JP4699773B2 - Speed sensor, speed sensor program, and mobile body equipped with these - Google Patents

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Description

本発明は、速度センサーおよび速度センサープログラムに係り、特に、圃場においてトラクターの速度に連動して農薬散布や肥料散布をする場合に好適な速度センサーおよび速度センサープログラムに関するものである。   The present invention relates to a speed sensor and a speed sensor program, and more particularly to a speed sensor and a speed sensor program suitable for spraying agricultural chemicals and fertilizer in conjunction with the speed of a tractor in a field.

従来より、トラクターの速度に連動して作業を行う肥料散布機等においては、近接センサによってトラクターの速度を検出する方法が知られている(特許文献1)。この方法は、接地しているタイヤのタイヤホイルに磁石等の被検出体を設けるとともに、トラクター本体側に磁気センサ等の近接センサを取り付けている。そして、この近接センサで被検出体を検出することによりタイヤホイルの回転量を取得し、この回転量から算出された移動距離に基づいてトラクターの速度を導出するようになっている。   Conventionally, a method for detecting the speed of a tractor using a proximity sensor is known for a fertilizer spreader or the like that performs work in conjunction with the speed of a tractor (Patent Document 1). In this method, a detected object such as a magnet is provided on a tire wheel of a grounded tire, and a proximity sensor such as a magnetic sensor is attached to the tractor body side. And the rotation amount of a tire wheel is acquired by detecting a to-be-detected body with this proximity sensor, and the speed of a tractor is derived | led-out based on the moving distance calculated from this rotation amount.

また、上記した近接センサ以外にも、非接触型センサによる方式として、レーダーや超音波等の反射によるドップラ効果を利用して速度を検出する方法が知られている(特許文献2)。この方法では、レーザー光、マイクロ波、超音波等を発信する発信手段と、この発信手段から発信されて地面で反射された反射波を受信する受信手段をトラクター本体に取り付けている。そして、発信波に対する受信波の周波数の変化に基づいて、速度を測定するようになっている。さらに、近年、GPS(Global Positioning System)信号を用いて速度を検出する方法が知られている。   In addition to the proximity sensor described above, as a method using a non-contact type sensor, there is known a method for detecting a speed using a Doppler effect caused by reflection of radar, ultrasonic waves, or the like (Patent Document 2). In this method, transmitting means for transmitting laser light, microwaves, ultrasonic waves, and the like, and receiving means for receiving reflected waves transmitted from the transmitting means and reflected by the ground are attached to the tractor body. Then, the speed is measured based on the change in the frequency of the received wave with respect to the transmitted wave. Furthermore, in recent years, a method for detecting speed using a GPS (Global Positioning System) signal is known.

実開平2−120121号公報Japanese Utility Model Publication No. 2-120121 特開2001−306107号公報JP 2001-306107 A

しかしながら、特許文献1に記載された発明を含め、近接センサを使用する方法では、接地面に対するタイヤのスリップやタイヤへの荷重状況による有効径の変化等が、算出される移動距離に大きく影響するため、実際の移動速度を高精度に導出することはできないという問題がある。特に農作業用のトラクターにおいては舗装された地面ではないため影響が大きい。また、各作業機ごとにタイヤの大きさや利用条件等が異なるため、様々な条件に合わせて近接センサを取り付けなければならないという煩わしさもある。   However, in the method using the proximity sensor including the invention described in Patent Document 1, the change in the effective diameter due to the slip of the tire with respect to the contact surface and the load condition on the tire greatly affects the calculated travel distance. Therefore, there is a problem that the actual moving speed cannot be derived with high accuracy. Especially in agricultural tractors, the impact is great because it is not paved ground. In addition, since the size of tires and usage conditions differ for each work machine, there is also the inconvenience of having to install a proximity sensor according to various conditions.

なお、本件出願人は、実際に圃場においてどの程度のスリップが生じるものか確認するため、ビートハーベスタを使用し、走行速度や機体重量を変化させたときのタイヤの地面に対するスリップ率を測定したところ、平均約10%の割合でタイヤがスリップしている事実がある。したがって、作業機が農薬散布用機械(スプレーヤ)の場合、速度に連動させて農薬を散布するため、速度が10%ずれると農薬の散布量が均一でなくなってしまう。上述の実験のように、実際の農薬散布用機械の速度に対して速度センサーの数字が10%多く算出される場合、農薬が過剰に散布されてしまうため農作物に障害が生じるおそれがある。また、肥料を散布する肥料散布作業機においても速度データに連動して散布量を制御する場合には同様な問題が生じる。あるいは自走式の収穫機で速度データを使い、収穫機の堀取コンベアの回転速度を制御しようとする場合、予定する速度データが得られないと、収穫物を損傷してしまうという問題もある。   In order to confirm how much slip actually occurs in the field, the present applicant measured the slip ratio with respect to the ground of the tire when the traveling speed and the weight of the aircraft were changed using a beat harvester. There is a fact that tires slip at an average rate of about 10%. Therefore, when the working machine is a pesticide spraying machine (sprayer), the pesticide is sprayed in conjunction with the speed, and therefore the spraying amount of the pesticide is not uniform when the speed deviates by 10%. When the speed sensor number is calculated 10% more than the actual speed of the agricultural chemical spraying machine as in the above-described experiment, agricultural chemicals are excessively sprayed, which may cause damage to the crops. Further, in the fertilizer application work machine for applying fertilizer, the same problem occurs when the application amount is controlled in conjunction with the speed data. Or, when using the speed data with a self-propelled harvester and trying to control the rotation speed of the harvester's digging conveyor, there is also a problem that the harvest will be damaged if the expected speed data is not obtained .

なお、上記スリップ率(%)は、以下の定義により求めた。
スリップ率=100*(本来進むべき距離−実際に進んだ距離)/(本来進むべき距離)
本来進むべき距離:タイヤの円周に回転数を乗じた値
実際に進んだ距離:実際に作業機が圃場を進んだ距離
The slip ratio (%) was determined according to the following definition.
Slip rate = 100 * (distance to be originally traveled−actual distance traveled) / (distance to be originally traveled)
Original distance to travel: Value obtained by multiplying the circumference of the tire by the number of revolutions Actual distance traveled: Distance the work implement actually traveled on the field

また、特許文献2に記載された発明を含め、レーダーや超音波等を使用する方法では、装置にかかるコストが極めて高くなって実用化が難しいし、超音波等を使用するにあたって電波法に基づく許可が必要となるため手続が煩雑である。特に、超音波に関しては雑信号等の外乱の影響を受け易く、圃場のような環境では十分な検出精度を得ることができないという問題がある。また、GPS信号を利用する方法では、圃場の周囲に存在する防風林等の障害物によりGPS信号が遮断されると、速度が検出できなくなるおそれがあるし、この方法でも装置にかかるコストが高いという問題がある。   In addition, the method using radar, ultrasonic waves, etc., including the invention described in Patent Document 2, is extremely expensive and difficult to put into practical use. Since permission is required, the procedure is complicated. In particular, ultrasonic waves are easily affected by disturbances such as miscellaneous signals, and there is a problem that sufficient detection accuracy cannot be obtained in an environment such as a field. Also, in the method using the GPS signal, if the GPS signal is interrupted by an obstacle such as a windbreak forest around the field, the speed may not be detected, and this method also has a high cost for the apparatus. There's a problem.

