JP4531921B2

JP4531921B2 - 距離測定装置

Info

Publication number: JP4531921B2
Application number: JP2000105512A
Authority: JP
Inventors: 仁小嶋
Original assignee: Nippon Signal Co Ltd
Current assignee: Nippon Signal Co Ltd
Priority date: 2000-04-06
Filing date: 2000-04-06
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2020-04-06
Also published as: JP2001289631A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、距離測定装置、特に、２つの撮像手段を用いて得た２つの画像に基づいて撮像対象までの距離を測定する距離測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、道路交通分野等において、道路上に存在する様々な物体までの距離を確実に検出することが要望されている。
【０００３】
離れた物体までの距離を測定する方法としては、超音波やレーザ等の送受信を行うことにより物体の存在有無の検出や距離測定を行うものや、左右に離れて配置された２台のカメラで撮影した２つの画像を用いて、三角測量の原理に基づいてステレオ画像処理を行って物体の存在有無の検出や距離測定を行うものや、２台のカメラを備えたステレオ視力メラで同一領域を撮影した画像をステレオ画像処理することで、物体を認識し、物体の存在有無の検出や物体までの距離を検出するもの等がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前者の超音波やレーザ等を用いた方法では、短いフレームレートで広い視野を得ることは困難であるという問題がある。この時、仮に広い視野で検出を行うと検出精度が低下してしまう。また、後者の場合、広い視野の取得は容易であるが、ステレオ画像処理を行う場合、取得した画像の全領域に対して距離測定のための画像処理を行う必要があるので、処理装置の負荷が増大すると共に、処理時間も増大してしまうという問題がある。特に、移動体に対する距離測定を行う場合、処理が画像の変化に追いつかず、十分な検出作業ができないという問題もある。
【０００５】
本発明は上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、容易かつ迅速に物体までの距離を高精度で検出することのできる距離測定装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、基準面に対して所定距離離間して配置された２つの撮像手段によって取得した２つの画像に基づいて、撮像対象までの距離を測定する距離測定装置であって、２つの撮像手段の各撮像面に同一の基準画像が結像するように、前記撮像面の位置を調整する調整手段と、調整後の撮像手段で取得した各画像の比較を行う比較手段と、を有し、前記比較手段による比較の結果、各画像に画像ずれが存在する場合には基準面上に撮像対象が存在すると認識し、各画像に画像ずれが存在しない場合には基準面上に撮像対象が存在しないと認識する対象認識手段と、前記対象認識手段が基準面上に撮像対象が存在すると認識した場合に、認識した撮像対象の同一部分を含む測距領域を各画像上に設定する領域設定手段と、設定した測距領域のみに対して距離測定を行う距離設定手段と、を含むことを特徴とする。
【０００８】
ここで、撮影対象とは、例えば、基準面上に存在する独立した物体であってもよいし、基準面に形成された凹凸でもよく、基準面に対して高低差を有するものでもよい。
【０００９】
この構成によれば、対象認識手段によって認識された測定対象に関して測距領域が設定され、その測距領域に対してのみ距離測定が実施されるので、確実に撮像対象が認識されると共に、画像処理の対象を必要最小限に抑えることができるので距離測定を軽負荷で容易かつ迅速に行うことができる。
【００１０】
