JP4629136B2 - 測距装置および測距方法並びにプログラム - Google Patents

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Description

本発明は、被写体までの距離を計測する測距装置および方法並びに測距方法をコンピュータに実行させるためのプログラムに関するものである。
被写体までの距離を計測するための手法として位相シフト法が知られている。位相シフト法は、強度が正弦波状に変化する縞パターン光を、パターンの位相をπ/2ずつずらしながら縞パターン光の位相が1周期分移動するまで繰り返し被写体に照射し、縞パターン光の位相の移動周期における0、π/2、π、3π/2の4つの位相において反射光を受光して受光光量に応じた受光信号を得、受光信号に基づいて縞パターン光と反射光との位相の遅れ(位相差)を、撮影装置に設けられた撮像素子の受光素子毎に検出して距離情報を算出する方式である。
ここで、位相シフト法を用いて測距を行う際には、被写体表面の材質や、被写体表面の変化により、受光信号により表される輝度が飽和したり、受光信号のコントラストが低くなったりする場合があるが、このような場合には、正確に距離を測定することができない。このため、輝度が飽和していたりコントラストが低い受光信号については、その受光信号を取得した周囲の受光素子の受光信号を用いて、その受光素子において算出される位相差の信頼性を判定する手法が提案されている(特許文献1参照)。
特開2006−23178号公報
しかしながら、特許文献1に記載された手法においては、縞パターン光の発光不良が生じたり、反射光以外の外光を受光したり、受光素子の異常により反射光の光量に応じた受光信号を出力できないような場合等、距離の測定に適さない受光信号が取得されてしまう。このように距離の測定に適さない受光信号を用いると、誤った距離情報が算出されてしまうこととなる。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、位相シフト法を用いて測距を行う際に、誤測距を防止することを目的とする。
本発明による測距装置は、強度が周期的に変化する縞パターン光を、パターンの位相を移動させつつ被写体に照射する照射手段と、
前記被写体による前記縞パターン光の反射光を受光し、受光光量に応じた受光信号を出力する複数の受光素子が2次元状に配列された撮像素子を有する撮像手段と、
前記縞パターン光の位相が該縞パターンの1周期分移動するまで、該縞パターン光のパターンの位相を基準位相からπ/2ずつずらして前記被写体に該縞パターンを照射し、前記基準位相、該基準位相からπ/2ずれた位相、該基準位相からπずれた位相および該基準位相から3π/2ずれた位相のそれぞれにおいて前記反射光を受光するよう、前記照射手段および前記撮像手段を制御する撮像制御手段と、
前記縞パターン光の位相の前記1周期分の移動に対応して、前記受光素子毎に取得される4つの位相の受光信号から、前記縞パターン光と該縞パターン光の反射光との位相差を前記受光素子毎に算出し、該位相差に基づいて前記被写体までの距離を表す距離情報を前記受光素子毎に算出する距離情報算出手段とを備え、
前記距離情報算出手段は、前記4つの位相の受光信号のうち、前記基準位相の受光信号と該基準位相からπずれた位相の受光信号との加算信号である第1の加算信号、および前記基準位相からπ/2ずれた位相の受光信号と該基準位相から3π/2ずれた位相の受光信号との加算信号である第2の加算信号の差分値の絶対値を算出し、該絶対値が所定のしきい値未満となった前記受光素子においてのみ、前記距離情報を算出する手段であることを特徴とするものである。
縞パターン光は、強度が連続して変化するように変調されていればよく、例えば正弦波状、三角波状、鋸波状に縞パターン光の強度を変化させるようにすればよい。
なお、本発明による測距装置においては、前記距離情報算出手段を、前記所定のしきい値を前記4つの位相の受光信号のうちの所定の受光信号の関数として設定する手段としてもよい。
本発明による測距方法は、強度が周期的に変化する縞パターン光を、パターンの位相を移動させつつ被写体に照射する照射手段と、