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、圃場における農耕用トラクタ等の対地面実速度をタイヤのスリップ等の影響を受けずに安価で精度よく測定する速度センサーおよび速度センサープログラムを提供することを目的としている。   The present invention has been made to solve such problems, and is a speed at which the actual speed with respect to the ground of an agricultural tractor or the like in a field can be measured inexpensively and accurately without being affected by tire slip or the like. It aims to provide a sensor and speed sensor program.

本発明に係る速度センサーの特徴はは、移動体から地面を撮影する撮影手段と、この撮影手段によって撮影された撮影画像を記憶する記憶手段と、この記憶手段から1枚の静止画像を取得して所定のテンプレート画像を切り出すとともに所定の時間経過後の静止画像を取得して前記テンプレート画像と照合して移動画素数を求めることにより前記移動体の速度を算出する演算処理手段とを有する速度センサーであって、前記演算処理手段は、速度算出の基準となる参照画像を取得するとともに、所定の時間経過後に照合対象となる照合対象画像を取得する静止画像取得部と、前記参照画像内からテンプレート画像を切り出してこれを構成する画素の最大明度勾配方向を符号として取得するとともに、前記照合対象画像内から所定範囲の探索領域を選択して当該探索領域を構成する画素の最大明度勾配方向を符号として取得する方向符号化処理部と、前記テンプレート画像の最大勾配方向の符号と前記探索領域の最大勾配方向の符号とを比較した残差絶対値の総和を求め、この総和を全画素数で割った平均残差絶対値を用いて照合する方向符号照合部と、前記照合の結果、前記探索領域内において前記平均残差絶対値が最も小さい画像を前記テンプレート画像同一類似画像として特定する同一類似画像特定部と、前記テンプレート画像および前記同一類似画像を比較して移動画素数を算出する移動画素数算出部と、算出した移動画素数に基づいて前記移動体の実速度を算出する実速度算出部とを有する点にある。 The speed sensor according to the present invention is characterized by an imaging unit that images the ground from a moving body, a storage unit that stores a captured image captured by the imaging unit, and a single still image obtained from the storage unit. A speed sensor comprising: an arithmetic processing unit that cuts out a predetermined template image and obtains a still image after a predetermined time has elapsed and collates with the template image to obtain the number of moving pixels, thereby calculating the speed of the moving body. The arithmetic processing means acquires a reference image serving as a reference for speed calculation, a still image acquisition unit that acquires a collation target image to be collated after a predetermined time, and a template from within the reference image. The image is cut out, and the maximum brightness gradient direction of the pixels constituting the image is acquired as a code, and a search area within a predetermined range from the verification target image is obtained. The direction encoding processing unit that acquires the maximum brightness gradient direction of the pixels constituting the search area as a code by comparing the code of the maximum gradient direction of the template image with the code of the maximum gradient direction of the search area and obtains the sum of the residual absolute value and the direction code collating unit for collating with the average residual absolute value obtained by dividing the sum by the total number of pixels, the result of collation, the average residual absolute in the search area the same similar image specifying unit value to identify the smallest image as the same similar image of the template image, and the template image and the same similar image moving pixel number to calculate the number of pixels moved by comparing the calculation unit, was calculated And an actual speed calculation unit that calculates an actual speed of the moving body based on the number of moving pixels.

また、本発明において、前記方向符号化処理部ないし前記移動画素数算出部は、1枚の参照画像から複数枚のテンプレート画像を切り出して方向符号化処理を実行し、それぞれのテンプレート画像と同一又は類似する同一類似画像を求めて移動画素数を算出するとともに、さらに、演算処理手段は、それら複数枚のテンプレート画像における移動画素数の差を求めて、その差が所定の閾値以下にあるか否かを判別する移動画素数差判別部と、移動画素数差がいずれも閾値以下にない場合に、テンプレート画像と同一類似画像との方向符号に基づく類似度が所定の閾値以下にあるか否かを判別する類似度判別部とを有しており、これら判別部の判別結果に基づき、前記移動画素数算出部が、前記移動画素数差の判別の結果、前記移動画素数差が所定の閾値以下にあるテンプレート画像が存在する場合、それらの移動画素数から平均移動画素数を算出し、一方、前記移動画素数差がいずれも所定の閾値以下にないが、類似度の判別の結果、前記類似度が所定の閾値以下にあるテンプレート画像およびこれの同一類似画像が存在する場合、これにより移動画素数を算出することが好ましい。このような構成によれば誤差の小さい移動画素数に基づく実速度の算出が可能となり、精度向上が図られる。   In the present invention, the direction encoding processing unit or the moving pixel number calculating unit cuts out a plurality of template images from one reference image and executes direction encoding processing, and is the same as each template image or While calculating the number of moving pixels by obtaining similar identical images, the arithmetic processing means obtains a difference in the number of moving pixels in the plurality of template images, and whether or not the difference is equal to or less than a predetermined threshold value. Whether or not the similarity based on the direction code between the template image and the same similar image is less than a predetermined threshold when both the moving pixel number difference determination unit and the moving pixel number difference are not less than the threshold A determination unit for determining the difference between the moving pixel numbers based on the determination results of the determining units. If there is a template image that is less than or equal to a certain threshold value, the average number of moving pixels is calculated from the number of those moving pixels. On the other hand, the difference in the number of moving pixels is not less than or equal to a predetermined threshold value. As a result, when there is a template image whose similarity is equal to or less than a predetermined threshold and the same similar image, it is preferable to calculate the number of moving pixels. According to such a configuration, the actual speed can be calculated based on the number of moving pixels with a small error, and the accuracy can be improved.

さらに、本発明において、前記方向符号照合部は、各画素間の方向符号を比較して残差絶対値の総和を求める際、前の残差絶対値の総和との比較を行い、その総和以上に大きくなった場合、その時点で計算処理を止め、探索領域内の次の画像との照合処理に移行することが好ましい。このような構成によれば、照合処理の負担が軽減されて速度算出処理が高速化する。   Furthermore, in the present invention, when the direction code collating unit compares the direction codes between the pixels to obtain the sum of the residual absolute values, the direction code collating unit performs a comparison with the sum of the previous residual absolute values, and more than the sum If it becomes larger, it is preferable to stop the calculation process at that time and shift to the collation process with the next image in the search area. According to such a configuration, the load of the collation process is reduced and the speed calculation process is accelerated.