また、上記目的を達成するために、本発明は、上記構成において、前記対象認識手段は、２つの撮像手段の各撮像面に同一の基準画像が結像するように、前記撮像面の位置を調整する調整手段と、調整後の撮像手段で取得した各画像の比較を行う比較手段と、を有し、前記比較手段による比較の結果、各画像に画像ずれが存在する場合に、基準面上に撮像対象が存在すると認識することを特徴とする。
【００１１】
基準面に対して所定距離離間して配置された２つの撮像手段に対して、２つの撮像手段の各撮像面に同一の基準画像（例えば基準面上のマーク等）が結像するように前記撮像面の位置を調整した後、撮像を行うと、基準面上で高低差を有する撮像対象が存在する場合、その撮像対象は異なる方向から撮像されることになり、個々の撮像面に結像する画像は互いに位置ずれ（画像ずれ）を起こす。
【００１２】
この構成によれば、前記画像ずれは、比較手段によって、両画像を比較する（例えば画像濃度の差分等を取る）ことにより認識することが可能であり、撮像対象が存在することを検出できる。
【００１３】
また、上記目的を達成するために、本発明は、上記構成において、前記距離測定手段は、設定された測距領域内における前記画像ずれ量に基づいて、撮像手段から撮像対象までの距離測定を行うことを特徴とする。
【００１４】
基準面に対して所定距離離間して配置された２つの撮像手段によって、取得した２つの画像は撮像面において、撮像手段の中心間距離（具体的には撮像手段のレンズ中心間距離）と、焦点距離、撮像対象までの距離の関数で表すことができる。従って、画像ずれ量を認識することにより撮像手段から撮像対象までの距離を得ることができる。
【００１５】
また、上記目的を達成するために、本発明は、上記構成において、前記距離測定手段は、各測距領域をシフトして両画像のマッチングを行った時のシフト量に基づいて、撮像手段から撮像対象までの距離測定を行うことを特徴とする。
【００１６】
ここで、両画像のマッチングは、例えば、撮像面に結像した両画像を重ね合わせた時の一致度等を参照することにより行うことができる。この構成によれば、容易に画像ずれ量を認識することが可能になり、撮像手段から撮像対象までの距離を得ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態（以下、実施形態という）を図面に基づき説明する。図１には、本実施形態の距離測定装置１０の構成概念を示すブロック図が示されている。
【００１８】
本実施形態の距離測定装置１０は、基準面Ａに対して所定距離離間して（例えば上方位置）配置された２つの撮像手段としてのＣＣＤカメラ１２，１４を有している。このＣＣＤカメラ１２，１４は、図２に示すように、撮像面であるＣＣＤ１２ａ，１４ａ及びレンズ１２ｂ，１４ｂを含んでいる。図１に戻り、距離測定装置１０は、前記ＣＣＤ１２ａ，１４ａの位置を調整する調整手段としての調整部１６と、ＣＣＤカメラ１２，１４で、それぞれ撮像された２つの画像に対して画像処理を行い、撮像対象までの距離を測定する画像処理部１８を含んでいる。なお、本実施形態では、撮像対象とは高さＨを有する物体Ｍであり、距離とは、撮像手段に含まれるレンズ１２ｂ，１４ｂの厚み中心から物体Ｍ上端面までの距離とする。
【００１９】
前記画像処理部１８は、ＣＣＤカメラ１２，１４からの各画像に含まれる誤差をそれぞれ補正する補正手段としてのローパスフイルタ２０，２２と、２つの画像の濃度値を比較する比較手段としてのコンパレータ２４と、取得した各データを処理するデータ処理部２６と、を含んでいる。さらに、前記データ処理部２６は、撮像対象である物体Ｍの存在認識を行う対象認識部（対象認識手段）２８、この存在認識の結果、撮像面上に前記物体Ｍの含まれる領域を設定する領域設定部（領域設定手段）３０、さらに、具体的に物体Ｍまでの距離の測定を行う距離測定部（距離測定手段）３２等を含んでいる。
【００２０】
図２に示すように、ＣＣＤカメラ１２，１４は、レンズ１２ｂ，１４ｂの光軸が基準面Ａに対して垂直で、かつ、ＣＣＤ１２ａ，１４ａが基準面Ａに対して平行になるように設置される。そして、調整部１６は、ＣＣＤ１２ａ，１４ａの位置を検出し、ＣＣＤ１２ａ，１４ａに同一領域の基準画像（例えば、基準面Ａ上のマーク等）が結像するように、ＣＣＤ１２ａ，１４ａのいずれか、または両方の位置を基準面Ａと平行方向に移動制御するものである。
【００２１】