前記被写体による前記縞パターン光の反射光を受光し、受光光量に応じた受光信号を出力する複数の受光素子が2次元状に配列された撮像素子を有する撮像手段と、
前記縞パターン光の位相が該縞パターンの1周期分移動するまで、該縞パターン光のパターンの位相を基準位相からπ/2ずつずらして前記被写体に該縞パターンを照射し、前記基準位相、該基準位相からπ/2ずれた位相、該基準位相からπずれた位相および該基準位相から3π/2ずれた位相のそれぞれにおいて前記反射光を受光するよう、前記照射手段および前記撮像手段を制御する撮像制御手段と、
前記縞パターン光の位相の前記1周期分の移動に対応して、前記受光素子毎に取得される4つの位相の受光信号から、前記縞パターン光と該縞パターン光の反射光との位相差を前記受光素子毎に算出し、該位相差に基づいて前記被写体までの距離を表す距離情報を前記受光素子毎に算出する距離情報算出手段とを備えた測距装置における測距方法であって、
前記4つの位相の受光信号のうち、前記基準位相の受光信号と該基準位相からπずれた位相の受光信号との加算信号である第1の加算信号、および前記基準位相からπ/2ずれた位相の受光信号と該基準位相から3π/2ずれた位相の受光信号との加算信号である第2の加算信号の差分値の絶対値を算出し、
該絶対値が所定のしきい値未満となった前記受光素子においてのみ、前記距離情報を算出することを特徴とするものである。
なお、本発明による測距方法をコンピュータに実行させるためのプログラムとして提供してもよい。
本発明によれば、基準位相、基準位相からπ/2ずれた位相、基準位相からπずれた位相、および基準位相から3π/2ずれた位相という4つの位相の受光信号のうち、基準位相の受光信号と基準位相からπずれた位相の受光信号との加算信号である第1の加算信号、および基準位相からπ/2ずれた位相の受光信号と基準位相から3π/2ずれた位相の受光信号との加算信号である第2の加算信号の差分値の絶対値が算出され、絶対値が所定のしきい値未満となった受光素子においてのみ距離情報が算出される。
ここで、縞パターン光の発光不良、反射光以外の外光の受光、および受光素子の異常等が生じていない場合、第1の加算信号および第2の加算信号は略同一の値となる。逆に第1および第2の加算信号が略同一の値とならない場合には、縞パターン光の発光不良、反射光以外の外光の受光、および受光素子の異常等が生じていると見なすことができる。
したがって、第1および第2の加算信号の差分値の絶対値が所定のしきい値未満となった受光素子においてのみ距離情報を算出することにより、距離の測定に適さない受光信号を用いることによる誤測距を防止することができ、その結果、精度よく距離情報を算出することができる。
また、所定のしきい値を受光信号の関数により設定することにより、反射光の光量に応じてしきい値を設定することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図1は本発明の実施形態による測距装置の構成を示す概略ブロック図である。図1に示すように実施形態による測距装置1は撮像部2を備える。
撮像部2は、レンズ10、絞り11、シャッタ12、CCD13、アナログフロントエンド(AFE)14およびA/D変換部15を備える。
レンズ10は、被写体にピントを合わせるためのフォーカスレンズ、ズーム機能を実現するためのズームレンズ等の複数の機能別レンズにより構成され、不図示のレンズ駆動部によりその位置が調整される。
絞り11は、不図示の絞り駆動部により、あらかじめ定められた絞り値データに基づいて絞り径の調整が行われる。
シャッタ12はメカニカルシャッタであり、あらかじめ定められたシャッタスピードに応じて駆動される。
CCD13は、多数の受光素子を2次元的に配列した光電面を有する撮像素子であり、被写体光がこの光電面に結像して光電変換されてアナログ撮像信号である受光信号が取得される。なお、CCD13は、後述する撮像制御部19から与えられる電子シャッタ駆動信号によって受光期間が制御される。また、CCD13の前面には、後述する縞パターン光の波長域の光を透過するフィルタ13Aが配設されているため、CCD13の受光素子は縞パターン光の反射光のみを受光することができる。
AFE14は、CCD13から出力される受光信号に対して、受光信号のノイズを除去する処理、および受光信号のゲインを調節する処理(以下アナログ処理とする)を施す。