また、本発明において、演算処理手段は、参照画像を取得後に照合対象画像を取得するまでの時間間隔を移動体の速度に応じて任意に設定可能な速度域設定部を有することが好ましい。このような構成によれば、現実の速度に応じて画像の取得時間間隔が定められるため、テンプレート画像と近似する同一類似画像が照合対象画像からフレームアウトしてしまうような問題を防ぐことができ、確実に実速度を算出し得る。さらに、本発明において、前記方向符号化処理部が、1枚の参照画像から3枚のテンプレート画像を切り出し、これらのうち2番目のテンプレート画像を前記参照画像の中央位置から切り出す場合、前記移動画素数差判別部は、2番目のテンプレート画像と1番目のテンプレート画像との移動画素数の差、および2番目のテンプレート画像と3番目のテンプレート画像との移動画素数の差を算出し、各差が所定の閾値以下にあるか否かを判別してもよい。 In the present invention, it is preferable that the arithmetic processing unit includes a speed range setting unit that can arbitrarily set a time interval from the acquisition of the reference image to the acquisition of the verification target image according to the speed of the moving body. According to such a configuration, since the image acquisition time interval is determined according to the actual speed, it is possible to prevent a problem that the same similar image that approximates the template image is framed out from the collation target image. The actual speed can be calculated reliably. Further, in the present invention, when the direction encoding processing unit cuts out three template images from one reference image, and when the second template image is cut out from the center position of the reference image, the moving pixel The number difference determination unit calculates a difference in the number of moving pixels between the second template image and the first template image, and a difference in the number of moving pixels between the second template image and the third template image. It may be determined whether or not is below a predetermined threshold.

また、本発明に係る速度センサープログラムの特徴は、撮影手段により移動体から撮影された地面の撮影画像を記憶する記憶手段と、この記憶手段から1枚の静止画像を取得して所定のテンプレート画像を切り出すとともに所定の時間経過後の静止画像を取得して前記テンプレート画像と照合して移動画素数を求めることにより前記移動体の速度を算出する演算処理手段と、算出された速度を表示する表示手段としてコンピュータを実行させる速度センサープログラムであって、前記演算処理手段が前記記憶手段から速度算出の基準となる参照画像を取得する参照画像取得ステップと、前記参照画像内からテンプレート画像を切り出してこれを構成する画素の最大明度勾配方向を符号として取得するテンプレート画像方向符号化ステップと、前記参照画像取得後に所定の時間間隔をおいて照合対象画像を取得する照合対象画像取得ステップと、前記照合対象画像内から所定範囲の探索領域を選択して当該探索領域を構成する画素の最大明度勾配方向を符号として取得する探索領域方向符号化ステップと、前記テンプレート画像の最大勾配方向の符号と前記探索領域の最大勾配方向の符号とを比較した残差絶対値の総和を求め、この総和を全画素数で割った平均残差絶対値を用いて照合する方向符号照合ステップと、この照合の結果、前記探索領域内において前記平均残差絶対値が最も小さい画像を前記テンプレート画像同一類似画像として特定する同一類似画像特定ステップと、前記テンプレート画像および前記同一類似画像を比較して移動画素数を算出する移動画素数算出ステップと、この算出した移動画素数に基づいて前記移動体の実速度を算出する実速度算出ステップとをコンピュータに実行させる点にある。 Further, the speed sensor program according to the present invention is characterized in that a storage unit that stores a photographed image of the ground photographed from a moving body by the photographing unit, and a predetermined template image obtained by acquiring one still image from the storage unit. And a processing unit for calculating the speed of the moving object by obtaining a still image after a predetermined time and collating with the template image to obtain the number of moving pixels, and a display for displaying the calculated speed A speed sensor program for causing a computer to execute as a means, wherein the arithmetic processing means obtains a reference image serving as a speed calculation reference from the storage means, and extracts a template image from the reference image. A template image direction encoding step for obtaining, as a code, the maximum brightness gradient direction of the pixels constituting A collation target image acquisition step of acquiring a collation target image at a predetermined time interval after acquiring the reference image, and a maximum brightness of pixels constituting the search region by selecting a search region within a predetermined range from the collation target image A search region direction encoding step for obtaining a gradient direction as a sign, and a sum of absolute values of residuals obtained by comparing a sign of the maximum gradient direction of the template image and a sign of the maximum gradient direction of the search area is obtained, and this sum is obtained. A direction code collation step for collation using an average residual absolute value divided by the total number of pixels, and an image having the smallest average residual absolute value in the search region as a result of the collation is the same similar image of the template image same similar images and specifying step, the template image and the number of pixels moved calculated stearyl for calculating the number of pixels moved by comparing the same similar image identifying as And flop is the real speed calculating step of calculating the actual speed of the moving object based on the moving number of pixels the calculated point to be executed by a computer.

また、本発明において、前記テンプレート画像方向符号化ステップないし前記移動画素数算出ステップでは、1枚の参照画像から複数枚のテンプレート画像を切り出して方向符号化処理を実行し、それぞれのテンプレート画像と同一又は類似する同一類似画像を求めて移動画素数を算出するとともに、さらに、それら複数枚のテンプレート画像における移動画素数の差を求めて、その差が所定の閾値以下にあるか否かを判別する移動画素数差判別ステップと、この移動画素数差の判別の結果、前記移動画素数差が所定の閾値以下にあるテンプレート画像が存在する場合、それらの移動画素数から平均移動画素数を算出する平均移動画素数算出ステップと、前記移動画素数差の判別の結果、移動画素数差がいずれも閾値以下にない場合、前記テンプレート画像と前記同一類似画像との方向符号に基づく類似度が所定の閾値以下にあるか否かを判別する類似度判別ステップと、この類似度の判別の結果、前記類似度が所定の閾値以下にあるテンプレート画像およびこれの同一類似画像が存在する場合、これにより移動画素数を算出する類似度基準移動画素数算出ステップとをコンピュータに実行させることが好ましい。   Further, in the present invention, in the template image direction encoding step or the moving pixel number calculating step, a plurality of template images are cut out from one reference image and a direction encoding process is executed, which is the same as each template image. Alternatively, the number of moving pixels is calculated by obtaining similar identical images, and further, a difference in the number of moving pixels in the plurality of template images is obtained, and it is determined whether or not the difference is equal to or less than a predetermined threshold value. If there is a template image in which the difference in the number of moving pixels is equal to or less than a predetermined threshold as a result of the difference in the number of moving pixels and the determination of the difference in the number of moving pixels, the average number of moving pixels is calculated from the number of moving pixels. As a result of the average moving pixel number calculating step and the determination of the moving pixel number difference, if the moving pixel number difference is not less than the threshold value, the test A similarity determination step for determining whether or not the similarity based on the direction code between the plate image and the same similar image is equal to or less than a predetermined threshold, and as a result of the similarity determination, the similarity is equal to or less than a predetermined threshold If the template image and the same similar image are present, it is preferable to cause the computer to execute a similarity-based moving pixel number calculating step for calculating the moving pixel number.