ＣＣＤ１２ａ，１４ａに結像された画像信号は画像処理部１８のローパスフイルタ２０，２２に供給される。ここでは、ＣＣＤカメラ１２，１４から出力される画像の低周波成分のみを通過させ、コンパレータ２４に出力する。このコンパレータ２４は、前記ローパスフイルタ２０，２２を介して得られる２つの画像の濃度値の差分を検出するものであり、コンパレータ２４で得られた差分画像は、データ処理部２６に提供される。データ処理部２６に含まれる対応認識部２８は、コンパレータ２４からの差分画像の濃度値を用いて、２つのＣＣＤカメラ１２，１４で取得した２つの画像にずれ（画像ずれ）が有るか否かを判別し、２つの画像にずれが有ると判別した場合に、基準面Ａに物体Ｍが存在すると認識する。
【００２２】
次に、画像ずれに基づく、物体Ｍの認識に関して説明する。図２に示すように、基準面Ａからレンズ１２ｂ，１４ｂまでの距離をＲ、レンズ１２ｂとレンズ１４ｂとの間の距離をＢ、レンズ１２ｂ，１４ｂからＣＣＤ１２ａ，１４ａまでの距離、即ち、各レンズ１２ｂ，１４ｂの焦点距離をｆとすると、ＣＣＤ１２ａに結像する基準画像とＣＣＤ１４ａに結像する基準画像とのずれ量ＸRは、
ＸR=（Ｂ×ｆ）／Ｒ・・・・（式１）
と表すことができる。従って、図１における調整部１６で、（式１）に示したずれ量ＸRだけ、ＣＣＤ１２ａ又はＣＣＤ１４ａのいずれか一方または両方の位置を基準面Ａに対して平行に移動させることで、距離Ｒにおける基準面Ａ上のずれ量ＸRを０に設定する、即ち、視差を０にすることができる。これにより、ＣＣＤ１２ａ，１４ａに対して基準面Ａの同一領域の画像をＣＣＤ１２ａ，１４ａの同一位置に結像させることができる。
【００２３】
つまり、レンズ間距離Ｂ及び焦点距離ｆが固定されれば、距離Ｒと画像ずれ量ＸRとは、一対一で対応することになる。
【００２４】
従って、調整部１６によりＣＣＤ１２ａ，ＣＣＤ１４ａの位置を移動制御した後、基準面Ａを２つのＣＣＤカメラ１２，１４で撮影した時、基準面Ａ上に高さＨの物体Ｍが有れば、得られた２つの画像における物体Ｍの位置（上面位置）は距離Ｒに対して変化することになり、画像ずれ量ＸRが生じることになる。
【００２５】
例えば、ＣＣＤ１２ａ，１４ａに対して、基準面Ａに存在する高さＨの物体Ｍの上面の画像を結像させたときのずれ量をＸHとすると、
ＸH=（Ｂ×ｆ）／（Ｒ−Ｈ）・・・・・・（式２）
と表すことができる。
【００２６】
（式１）で示した基準面Ａの画像をＣＣＤ１２ａ，Ｎ１４ａに結像させるときのずれ量ＸRは０となるように、ＣＣＤ１２ａ，１４ａの位置が調整されていることを考慮すると、２つのＣＣＤ１２ａ，１４ａに結像された画像の物体Ｍのずれ量Ｘは、（式１）、（式２）より、
Ｘ＝ＸH−ＸR
＝Ｈ（Ｂ×ｆ）／Ｒ（Ｒ−Ｈ）・・・（式３）
で表すことができる。これにより、基準面ＡからＨの距離だけ離れた上面Ｐでは、視差にＸHのずれが生じることになる。
【００２７】
上述の説明を具体的に図示する。例えば、図１の物体Ｍを撮影したとき、コンパレータ２４に入力されるＣＣＤカメラ１２で撮影された画像が図３（ａ）であり、ＣＣＤカメラ１４で撮影された画像が図３（ｂ）であるとすると、コンパレータ２４から出力される差分画像は、図３（ｃ）に示すものとなる。図３（ｃ）に示す差分画像の斜線で示す領域Ｍ1，Ｍ2は、図３（ａ）の画像と図３（ｂ）の画像との対応する領域の濃度値の差分をとることで残った部分である。即ち、２つの画像における物体Ｍのずれ部分である。また、点線で示す領域Ｍ3は、上述したように２つの画像の濃度値の差分をとることで消失した部分である。
【００２８】
データ処理部２６の対象認識部２８は、コンパレータ２４から入力された差分画像に関して、領域Ｍ1，Ｍ2が残っている場合、すなわち、画像ずれが存在する場合、基準面Ａ上にある高さを有する物体Ｍが存在すると判断する。一方、領域Ｍ1，Ｍ2が残っていない場合、すなわち、コンパレータ２４における比較の結果、画像が全て一致して、差分が存在せず、画像ずれがないと判断できる場合、基準面Ａ上には、高さを有する物体Ｍは存在しないと判断することができる。
【００２９】
なお、上述の説明では、基準面Ａ上に独立した物体Ｍが存在するか否かを判断しているが、基準面Ａから突出した凸部の検出や基準面Ａに対して窪んだ凹部の検出も同様に行うことができる。この場合、（式２）の分母は、（Ｒ＋Ｈ）となる。
【００３０】