A/D変換部15は、AFE14によりアナログ処理が施された受光信号をデジタル信号に変換する。
また、撮像部2は、被写体に向けて縞パターン光を照射するための照射部16を備える。
図2は照射部の構成を示す概略ブロック図である。図2に示すように照射部16は、光を発光するLEDが2次元状に複数配設された面光源16A、面光源16Aから発せられる光を縞パターン光に変換する液晶16B、液晶16Bに縞パターン光を表示するドライバ16Cを備える。
ドライバ16Cは、後述する撮像制御部19からの指示により、正弦波状に強度が変化する縞パターンを液晶に表示する。また、撮像制御部19からの指示により縞パターン光の位相をπ/2ずつ移動させる。これにより、面光源16Aから発せられた光は、液晶16Bを透過して、強度が正弦波状に変化する縞パターン光となる。
また、撮像部2は、CCD13、AFE14および照射部16の駆動を制御するための撮像制御部19を備える。撮像制御部19は、CPU32からの指示により、ドライバ16Cに縞パターン表示の指示を行って照射部16から縞パターン光を位相をπ/2ずつ移動させつつ発光させ、縞パターン光の位相の移動とタイミングを合わせて被写体による縞パターン光の反射光を受光し、受光光量に応じた受光信号を出力するよう撮像部2の各部を制御する。なお、縞パターン光の発光、並びにCCD13の各受光素子からの受光信号の取得の制御については後述する。
また、測距装置1は、撮影条件設定部22、画像処理部23、圧縮/伸長処理部24、フレームメモリ25、メディア制御部26、内部メモリ27、および表示制御部28を備える。
撮影条件設定部22は、あらかじめ定められた焦点距離、絞り値およびシャッタ速度を記憶しており、撮影を行う際に、焦点距離、絞り値およびシャッタ速度を撮像部2に出力する。
画像処理部23は、後述するように生成された距離画像の画像データに対して、階調補正、シャープネス補正等の画像処理を施す。
圧縮/伸長処理部24は、画像処理部23によって画像処理が施された距離画像の画像データに対して、例えば、JPEG等の圧縮形式で圧縮処理を行い、画像ファイルを生成する。この画像ファイルには、Exifフォーマット等に基づいて、撮影日時等の付帯情報が格納されたタグが付加される。
フレームメモリ25は、撮像部2が取得した受光信号に対して、前述の画像処理を含む各種処理を行う際に使用する作業用メモリである。
メディア制御部26は、記録メディア29にアクセスして距離画像の画像ファイルの書き込みと読み込みの制御を行う。
内部メモリ27は、測距装置1において設定される各種定数、およびCPU32が実行するプログラム等を記憶する。
表示制御部28は、フレームメモリ25に格納された画像データをモニタ30に表示させたり、記録メディア29に記録されている画像をモニタ30に表示させたりするためのものである。
また、測距装置1は、距離画像生成部31およびCPU32を備える。
距離画像生成部31は、撮像部2が取得した受光信号を用いて被写体上の各点の測距装置1からの距離情報D1を、CCD13における受光素子毎に算出する。以下、距離情報D1の算出について説明する。
距離画像生成部31は、位相シフト法により距離情報D1を算出する。具体的には、縞パターン光と、被写体により反射された反射光との位相差を算出し、位相差に基づいて距離情報D1を算出する。
図3は縞パターン光の照射および反射光の受光を説明するための図である。本実施形態においては、図3(a)に示すように縞パターン光を被写体に照射して1回目の反射光の受光を行う。なお、図3(a)はパターンの位相の移動の周期の基準となるため位相を0(すなわち基準位相)としている。次いで、図3(b)に示すようにパターンの位相を基準位相からπ/2ずらして縞パターン光を被写体に照射して2回目の反射光の受光を行う。次いで、図3(c)に示すようにパターンの位相を基準位相からπずらして縞パターン光を被写体に照射して3回目の反射光の受光を行う。そして、図3(d)に示すようにパターンの位相を基準位相から3π/2ずらして縞パターン光を被写体に照射して4回目の反射光の受光を行う。