さらに、本発明において、前記方向符号照合ステップでは、各画素間の方向符号を比較して残差絶対値の総和を求める際、前の残差絶対値の総和との比較を行い、その総和以上に大きくなった場合、その時点で計算処理を止め、探索領域内の次の画像との照合処理に移行することが好ましい。   Further, in the present invention, in the direction code collation step, when comparing the direction codes between the pixels and obtaining the sum of the residual absolute values, the sum of the residual absolute values is compared, If it becomes larger, it is preferable to stop the calculation process at that time and shift to the collation process with the next image in the search area.

また、本発明において、速度域設定部によって移動体の速度域が変更された場合、参照画像の取得から照合対象画像の取得までの時間間隔を速度域に応じて設定する速度域設定ステップを実行させることが好ましい。さらに本発明において、前記テンプレート画像方向符号化ステップにおいて、1枚の参照画像から3枚のテンプレート画像を切り出し、これらのうち2番目のテンプレート画像を前記参照画像の中央位置から切り出す場合、前記移動画素数差判別ステップでは、2番目のテンプレート画像と1番目のテンプレート画像との移動画素数の差、および2番目のテンプレート画像と3番目のテンプレート画像との移動画素数の差を算出し、各差が所定の閾値以下にあるか否かを判別してもよい。また、本発明に係る移動体は、請求項1から請求項4のいずれかに記載の速度センサーまたは請求項5から請求項8のいずれかに記載の速度センサープログラムを備えてなるものである。 Further, in the present invention, when the speed range of the moving object is changed by the speed range setting unit, a speed range setting step for setting a time interval from acquisition of the reference image to acquisition of the comparison target image according to the speed range is executed. It is preferable to make it. Further, in the present invention, in the template image direction encoding step, when three template images are cut out from one reference image, and the second template image is cut out from the center position of the reference image, the moving pixel In the number difference determination step, a difference in the number of moving pixels between the second template image and the first template image and a difference in the number of moving pixels between the second template image and the third template image are calculated, and each difference is calculated. It may be determined whether or not is below a predetermined threshold. Moreover, the mobile body which concerns on this invention is provided with the speed sensor in any one of Claims 1-4, or the speed sensor program in any one of Claims 5-8.

本発明によれば、圃場における農耕用トラクタ等の対地面実速度をタイヤのスリップの影響を受けずに計測でき、農耕用トラクタの速度に連動して農薬散布や肥料散布、農産物の収穫など行う場合に精度よく作業を行うことができる。   According to the present invention, it is possible to measure the actual speed of an agricultural tractor or the like in the field without being affected by the slip of the tire, and in conjunction with the speed of the agricultural tractor, pesticide spraying, fertilizer spraying, crop harvesting, and the like are performed. The work can be performed with high accuracy.

以下、本発明に係る速度センサーおよび速度センサープログラムの実施形態について図面を用いて説明する。   Hereinafter, embodiments of a speed sensor and a speed sensor program according to the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は本実施形態における速度センサー1の構成を示す構成ブロック図であり、図2は本実施形態の速度計測原理を示す図である。本実施形態の速度センサー1は、トラクター等の移動体に搭載されるものであり、主として、移動体から地面を撮影するCCDカメラ等から構成される撮影手段2と、地面の撮影領域を照らす発光ダイオード等から構成される照明手段3と、前記撮影手段2によって撮影された撮影画像や速度センサープログラムをはじめ各種の情報を記憶するRAM(Random Access Memory)やROM(Read Only Memory)等から構成される記憶手段4と、移動体の速度を算出する演算処理手段5と、速度を表示する液晶ディスプレイ等から構成される速度表示手段6と、各種の設定を入力するための入力手段7とを有している。   FIG. 1 is a configuration block diagram showing the configuration of the speed sensor 1 in the present embodiment, and FIG. 2 is a diagram showing the speed measurement principle of the present embodiment. The speed sensor 1 according to the present embodiment is mounted on a moving body such as a tractor, and mainly includes a photographing unit 2 configured by a CCD camera or the like that photographs the ground from the moving body, and light emission that illuminates a photographing region on the ground. The illumination means 3 is composed of a diode and the like, and is composed of a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), and the like that store various information including a photographed image taken by the photographing means 2 and a speed sensor program. Storage means 4, calculation processing means 5 for calculating the speed of the moving body, speed display means 6 including a liquid crystal display for displaying the speed, and input means 7 for inputting various settings. is doing.

そして、図2に示すように、本実施形態における速度計測原理は、圃場での実際の移動距離をカメラ等の撮影手段2で撮影した画像内での移動画素数として検出し、この移動距離と移動時間の関係から速度を導出するようになっている。ここでカメラレンズの圃場からの高さH、カメラの焦点距離fを用いると、移動体の実速度Vは、V=(H/f)V´の関係になる。ここで相対速度V´は移動画素数と時間によって求められる値であるので、実速度VはHとfの比によって決定されることがわかる。   As shown in FIG. 2, the speed measurement principle in this embodiment is based on detecting the actual moving distance in the field as the number of moving pixels in the image taken by the photographing means 2 such as a camera. The speed is derived from the relationship of travel time. Here, when the height H of the camera lens from the field and the focal length f of the camera are used, the actual speed V of the moving body is in a relationship of V = (H / f) V ′. Here, since the relative speed V ′ is a value obtained by the number of moving pixels and time, it can be seen that the actual speed V is determined by the ratio of H and f.

つぎに本実施形態を構成する各構成手段について説明する。
撮影手段2は、できる限り一定の高さから地面を撮影できるように移動体に固定されており、動画を撮影して順次記録する。撮影した動画は記憶手段4へと送信するようにしてもよいし、CCDカメラに内蔵されている図示しない記憶部に記憶した後、必要な静止画像についてのみ取得して記憶手段4へ送信するようにしてもよい。また、撮影手段2の近傍には照明手段3が配置されており、撮影領域を的確に照らせるようになっている。このような照明手段3によって撮影領域を照らすことにより天候や陰による明度変化が抑制されるため、静止画像内の明度差をより正確に取得することができる。
Next, each constituent unit constituting the present embodiment will be described.
The photographing means 2 is fixed to the moving body so that the ground can be photographed from as high a height as possible, and photographs and sequentially records moving images. The captured moving image may be transmitted to the storage unit 4 or stored in a storage unit (not shown) built in the CCD camera, and then only necessary still images are acquired and transmitted to the storage unit 4. It may be. An illumination unit 3 is disposed in the vicinity of the photographing unit 2 so that the photographing region can be illuminated accurately. By illuminating the shooting area with such illumination means 3, the change in brightness due to the weather and shade is suppressed, so that the brightness difference in the still image can be acquired more accurately.