このように、調整部１６により、２つのＣＣＤカメラ１２，１４内のＣＣＤ１２ａ，１４ａに基準面Ａの同一領域の基準画像が結像するように、ＣＣＤ１２ａ，１４ａの位置を予め移動制御した後、撮影した２つの画像の画像ずれの有無を検出することで、基準面Ａ上に存在する物体Ｍの存在の有無を簡易な処理で、正確に得ることができる。なお、２つの画像の濃度値を比較するので、画像ずれの有無を正確に検出可能であり、さらに、ローパスフイルタ２０，２２で画像の低周波成分のみを用いてコンパレータ２４で差分をとることで、差分画像の階調数を減らし、濃度値による画像のずれの誤検出を低減することができる。
【００３１】
本実施形態においては、画像処理部１８は、さらに、内部に含む距離測定部３２を用いて、物体Ｍまでの距離、または物体Ｍの高さＨ（或いは奥行き）等を測定している。
【００３２】
図４には、上述した物体Ｍの存在検出を含む画像処理部１８の処理手順のフローチャートが示されている。まず、画像処理部１８のデータ処理部２６に含まれる対象認識部２８は、ＣＣＤカメラ１２，１４から提供される画像の読み込みを行い（Ｓ１００）、上述した手順により物体Ｍが存在するか否かの検出を行う（Ｓ１０１）。そして、対象認識部２８が物体Ｍの存在を認識した場合、領域設定部３０は、図５（ａ），（ｂ）に示すように、ＣＣＤ１２ａ，１４ａの撮像面に距離測定処理を行うために測距領域３４ａ，３４ｂを設定する（Ｓ１０２）。ここで設定される測距領域３４ａ，３４ｂの大きさは、例えば、（Ｓ１０１）で物体検出を行う際に差分を取った領域（Ｍ1，Ｍ2，Ｍ3）を包含する領域（好ましくは、Ｍ1，Ｍ2，Ｍ3を含む領域より所定量大きな領域）、ただし、撮像面上で同じアドレスで構成される領域を設定する。図５（ａ），（ｂ）においては、物体が１つの場合を示しているが、取得した画像上で複数の物体の認識を行った場合には、物体毎に個々の測距領域が設定される。
【００３３】
続いて、距離測定部３２は、複数設定された測距領域の中から所定の測距領域の選択を行う（Ｓ１０３）。もちろん、測距領域が１つしか設定されていない場合には、その領域の選択が行われる。また、測距領域の選択は、例えば画像面上の左上側から順に選択行うようにしてもよいし、設定された測距領域の大きなものから選択するようにしてもよい。そして、距離測定部３２は、選択した測距領域に対して領域内距離測定処理を施す（Ｓ１０４）。前述したように、レンズ間距離Ｂ及び焦点距離ｆが決まれば、距離Ｒとずれ量ＸRとは、一対一で対応するので、画像のずれを補正する量を算出すれば、撮像している対象までの距離を算出することができる。例えば、測距領域を切り出して、切り出した領域をシフトして両画像のマッチングを行った時のシフト量が、物体Ｍの高さＨとして検出することができる。なお、両画像のマッチングは、例えば、撮像面に結像した両画像を重ね合わせた時の一致度等を参照することにより行うことができる。図５（ｃ）は、切り出した２つの測距領域をシフトして、物体Ｍの重ね合わせを行った状態が示されている。距離測定部３２は、さらに、基準面Ａからレンズ１２ｂ，１４ｂまでの距離Ｒから物体Ｍの高さＨを減算することにより、レンズ１２ｂ，１４ｂから物体Ｍの上面Ｐまでの距離を測定することができる。
【００３４】
距離測定部３２は、他に処理を行っていない測距領域が存在するか否かの判断を行い（Ｓ１０５）、もし、他に設定した測距領域が存在すれば、その測距領域の選択を行い（Ｓ１０６）、前述した（Ｓ１０４）に移行し、選択した領域に関して距離測定を実施する。
【００３５】
また、（Ｓ１０５）で設定した全ての測距領域に関する処理が終了したと判断された場合や、（Ｓ１０１）において、（Ｓ１００）で読み込んだ画像に物体が存在しないと判断した場合は、（Ｓ１００）に戻り、新たな画像の読み込みを行い、前述処理を繰り返す。画像処理部１８で認識された物体Ｍの位置や高さＨ、物体Ｍの上端面までの距離は、図示しないモニタ装置等の出力手段に出力される。
【００３６】
このように、物体を認識した領域のみに対して、距離測定処理を行うので、装置全体に画像処理に関する負荷を軽減することができる。また、本実施形態においては、物体の存在認識と物体の高さ測定（物体までの距離測定）をＣＣＤカメラ１２，１４で取得した画像に基づいて行うので、画像取得及び画像処理を行う装置のみで、物体の存在検出及び距離測定が行えるので、装置の全体構成がシンプルで小型化、低コスト化を容易に行うことができる。
