野は、11°より大きく約400メートルの距離までにわたっている。ＦＩＲカメラ１４は、典型的には酸化バナジウムボロメーター（図示してない）、または特定波長の光子の照射に応答して電子信号を発生する他の赤外感光手段を使用して放射を検出する。感光手段は、典型的には、カメラの視野内のある面積から放出された熱エネルギと、放射検出器（図示してない）の検出面内のセルとを相関させる。各セルには行番号＜ｉ＞及び列番号＜ｊ＞が割当てられているので、面内の任意の点において検出される放射はＰ_i,jとして表すことができる。従って感光手段によって収集されたデータは、ＦＩＲカメラ１４によって受信されるイメージに対応する空間座標に割当てられた値のアレイからなる。
【００１８】
好ましいＦＩＲカメラ１４は、電子データを、感光手段上に入射する放射を表すイメージ信号にアセンブルするようになっている。典型的には、イメージ信号は、感光手段によって検出された各点Ｐ_i,jにおける放射値からなる。
【００１９】
ステップＳ１０２において、イメージ信号はＦＩＲカメラ１４からディジタル信号プロセッサ２４へ伝えられる。
【００２０】
ステップＳ１０３において、ディジタル信号プロセッサ２４は、イメージ信号を１組の点に相関させる。即ち、各点Ｐ_i,jの放射値には、物体によって放出される熱放射とその温度との間の公知関係に基づいて、温度値Ｔ_i,jが割当てられる。従って、ディジタル信号プロセッサ２４は、ＦＩＲカメラ１４によって受信されたイメージ内の各点における温度を表す１組の値Ｔ_i,jをアセンブルする。
【００２１】
ステップＳ１０４において、ディジタル信号プロセッサ２４は、温度ヒストグラムとも呼ばれる温度分布関数Ｎ＝ｆ(T)を計算する。図４ａに示すように、温度分布関数は、ある点における温度Ｔ_i,jとその温度を有する点の数Ｐ_i,jとの間の関係である。従って、温度分布関数は、イメージ信号内の温度の濃度を記述する数学的関係である。
【００２２】
ステップＳ１０５において、ディジタル信号プロセッサ２４は、図５ａに示すように、温度値の高い濃度に関して温度分布関数を探索する。ディジタル信号プロセッサ２４は、ステップＳ１０６の判断ブロックにおいて、各温度分布値ｆ(T)と、特定の濃度Ｎを表すしきい濃度値ｆ(0)とを比較する。濃度しきい値は予め決定されており、代替実施の形態では定数であることも、または自動車１０の走行環境に依存する変数であることもできる。
【００２３】
ディジタル信号プロセッサ２４は、Ｔ＝20°ＣからＴ＝50°Ｃまでの温度分布ｆ(T)の最大値を計算する。もし温度分布の最大値がしきい値ｆ(0)より大きければ、ディジタル信号プロセッサ２４はステップＳ１０７へ進む。反対に、もし温度分布の最大値がしきい値ｆ(0)より小さければ、ディジタル信号プロセッサ２４はステップＳ１０８へ進む。
【００２４】
ステップＳ１０８において、各点（i,j）のＴ_i,j毎に、ディスプレイ１２が受信し、表示する対応値Ｖ_i,jが割当てられる。即ち、ディスプレイ信号Ｖ_i,jは、イメージ信号Ｔ_i,jと同一にされる。
【００２５】
反対に、ステップＳ１０７においては、ディジタル信号プロセッサ２４は、温度分布ｆ(T)の温度依存性を強調する。ディジタル信号プロセッサ２４は、以下の数学的変換を実施することによって温度分布の温度依存性を強調する。
（１）Ｕ_i,j＝ｇ(T_i,j)、 但し、
（２）ｇ(T)＝∫(dU / dT) dT、 また更に、
（３）dU / dT＝ｆ(T)＋定数、 及び
（４）Ｆ(U)＝ｆ｛g^-1(Ｕ_i,j)｝
式（１）は、強調された温度Ｕ_i,jを定義している。式（２）のｇ(T)は、温度変換関数である。式（４）は、強調された温度の新しい分布Ｆ(U)を定義している。
【００２６】