図4は位相差の算出を説明するための図である。なお、図4においては、縞パターン光のパターンの移動における0、π/2、π、3π/2の位相において受光した反射光の受光光量を、それぞれF1、F2、F3、F4としている。図4に示すように、反射光の光量は被写体上の位置における表面の状態や色により変化しても、相対的な光量差は必ずパターンの位相差α分だけの変換を示すものとなる。
ここで、受光光量は縞パターン光における0、π/2、π、3π/2の位相において各受光素子から出力される受光信号に相当するため、以降の説明においては、受光信号についても受光光量と同一の参照符号F1、F2、F3、F4を用いるものとすると、受光信号F1、F2、F3、F4と位相差αとの関係は、次式のようになる。
α=tan-1{(F3−F1)/(F2−F4)} (1)
そして、距離画像生成部31は、位相差αから距離情報D1を下記の式(2)により算出する。
D1=c・α/(4πF) (2)
cは光速、Fは周波数(=ω/2π)である。
さらに、距離画像生成部31は、上述したように受光素子単位で算出した距離情報D1を各画素の画素値とする距離画像S1を生成する。
ところで、照射部16からの縞パターン光の発光不良、撮像部2における反射光以外の外光の受光、およびCCD13での受光素子の異常等が生じていない場合、基準位相の受光信号F1と基準位相からπずれた位相の受光信号F3との加算信号である第1の加算信号(F1+F3)、および基準位相からπ/2ずれた位相の受光信号F2と基準位相から3π/2ずれた位相の受光信号F4との加算信号である第2の加算信号(F2+F4)は略同一の値となる。したがって、第1および第2の加算信号(F1+F3),(F2+F4)が略同一の値とならない場合には、照射部16からの縞パターン光の発光不良、撮像部2における反射光以外の外光の受光、およびCCD13での受光素子の異常等が生じていると見なすことができる。
このため距離画像生成部31は、距離情報D1の算出前に、受光信号F1、F2、F3、F4を用いて、第1の加算信号(F1+F3)と第2の加算信号(F2+F4)との差分値の絶対値を算出し、絶対値をしきい値Th1と比較し、絶対値がしきい値Th1未満となる受光信号を取得した受光素子においてのみ距離情報D1を算出する。
なお、しきい値Th1は、受光信号の関数により設定する。本実施形態においては、第1の加算信号(F1+F3)にあらかじめ定められた係数k0を乗算した値k0(F1+F3)を算出し、算出した値k0(F1+F3)をしきい値Th1として設定するものとする。なお、第2の加算信号(F2+F4)に係数k0を乗算した値k0(F2+F4)をしきい値Th1として設定してもよい。
CPU32は、入出力部33からの信号に応じて測距装置1の各部を制御する。
データバス34は、測距装置1を構成する各部およびCPU32に接続されており、測距装置1における各種データおよび各種情報のやり取りを行う。
次いで、本実施形態において行われる処理について説明する。図5は本実施形態において行われる処理を示すフローチャートである。
撮影指示が行われることによりCPU32が処理を開始し、撮像部2がCPU32からの指示により、パターンの位相をπ/2ずつずらしながら照射部16から縞パターン光を被写体に向けて発光し(ステップST1)、さらに縞パターン光の被写体による反射光をパターンの移動における0、π/2、π、3π/2の位相において受光して、CCD13のすべての受光素子において、4つの受光信号F1、F2、F3、F4を取得する(ステップST2)。
次いで、距離画像生成部31が、距離情報算出の対象となる受光素子を最初の受光素子に設定し(i=1、ステップST3)、対象となる受光素子において取得された4つの受光信号F1、F2、F3、F4から第1の加算信号(F1+F3)および第2の加算信号(F2+F4)を算出する(ステップST4)。そして、第1の加算信号(F1+F3)に係数k0を乗算してしきい値Th1を算出し(ステップST5)、さらに第1の加算信号(F1+F3)と第2の加算信号(F2+F4)との差分値の絶対値|(F1+F3)−(F2+F4)|がしきい値Th1よりも小さいか否かを判定する(ステップST6)。
ステップST6が肯定されると、距離画像生成部31は、対象の受光素子については距離情報D1を算出するように設定する(ステップST7)。一方、ステップST6が否定されると、対象の受光素子については距離情報D1を算出しないように設定する(ステップST8)。