演算処理手段5は、CPU(Central Processing Unit)等から構成されており、記憶手段4に格納されている速度センサープログラムに基づいて各構成部を制御するとともに、各種のデータや設定情報を取得して適宜必要な処理を実行するようになっている。前記演算処理手段5の主な処理について説明すると、記憶手段4に記憶されている撮影画像から見本となる1枚の参照画像を取得し、所定の位置からテンプレート画像を切り出すとともに、所定の時間経過後にもう1枚の静止画像として照合対象画像を取得し、前記テンプレート画像と照合対象画像とを照合して前記テンプレート画像にできる限り相似な画像を取得し、所定時間における前記テンプレート画像の移動画素数を求め、この移動画素数に基づいて移動体の実速度を算出するようになっている。   The arithmetic processing means 5 is composed of a CPU (Central Processing Unit) and the like, and controls each component based on a speed sensor program stored in the storage means 4 and acquires various data and setting information. The necessary processing is executed as needed. The main processing of the arithmetic processing unit 5 will be described. One sample reference image is acquired from the photographed image stored in the storage unit 4, a template image is cut out from a predetermined position, and a predetermined time has elapsed. A collation target image is acquired as another still image later, the template image and the collation target image are collated to obtain an image as similar as possible to the template image, and the number of moving pixels of the template image in a predetermined time And the actual speed of the moving object is calculated based on the number of moving pixels.

つぎに、前述のような処理を行う演算処理手段5の構成について説明する。演算処理手段5は、主として、速度域設定部51と、静止画像取得部52と、方向符号化処理部53と、方向符号照合部54と、同一類似画像特定部55と、移動画素数算出部56と、移動画素数差判別部57と、類似度判別部58と、実速度算出部59とから構成されている。   Next, the configuration of the arithmetic processing means 5 that performs the processing as described above will be described. The arithmetic processing unit 5 mainly includes a speed range setting unit 51, a still image acquisition unit 52, a direction encoding processing unit 53, a direction code matching unit 54, an identical similar image specifying unit 55, and a moving pixel number calculating unit. 56, a moving pixel number difference determination unit 57, a similarity determination unit 58, and an actual speed calculation unit 59.

速度域設定部51は、移動体の速度に応じた処理を選択的に実行させる処理部である。例えば速度の大きさに応じて「低速・中速・高速」の速度域が選択できるようになっており、各速度域では画像取得の時間間隔が変更される。これは、移動体の速度に比べて画像取得時間間隔が長すぎると、テンプレート画像が照合対象画像からフレームアウトしてしまい移動画素数が求められなくなるし、逆に、速度に比べて画像取得時間間隔が短すぎても画像が同一になって移動画素数が求められなくなる。従って、このような事態を防止するため、作業内容を考慮してユーザが速度に応じて任意に設定できる手段が設けられている。この速度域設定部51の速度域を変更させるための操作ボタンが入力手段7に設けられている。なお、本実施形態では低速・中速・高速の3レンジを例示しているが、2レンジであってもよい。また、速度域設定部51が移動体の速度の変化を認識して自動的に速度域を変更し得るようにしてもよい。   The speed range setting unit 51 is a processing unit that selectively executes processing according to the speed of the moving object. For example, a speed range of “low speed / medium speed / high speed” can be selected according to the magnitude of the speed, and the time interval of image acquisition is changed in each speed range. This is because if the image acquisition time interval is too long compared to the speed of the moving object, the template image will be framed out of the image to be collated, and the number of moving pixels cannot be obtained. Even if the interval is too short, the images are the same and the number of moving pixels cannot be obtained. Therefore, in order to prevent such a situation, means that can be arbitrarily set by the user according to the speed in consideration of the work content is provided. An operation button for changing the speed range of the speed range setting unit 51 is provided on the input means 7. In this embodiment, three ranges of low speed, medium speed, and high speed are illustrated, but two ranges may be used. Further, the speed range setting unit 51 may recognize the change in the speed of the moving body and automatically change the speed range.

静止画像取得部52は、記憶手段4に記憶された動画から所定の時間間隔で参照画像と照合対象画像とを取得するようになっている。画像を取得する時間間隔は、速度域設定部51において設定される速度域に応じて決定され、移動速度が速ければフレームアウトを防ぐために短く、遅ければ長くされ、ある程度の移動画素数が取得されるように定められている。   The still image acquisition unit 52 acquires the reference image and the verification target image from the moving image stored in the storage unit 4 at predetermined time intervals. The time interval for acquiring an image is determined in accordance with the speed range set in the speed range setting unit 51. If the moving speed is fast, the time interval is short to prevent frame-out, and if the moving speed is slow, the time interval is long. It is stipulated that

方向符号化処理部53は、参照画像内から照合の基本となるテンプレート画像を切り出してこれを構成する全画素の最大明度勾配方向を符号として取得するようになっている。また、照合対象画像内から所定範囲の探索領域を選択してこの探索領域を構成する全画素の最大明度勾配方向を符号として取得するようになっている。このように画素の明度自体ではなく画素近傍における明度変化が最大となる勾配方向を量子化した値(整数値)を符号として取得する。この符号を方向符号と呼ぶ。   The direction encoding processing unit 53 cuts out a template image that is the basis of collation from the reference image and acquires the maximum brightness gradient direction of all the pixels constituting the template image as a code. Further, a search area within a predetermined range is selected from the collation target image, and the maximum brightness gradient direction of all the pixels constituting the search area is acquired as a code. In this way, a value (integer value) obtained by quantizing the gradient direction in which the brightness change in the vicinity of the pixel is maximized is acquired as a code, not the brightness of the pixel itself. This code is called a direction code.