【００３７】
上述した実施形態においては、測距領域の切り出しを行って、その測距領域のシフト量に基づいて、物体Ｍの高さＨを求めたが、２つの測距領域の存在する物体Ｍの対応点を抽出し、対応点を重ね合わせた時のシフト量に基づいて、物体Ｍの高さＨを求めてもよい。また、上述の実施形態においては、認識した物体Ｍの外形を全て包含するように測距領域を設定したが、物体Ｍの外形の全てを包含する必要はなく、物体Ｍ上の同一部分が測距領域に含まれていれば、上述と同様な処理を行い、同様な結果を得ることができる。また、本実施形態では基準面に対してＣＣＤカメラを上方位置に配置し、物体Ｍまでの距離を測定する例を示したが、基準面とＣＣＤカメラの位置関係は任意であり、例えばＣＣＤカメラの前方や上方に基準面を設定し、その基準面上の物体Ｍまでの距離を測定するようにしても同様の効果を得ることができる。
【００３８】
なお、本実施形態においては、ＣＣＤカメラで取得した画像の濃度差に基づいて物体の存在認識を行い、さらに、画像のマッチングを行うことにより、物体の高さや物体までの距離測定を行う例を示しているが、取得した画像に基づいて物体が存在する領域を検出して、その領域のみに対して距離測定処理を施すものであれば、物体の認識方法や距離測定方法は任意に選択可能である。この場合も本実施形態と同様に、設定した領域に対してのみ距離測定処理を行うので、装置全体の画像処理負荷の軽減を行うことができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、対象認識手段によって認識された測定対象に関して測距領域が設定され、その測距領域に対してのみ距離測定が実施されるので、確実に撮像対象が認識されると共に、画像処理対象を必要最小限に抑えることができるので距離測定を軽負荷で容易かつ迅速に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る距離測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る距離測定装置の撮像手段と測定対象との関係を説明する説明図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る距離測定装置における物体の存在検出方法を説明する説明図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る距離測定装置の処理手順を説明するフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態に係る距離測定装置における物体の高さ測定方法を説明する説明図である。
【符号の説明】
１０距離測定装置、１２，１４ＣＣＤカメラ（撮像手段）、１６調整部、１８画像処理部、２０，２２ローパスフィルタ、２４コンパレータ、２６データ処理部、２８対象認識部、３０領域設定部、３２距離測定部、Ａ基準面、Ｍ物体。

Claims

基準面に対して所定距離離間して配置された２つの撮像手段によって取得した２つの画像に基づいて、撮像対象までの距離を測定する距離測定装置であって、
２つの撮像手段の各撮像面に同一の基準画像が結像するように、前記撮像面の位置を調整する調整手段と、
調整後の撮像手段で取得した各画像の比較を行う比較手段と、を有し、
前記比較手段による比較の結果、各画像に画像ずれが存在する場合には基準面上に撮像対象が存在すると認識し、各画像に画像ずれが存在しない場合には基準面上に撮像対象が存在しないと認識する対象認識手段と、
前記対象認識手段が基準面上に撮像対象が存在すると認識した場合に、認識した撮像対象の同一部分を含む測距領域を各画像上に設定する領域設定手段と、
設定した測距領域のみに対して距離測定を行う距離設定手段と、
を含むことを特徴とする距離測定装置。
請求項１記載の装置において、前記距離設定手段は、設定された測距領域内における前記画像ずれ量に基づいて、撮像手段から撮像対象までの距離測定を行うことを特徴とする距離測定装置。
請求項１記載の装置において、前記距離設定手段は、各測距領域をシフトして両画像のマッチングを行った時のシフト量に基づいて、撮像手段から撮像対象までの距離測定を行うことを特徴とする距離測定装置。