ステップST7,ST8に続いて、距離画像生成部31は、すべての受光素子について距離情報D1の算出の有無を判定したか否かを判定し(ステップST9)、ステップST9が否定されると処理の対象を次の受光素子に変更し(i=i+1、ステップST10)、ステップST4に戻ってステップST4以降の処理を繰り返す。
ステップST9が肯定されると、距離画像生成部31は、距離情報D1を算出するように設定された受光素子について、4つの受光信号F1、F2、F3、F4から上記式(1)により位相差αを算出し(ステップST11)さらに、式(2)により距離情報D1を算出し(ステップST12)、距離情報D1を各画素の画素値とする距離画像S1を生成する(ステップST13)。そして、メディア制御部26が距離画像S1の画像データを記録メディア29に記録し(ステップST14)、処理を終了する。
このように、本実施形態においては、第1および第2の加算信号(F1+F3),(F2+F4)の差分値の絶対値がしきい値Th1未満となった受光素子においてのみ距離情報D1を算出するようにしたため、照射部16からの縞パターン光の発光不良、撮像部2における反射光以外の外光の受光、およびCCD13での受光素子の異常等が生じていても、距離の測定に適さない受光信号を用いることによる誤測距を防止することができ、その結果、精度よく距離情報D1を算出することができる。
また、しきい値Th1を受光信号の関数により設定することにより、反射光の光量に応じてしきい値を設定することができる。
なお、上記実施形態においては、第1の加算信号(F1+F3)にあらかじめ定められた係数k0を乗算した値をしきい値Th1として用いているが、各種第1の加算信号(F1+F3)に応じたしきい値Th1をあらかじめテーブルとして内部メモリ27に記憶しておき、このテーブルを参照してしきい値Th1を求めるようにしてもよい。また、あらかじめ定められた所定の値をしきい値Th1として用いてもよい。
また、上記実施形態においては、縞パターン光を正弦波状に変化させているが、三角波、パルス波等、一定の周期で強度が変化するものであれば、どのように変化させてもよい。
また、上記実施形態においては、測距装置1内において距離画像を生成しているが、距離画像生成部31を装置1外に設け、入出力部33から受光信号を外部の距離画像生成部31に出力して距離画像を生成するようにしてもよい。
以上、本発明の実施形態に係る測距装置について説明したが、コンピュータを、上記の距離画像生成部31に対応する手段として機能させ、図5に示すような処理を行わせるプログラムも、本発明の実施形態の1つである。また、そのようなプログラムを記録したコンピュータ読取り可能な記録媒体も、本発明の実施形態の1つである。
本発明の実施形態による測距装置の構成を示す概略ブロック図 照射部の構成を示す概略ブロック図 縞パターン光の照射および反射光の受光を説明するための図で 位相差の算出を説明するための図 本実施形態において行われる処理を示すフローチャート
符号の説明
1 測距装置
2 撮像部
13 CCD
16 照射部
19 撮像制御部
31 距離画像生成部
32 CPU

Claims (4)

  1. 強度が周期的に変化する縞パターン光を、パターンの位相を移動させつつ被写体に照射する照射手段と、
    前記被写体による前記縞パターン光の反射光を受光し、受光光量に応じた受光信号を出力する複数の受光素子が2次元状に配列された撮像素子を有する撮像手段と、
    前記縞パターン光の位相が該縞パターンの1周期分移動するまで、該縞パターン光のパターンの位相を基準位相からπ/2ずつずらして前記被写体に該縞パターンを照射し、前記基準位相、該基準位相からπ/2ずれた位相、該基準位相からπずれた位相および該基準位相から3π/2ずれた位相のそれぞれにおいて前記反射光を受光するよう、前記照射手段および前記撮像手段を制御する撮像制御手段と、
    前記縞パターン光の位相の前記1周期分の移動に対応して、前記受光素子毎に取得される4つの位相の受光信号から、前記縞パターン光と該縞パターン光の反射光との位相差を前記受光素子毎に算出し、該位相差に基づいて前記被写体までの距離を表す距離情報を前記受光素子毎に算出する距離情報算出手段とを備え、