参照画像の画素(x,y)での明度をI(x,y)とし、水平方向勾配を∇I=∂I/∂x、垂直方向勾配を∇I=∂I/∂yとすると、明度の勾配方向θxyは次式(1)で表される。
θxy=tan−1(∇I/∇I) ・・・式(1)
本実施形態では、Sobel演算子を用いて対象画素の8近傍の画素に対して演算を行い方向勾配を求める。方向符号Cxyは前記勾配方向θxyを量子化幅Δθで量子化した値であり、次式(2)で表される。

Figure 0004699773
ここでΓは低コントラストな画像を排除するための閾値である。水平方向勾配、垂直方向勾配の絶対値の和が閾値Γより大きい場合には0〜N−1に符号化され、小さい場合にはNに符号化される。閾値Γを導入した目的は画素近傍のコントラストの低い画素を排除し、安定して勾配方向を求めるためである。但し、あまり閾値Γの値を大きくすると方向符号の情報が抑制される。Cxyは量子化幅をΔθ=π/8とすると図3に示すような0〜15の値をとる。 When the brightness at the pixel (x, y) of the reference image is I (x, y), the horizontal gradient is ∇I x = ∂I / ∂x, and the vertical gradient is ∇I y = ∂I / ∂y. The gradient direction θ xy of brightness is expressed by the following equation (1).
θ xy = tan −1 (∇I x / ∇I y ) (1)
In this embodiment, the Sobel operator is used to calculate the directional gradient by performing computation on pixels in the vicinity of the target pixel. The direction code C xy is a value obtained by quantizing the gradient direction θ xy with a quantization width Δθ, and is represented by the following equation (2).
Figure 0004699773
Here, Γ is a threshold value for eliminating low-contrast images. When the sum of the absolute values of the horizontal gradient and the vertical gradient is larger than the threshold Γ, it is encoded as 0 to N−1, and when it is smaller, it is encoded as N. The purpose of introducing the threshold value Γ is to eliminate pixels with low contrast in the vicinity of the pixels and to obtain the gradient direction stably. However, if the value of the threshold Γ is increased too much, the direction code information is suppressed. C xy takes a value of 0 to 15 as shown in FIG. 3 when the quantization width is Δθ = π / 8.

上述した方向符号の分布は画像毎の固有性が高いため画像を表現する特徴量となる。また、明度の勾配方向は明度変化の影響が小さいことから、明度変化に対してロバスト(不変)な特徴量である。したがって、実際の圃場のように明度変化、遮蔽、ノイズ等の不良条件が多数存在する地面の画像対に対して類似度を求めるには好適な比較値といえる。   Since the above-described direction code distribution has high uniqueness for each image, it becomes a feature value for representing the image. In addition, the lightness gradient direction is a feature quantity that is robust (invariable) with respect to lightness change because the influence of lightness change is small. Therefore, it can be said that it is a suitable comparison value for obtaining the similarity with respect to a pair of ground images in which there are many defect conditions such as brightness change, shielding, and noise as in an actual field.

なお、方向符号化処理部53は、参照画像の予め定められた位置から複数枚のテンプレート画像、本実施形態では3枚のテンプレート画像が抜き取られるようになっている。これにより誤差が生じるのを防止し移動画素数の算出精度を高めている。   Note that the direction encoding processing unit 53 extracts a plurality of template images from the predetermined position of the reference image, that is, three template images in the present embodiment. This prevents errors from occurring and increases the accuracy of calculating the number of moving pixels.

つぎに方向符号照合部54は、図4に示すように、テンプレート画像を探索領域内において水平方向や垂直方向に順次移動させながらそれぞれの画像と照合するようになっている。つまり、テンプレート画像の最大勾配方向の符号と、照合対象画像内から選択した探索領域の最大勾配方向の符号とを比較した残差絶対値の総和を用い、これを全画素数で割った平均残差絶対値を求め、これが最小となるところを照合位置として検出するようになっている。そして、図4に示すように、画像サイズがM×Mの参照画像をIf、対象画像をIg、照合画素ごとの符号同士を(CIf,CIg)、残差絶対値をd、平均残差絶対値をDとすると、次式(3)で表される。

Figure 0004699773
Next, as shown in FIG. 4, the direction code collation unit 54 collates the template image with each image while sequentially moving the template image in the horizontal direction and the vertical direction. In other words, the sum of absolute values of residuals that compares the sign of the maximum gradient direction of the template image and the sign of the maximum gradient direction of the search area selected from the comparison target image is used, and this is divided by the total number of pixels. The absolute value of the difference is obtained, and the position where this difference is minimum is detected as the collation position. As shown in FIG. 4, the reference image with an image size of M × M is If, the target image is Ig, the codes for each matching pixel are (C If , C Ig ), the residual absolute value is d, the average residual is When the difference absolute value is D, it is expressed by the following equation (3).
Figure 0004699773

また、方向符号照合部54は、方向符号照合処理の計算を高速化するために最小値を検索する処理において、前の残差値との比較を行い、大きくなった時点で計算を終了し、次の照合計算に進むという打ち切り処理を導入している。これにより類似度が低い画像同士の場合、大幅に計算回数が削減される。   In addition, the direction code matching unit 54 performs comparison with the previous residual value in the process of searching for the minimum value in order to speed up the calculation of the direction code matching process, and ends the calculation when it becomes large, A censoring process is introduced to proceed to the next collation calculation. Thereby, in the case of images having low similarity, the number of calculations is greatly reduced.

つぎに、同一類似画像特定部55は、方向符号照合部54による照合の結果、探索領域内からテンプレート画像の方向符号とを比較した残差絶対値が最小誤差となる画像を最も近似する同一類似画像として特定するようになっている。   Next, as a result of the collation by the direction code collation unit 54, the same similar image specifying unit 55 is the same similarity that most closely approximates an image in which the residual absolute value obtained by comparing the direction code of the template image from the search region is the minimum error. It is specified as an image.

移動画素数算出部56は、同一類似画像特定部55によって特定された同一類似画像の位置と、初期のテンプレート画像の位置との画素数の差を移動画素数として算出するものである。また、後述する移動画素数差判別部57によって移動画素数差が判別された結果、移動画素数差が所定の閾値以下にあるテンプレート画像が存在する場合、それらの移動画素数から平均移動画素数を算出するようになっている。さらに、前記移動画素数差がいずれも所定の閾値以下にはないが、後述する類似度判別部58によって類似度が判別された結果、当該類似度が所定の閾値以下にあるテンプレート画像およびこれの同一類似画像が存在する場合、これらの移動画素数を速度算出に使用する移動画素数として特定するようになっている。   The moving pixel number calculating unit 56 calculates the difference in the number of pixels between the position of the same similar image specified by the same similar image specifying unit 55 and the position of the initial template image as the moving pixel number. Further, as a result of determining the moving pixel number difference by the moving pixel number difference determining unit 57, which will be described later, if there is a template image in which the moving pixel number difference is equal to or less than a predetermined threshold, the average moving pixel number is calculated from the moving pixel number. Is calculated. Further, although none of the difference in the number of moving pixels is less than or equal to a predetermined threshold, the similarity is determined by the similarity determination unit 58 described later, and as a result, the template image having the similarity less than or equal to the predetermined threshold and its template image When the same similar image exists, the number of moving pixels is specified as the number of moving pixels used for speed calculation.