式（２）を実行することによってディジタル信号プロセッサ２４は、式（４）によって与えられる強調された温度分布を発生する。即ち、ステップＳ１０７において適切な温度変換関数が決定され、ステップＳ１０９において温度Ｔ_i,jが強調された温度Ｕ_i,jに変換される。
【００２７】
ステップＳ１０７及びＳ１０９における熱強調を、図４ａ及び４ｂにグラフ的に示す。図４ａは、ディジタル信号プロセッサ２４によって計算された温度分布関数を示している。温度領域に２つのピーク濃度が存在している。約10°Ｃにおける第１の濃度３０は、無生命であって道路及び周囲環境を表しているものと考えられる。第１の濃度３０が約12°Ｃにローカルピーク３１を有していることに注目されたい。第１の濃度３０はしきい値ｆ(0)より大きく、ステップＳ１０７及びＳ１０９に従って全ての点（i,j）が温度強調される。
【００２８】
図４ｂは、ステップＳ１０７及びＳ１０９の後の温度分布関数を表している。第１の濃度３０及び第２の濃度３３が、低濃度の中央領域３２に対して拡張されている。17°Ｃ乃至33°Ｃの低濃度の領域が縮小され、ローカルピーク３１と第１の濃度３０との間の差が強調されている。
【００２９】
図３に戻って、ステップＳ１０９においてディジタル信号プロセッサは、ステップＳ１０７の温度変換関数を使用することによって、ディスプレイ信号のために点の完全セットＵ_i,jをアセンブルする。ステップＳ１０９のディスプレイ信号はディスプレイ１２へ伝送され、運転者が見ることができるように表示される。
【００３０】
図３のステップＳ１１０において、ディスプレイ１２はディスプレイ信号をイメージとして表示し、運転者は運転中にそれを容易に見ることができる。
【００３１】
図５ａ及び５ｂは、ステップＳ１０７及びＳ１０９の温度強調プロセスの有利な効果の典型例である。図５ａは、運転者が見るディスプレイ１２の概要斜視図である。道路２２はマーカ１６ａ及び１６ｂによって画され、また境界１８によっても画されている。境界１８に接しているのは、上述したように走行には適していない周辺空間２０である。更に、歩行者５０が道路２２を横断しようとしている。
【００３２】
図５ａは、本発明の温度強調処理されていない典型的な赤外イメージングシステムからの典型例である。図示のように、道路２２と、レーンマーカ１６ａ及び１６ｂとを区別するのは容易ではない。更に、境界１８と周辺空間２０とは容易に区別できない。従って、たとえ運転者が歩行者５０を見ることができるとしても、過度に躊躇及び集中しなければ道路２２の特色及び境界を弁別することはできない。
【００３３】
これに対して、図５ｂは、本発明に従って温度強調処理された赤外イメージングシステムからの典型的なイメージである。図示のように、歩行者５０は、よりはっきりと見ることができる。更に、道路２２及びその特色、並びに境界は、より容易に区別することができる。レーンマーカ１６ａ及び１６ｂは、それらの熱特性の故に道路２２から弁別される。過度に集中しなくとも道路境界１８も見ることができる。運転者が回避することを望む周辺領域２０も、道路２２とは区別することができる。歩行者５０の見え方は劣化していない。
【００３４】
図５ｂの温度強調は、ディジタル信号プロセッサ２４がどのようにして高い温度濃度を見出し、その濃度を強調するのかを例示している。例えば、一般的に道路２２、レーンマーカ１６ａ、１６ｂ、道路境界１８、及び周辺領域２２は、ほぼ同一温度である。即ち、これらは、図４ａの第１の濃度に対応するある範囲内にある。温度強調プロセスは、従来は目立たなかった微妙な物体がより明白になるように、第１の濃度３０を誇張させる。従って、図５ｂに示すように、道路２２、レーンマーカ１６ａ及び１６ｂ、道路境界１８、及び周辺領域２０の各々の相対温度が接近しているにも拘わらず、道路２２をこれらから弁別することができる。歩行者５０の見え方は劣化していない。