    前記距離情報算出手段は、前記4つの位相の受光信号のうち、前記基準位相の受光信号と該基準位相からπずれた位相の受光信号との加算信号である第1の加算信号、および前記基準位相からπ/2ずれた位相の受光信号と該基準位相から3π/2ずれた位相の受光信号との加算信号である第2の加算信号の差分値の絶対値を算出し、該絶対値が所定のしきい値未満となった前記受光素子においてのみ、前記距離情報を算出する手段であることを特徴とする測距装置。
  2. 前記距離情報算出手段は、前記所定のしきい値を前記4つの位相の受光信号のうちの所定の受光信号の関数として設定する手段であることを特徴とする請求項1記載の測距装置。
  3. 強度が周期的に変化する縞パターン光を、パターンの位相を移動させつつ被写体に照射する照射手段と、
    前記被写体による前記縞パターン光の反射光を受光し、受光光量に応じた受光信号を出力する複数の受光素子が2次元状に配列された撮像素子を有する撮像手段と、
    前記縞パターン光の位相が該縞パターンの1周期分移動するまで、該縞パターン光のパターンの位相を基準位相からπ/2ずつずらして前記被写体に該縞パターンを照射し、前記基準位相、該基準位相からπ/2ずれた位相、該基準位相からπずれた位相および該基準位相から3π/2ずれた位相のそれぞれにおいて前記反射光を受光するよう、前記照射手段および前記撮像手段を制御する撮像制御手段と、
    前記縞パターン光の位相の前記1周期分の移動に対応して、前記受光素子毎に取得される4つの位相の受光信号から、前記縞パターン光と該縞パターン光の反射光との位相差を前記受光素子毎に算出し、該位相差に基づいて前記被写体までの距離を表す距離情報を前記受光素子毎に算出する距離情報算出手段とを備えた測距装置における測距方法であって、
    前記4つの位相の受光信号のうち、前記基準位相の受光信号と該基準位相からπずれた位相の受光信号との加算信号である第1の加算信号、および前記基準位相からπ/2ずれた位相の受光信号と該基準位相から3π/2ずれた位相の受光信号との加算信号である第2の加算信号の差分値の絶対値を算出し、
    該絶対値が所定のしきい値未満となった前記受光素子においてのみ、前記距離情報を算出することを特徴とする測距方法。
  4. 強度が周期的に変化する縞パターン光を、パターンの位相を移動させつつ被写体に照射する照射手段と、
    前記被写体による前記縞パターン光の反射光を受光し、受光光量に応じた受光信号を出力する複数の受光素子が2次元状に配列された撮像素子を有する撮像手段と、
    前記縞パターン光の位相が該縞パターンの1周期分移動するまで、該縞パターン光のパターンの位相を基準位相からπ/2ずつずらして前記被写体に該縞パターンを照射し、前記基準位相、該基準位相からπ/2ずれた位相、該基準位相からπずれた位相および該基準位相から3π/2ずれた位相のそれぞれにおいて前記反射光を受光するよう、前記照射手段および前記撮像手段を制御する撮像制御手段と、
    前記縞パターン光の位相の前記1周期分の移動に対応して、前記受光素子毎に取得される4つの位相の受光信号から、前記縞パターン光と該縞パターン光の反射光との位相差を前記受光素子毎に算出し、該位相差に基づいて前記被写体までの距離を表す距離情報を前記受光素子毎に算出する距離情報算出手段とを備えた測距装置における測距方法をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
    前記4つの位相の受光信号のうち、前記基準位相の受光信号と該基準位相からπずれた位相の受光信号との加算信号である第1の加算信号、および前記基準位相からπ/2ずれた位相の受光信号と該基準位相から3π/2ずれた位相の受光信号との加算信号である第2の加算信号の差分値の絶対値を算出する手順と、
    該絶対値が所定のしきい値未満となった前記受光素子においてのみ、前記距離情報を算出する手順とをコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
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