移動画素数差判別部57は、より正確な移動画素数を求めるためのものであり、複数枚のテンプレート画像間の移動画素数の差を求めて、その差が所定の閾値以下にあるか否かを判別するようになっている。本実施形態では、3枚のテンプレート画像の移動画素数が求められているため、移動画素数差判別部57でも3枚の差が閾値以下にあるか否かが判別される。この判別の方法について説明する。3つのテンプレート画像のうち2番目のテンプレート画像は参照画像の中央位置から切り取られている。このため撮影レンズの中心に対応する画像であることから最も歪みが小さく信頼度の高い画像と考えられる。そこで移動画素数の差を比較する際もその2番目のテンプレート画像を中心に他の1番目のテンプレート画像との差、3番目のテンプレート画像との差をそれぞれ比較するようになっており、1番目と3番目のテンプレート画像の差は閾値判別されず効率化が図られている。   The moving pixel number difference discriminating unit 57 is for obtaining a more accurate moving pixel number. The moving pixel number difference determining unit 57 obtains a difference in moving pixel number between a plurality of template images and determines whether or not the difference is equal to or less than a predetermined threshold value. It is to determine whether. In the present embodiment, since the number of moving pixels of the three template images is obtained, the moving pixel number difference determining unit 57 also determines whether or not the difference between the three images is equal to or less than a threshold value. This determination method will be described. Of the three template images, the second template image is cut from the center position of the reference image. For this reason, since it is an image corresponding to the center of the photographic lens, it is considered to be an image with the least distortion and high reliability. Therefore, when comparing the difference in the number of moving pixels, the difference from the other first template image and the difference from the third template image are respectively compared around the second template image. The difference between the third and third template images is not determined as a threshold, and efficiency is improved.

類似度判別部58は、3枚のテンプレート画像における移動画素数の差がいずれも閾値以下ではない場合に、前記テンプレート画像と同一類似画像との方向符号を比較した類似度が所定の閾値以下にあるか否かを判別するようになっている。この類似度の判別は3枚全てのテンプレート画像について比較し、最も類似度の高いテンプレート画像を判別するようにしてもよいし、類似度が閾値以下にあるテンプレート画像を取得した段階で特定してもよいし、中心となる2番目のテンプレート画像のみを比較判別するようにしてもよい。   When the difference in the number of moving pixels in the three template images is not less than or equal to a threshold value, the similarity determination unit 58 compares the template image with the same similar image and the similarity is equal to or less than a predetermined threshold value. Whether or not it exists is determined. This similarity determination may be made by comparing all three template images and determining the template image having the highest similarity, or specifying the template image having a similarity equal to or less than a threshold value. Alternatively, only the central second template image may be compared and determined.

ここで、移動画素数差判別部57による3枚のテンプレート画像に対する移動画素数差の判別方法と、平均画素数の算出方法について図5を参照しながら説明する。ケース1は、3枚のテンプレート画像の移動画素数差がいずれも閾値以下にある場合である。この場合、移動画素数算出部56は3つの移動画素数を平均した平均移動画素数を算出する。また、ケース2およびケース3は、2枚のテンプレート画像の差が閾値以下にある場合である。この場合、閾値以下にある2つの移動画素数の平均値、具体的には2番目のテンプレート画像の移動画素数を2倍して閾値以下にある移動画素数差を加減し、2分の1にした値を移動画素数として算出する。一方、ケース4は、いずれの移動画素数差についても閾値以下にない場合である。この場合、テンプレート画像と同一類似画像との類似度が閾値以下にある画像対を求めて当該移動画素数を速度算出の基礎とする。仮にいずれの類似度も閾値以下にない場合にはこの移動画素数に基づく速度算出は行わない。   Here, a moving pixel number difference determining method for the three template images by the moving pixel number difference determining unit 57 and an average pixel number calculating method will be described with reference to FIG. Case 1 is a case where the difference in the number of moving pixels of the three template images is less than or equal to the threshold value. In this case, the moving pixel number calculating unit 56 calculates an average moving pixel number obtained by averaging the three moving pixel numbers. Case 2 and Case 3 are cases where the difference between the two template images is equal to or less than the threshold value. In this case, the average value of the two moving pixels below the threshold, specifically, the number of moving pixels of the second template image is doubled, and the difference in the number of moving pixels below the threshold is adjusted to be ½. The calculated value is calculated as the number of moving pixels. On the other hand, Case 4 is a case where no difference in the number of moving pixels is below the threshold value. In this case, an image pair in which the similarity between the template image and the same similar image is equal to or less than the threshold is obtained, and the number of moving pixels is used as a basis for speed calculation. If none of the similarities is below the threshold, the speed calculation based on the number of moving pixels is not performed.

つづいて実速度算出部59は、前述した移動画素数算出部56によって算出された移動画素数に基づいて移動体の実速度Vを算出するものである。具体的には図2で示したような速度計測原理に基づき、カメラレンズの圃場からの高さH、カメラの焦点距離f、取得フレーム間隔t、移動画素数m、受光素子の大きさLとすると、以下の式(4)によって算出される。

Figure 0004699773
Subsequently, the actual speed calculation unit 59 calculates the actual speed V of the moving object based on the number of moving pixels calculated by the moving pixel number calculation unit 56 described above. Specifically, based on the speed measurement principle as shown in FIG. 2, the height H of the camera lens from the field, the focal length f of the camera, the acquisition frame interval t, the number of moving pixels m, the size L of the light receiving element, Then, it calculates with the following formula | equation (4).
Figure 0004699773

本実施形態の各構成は以上のような構成を有している。ここで画像の取得と照合について検討すると、1枚の参照画像からテンプレート画像を取り出し、次に取得した照合対象画像で照合を行い、同時にテンプレート画像の取り出しを行うことを繰り返す処理では、照合時間の関係からフレーム取得間隔が可変になってしまい、移動画素数が照合ごとに変化してしまう。これを避けるために、テンプレート画像を取り出す参照画像と、照合する対象画像をある間隔tだけ空けて取得し、その後、照合時間T1の間に照合を行うように処理時間T2を設定している。これにより、移動画素数を大きく変化させないようにし、照合範囲の限定や方向符号化範囲の限定などの処理が有効になるといえる。このような処理の時間経過の状況を図6に示す。   Each configuration of the present embodiment has the above configuration. Considering image acquisition and collation here, in the process of repeatedly extracting a template image from one reference image, performing collation with the next collation target image, and extracting the template image at the same time, Due to the relationship, the frame acquisition interval becomes variable, and the number of moving pixels changes for each verification. In order to avoid this, the processing time T2 is set so that the reference image from which the template image is extracted and the target image to be collated are acquired with a certain interval t, and then collation is performed during the collation time T1. Thus, it can be said that the number of moving pixels is not significantly changed, and processing such as limitation of the collation range and limitation of the direction encoding range becomes effective. FIG. 6 shows the status of such processing over time.