【００３５】
以上に好ましい実施の形態に関して説明したように、本発明は、高度に集中した温度範囲について温度差を強調することによって赤外イメージングシステムのイメージの品質を改善する。当業者ならば、以上の実施の形態の説明は単なる例示であって、本発明の多くの可能な特定実施の形態の幾つかを説明したに過ぎないことを理解できよう。当業者には理解できるように、本発明は、特許請求の範囲に記載されている本発明の思想及び範囲から逸脱することなく、多くの、そして種々の他の配列を容易に考案することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の赤外イメージングシステムを装備した自動車の斜視図である。
【図２】本発明の赤外イメージングシステムの主要成分のブロック図である。
【図３】典型的な赤外イメージを熱的に強調する本発明によるプロセスを示すフローチャートである。
【図４ａ】本発明の熱強調を示すための、典型的な赤外イメージ、及び本発明により熱的に強調された赤外イメージをそれぞれ表すグラフ的表現である。
【図４ｂ】本発明の熱強調を示すための、典型的な赤外イメージ、及び本発明により熱的に強調された赤外イメージをそれぞれ表すグラフ的表現である。
【図５ａ】自動車運転者が見ることができる従来の赤外イメージングシステムによって描かれるイメージ例を示す図である。
【図５ｂ】自動車運転者が見ることができる本発明の赤外イメージングシステムによって描かれるイメージ例を示す図である。
【符号の説明】
６ 搭乗区画
８ ハンドル
１０ 自動車
１２ ディスプレイ
１４ 遠赤外（ＦＩＲ）カメラ
１６ レーンマーカ
１８ 境界
２０ 周辺空間
２２ 道路
２４ ディジタル信号プロセッサ
５０ 歩行者

Claims (1)

1. 赤外イメージングシステムを有するビークルであって、
   上記ビークルの前端に配置され、物体から７乃至１４ミクロンの波長帯の放射のスペクトルを受信し、それに応答して、物体のイメージのイメージ信号を発生する赤外カメラと、
   上記ビークル内に配置されているディスプレイと、
   上記イメージ信号を受信し、上記イメージ信号の強度に関する濃度の温度分布ｆ(T)を計算し、上記濃度分布の最大値を識別し、この濃度分布の最大値と予め決定された濃度しきい値とを比較し、濃度分布の最大値が濃度しきい値よりも大きいときは、以下に示す式（１）乃至式（４）を用いた数学的変換を実施して得られた式（４）により、高い濃度の領域では低い濃度の領域より温度差を拡張して熱的に強調し、これらの高い濃度の領域及び低い濃度の領域の全領域における上記イメージ信号をディスプレイ信号にマップするディジタル信号プロセッサと、を備え、
   （１）dU / dT＝ｆ(T)＋定数
   （２）ｇ(T)＝∫(dU / dT) dT
   （３）Ｕi,j＝ｇ(Ti,j)
   （４）Ｆ(U)＝ｆ｛g^-1(Ｕi,j)｝
   但し、i,jは赤外カメラから受信されるイメージに対応する空間座標に割り当てられた点であり、Ti,jは各点の温度値であり、ｆ(T)は濃度の温度分布関数であり、ｇ(T)は濃度の温度変換関数であり、Ｕi,jは各点の強調された温度であり、Ｆ(U)は温度差を拡張して強調された新しい温度分布であり、
   上記温度差を拡張して熱的に強調されたディスプレイ信号を上記ディスプレイに伝送して、上記温度差を拡張して熱的に強調された赤外イメージを上記ビークルの搭乗区画内に表示することができるようにしたことを特徴とするビークル。

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