つぎに、本実施形態における速度センサー1の作用および速度センサープログラムの動作について図7のフローチャートを参照しつつ説明する。   Next, the operation of the speed sensor 1 and the operation of the speed sensor program in the present embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.

まず、本実施形態の速度センサー1を動作させる場合、入力手段7の電源スイッチをオンにして速度センサー1を起動させる(スタート)。この電源スイッチに撮影手段2のスイッチを連動させてもよいし、別途撮影開始スイッチを設けてもよい。つづいて入力手段7を操作して作業内容に応じた速度域を選択すると、速度域設定部51によって選択された速度域が設定される(ステップS1)。これにより、静止画像取得部52が撮影手段2によって撮影された動画から参照画像たる静止画像を取得し、記憶手段4内の所定のメモリー部に記憶する(ステップS2)。つづいて方向符号化処理部53が参照画像から3枚のテンプレート画像を取得する(ステップS3)。このとき2枚目のテンプレート画像は参照画像の中央位置から取得するため歪みがなく最も精度の信頼性が高い。そして、方向符号化処理部53が3枚のテンプレート画像について各画素の最大明度勾配方向を求め、これを方向符号として取得する(ステップS4)。   First, when operating the speed sensor 1 of this embodiment, the power switch of the input means 7 is turned on and the speed sensor 1 is started (start). The switch of the photographing means 2 may be linked to this power switch, or a separate photographing start switch may be provided. Subsequently, when the speed range corresponding to the work content is selected by operating the input means 7, the speed range selected by the speed range setting unit 51 is set (step S1). Thereby, the still image acquisition unit 52 acquires a still image as a reference image from the moving image shot by the shooting unit 2, and stores it in a predetermined memory unit in the storage unit 4 (step S2). Subsequently, the direction encoding processing unit 53 acquires three template images from the reference image (step S3). At this time, since the second template image is acquired from the center position of the reference image, there is no distortion and the most accurate reliability is obtained. And the direction encoding process part 53 calculates | requires the maximum brightness gradient direction of each pixel about three template images, and acquires this as a direction code (step S4).

つぎに、所定の時間経過後に、静止画像取得部52が動画から照合対象画像たる静止画像を取り出し、記憶手段4内の所定メモリー部に記憶する(ステップS5)。その照合対象画像に対し、方向符号化処理部53が所定範囲の探索領域を設定して最大明度勾配方向を求め、方向符号として取得する(ステップS6)。   Next, after a predetermined time has elapsed, the still image acquisition unit 52 extracts a still image that is a verification target image from the moving image and stores it in a predetermined memory unit in the storage unit 4 (step S5). For the collation target image, the direction encoding processing unit 53 sets a search area within a predetermined range, obtains the maximum brightness gradient direction, and acquires it as a direction code (step S6).

つづいて、方向符号照合部54が、テンプレート画像の方向符号と探索領域内の方向符号とを照合する(ステップS7)。この照合では、図4に示すように、テンプレート画像を探索領域内の水平方向と垂直方向に順次移動するようにして照合を進める。そして、この方向符号の照合では、各画素同士の方向符号を比較して残差絶対値を求め、その総和を取得して全画素数で割った平均残差絶対値を取得する。この平均残差絶対値が最も小さな画像を同一類似画像として特定する(ステップS8)。このような照合・特定にあたり、計算の効率化・高速化を目的として、照合の際、すでに取得した残差値との比較を行い、残差絶対値の加算値が前の残差絶対値の加算値よりも大きくなった時点でそれ以上の加算処理を打ち切り、次の照合計算へ進む。   Subsequently, the direction code collation unit 54 collates the direction code of the template image with the direction code in the search area (step S7). In this collation, as shown in FIG. 4, the collation is advanced by sequentially moving the template image in the horizontal direction and the vertical direction in the search area. In this direction code collation, the direction codes of the respective pixels are compared to determine the residual absolute value, the total sum thereof is acquired, and the average residual absolute value obtained by dividing by the total number of pixels is acquired. The image having the smallest average residual absolute value is specified as the same similar image (step S8). In such collation and identification, for the purpose of improving the efficiency and speed of calculation, the comparison is made with the residual value that has already been obtained, and the added value of the residual absolute value is the same as the previous residual absolute value. When it becomes larger than the added value, the further addition processing is discontinued, and the process proceeds to the next collation calculation.

このような処理によってテンプレート画像に最も近似する同一類似画像を取得すると、前記テンプレート画像から同一類似画像へ移動した画素数の差を算出して移動画素数を求める(ステップS9)。これにより1枚目の移動画素数が求められる。つづいてステップS10により、すべてのテンプレート画像について移動画素数の算出が終了したか否かが判断され、他のテンプレート画像が残っている場合(NOの場合)には、ステップS7へと戻り、次のテンプレート画像について照合処理が繰り返される。   When the same similar image closest to the template image is acquired by such processing, the difference in the number of pixels moved from the template image to the same similar image is calculated to obtain the number of moving pixels (step S9). Thereby, the number of moving pixels of the first sheet is obtained. Subsequently, in step S10, it is determined whether or not the calculation of the number of moving pixels has been completed for all template images. If other template images remain (in the case of NO), the process returns to step S7, and the next The matching process is repeated for the template image.

一方、すべてのテンプレート画像の移動画素数が算出された場合(YESの場合)、ステップ11に進行する。ステップ11では、3枚のテンプレート画像の移動画素数について、それぞれの差が算出される。具体的には1枚目のテンプレート画像の移動画素数をd1、2枚目のテンプレート画像の移動画素数をd2、3枚目のテンプレート画像の移動画素数をd3とすると、移動画素数の差を(d2−d1)および(d2−d3)として求める。そして、その移動画素数差に応じて最終的に実速度の算出に適用されるか否かが決まる。   On the other hand, if the number of moving pixels of all template images has been calculated (in the case of YES), the process proceeds to step 11. In step 11, the respective differences are calculated for the number of moving pixels of the three template images. Specifically, if the number of moving pixels of the first template image is d1, the number of moving pixels of the second template image is d2, and the number of moving pixels of the third template image is d3, the difference in the number of moving pixels Are determined as (d2-d1) and (d2-d3). Whether or not to apply to the calculation of the actual speed is finally determined according to the difference in the number of moving pixels.

まず、移動画素数差判別部57によって3枚のテンプレート画像の移動画素数差が所定の閾値以下であるか否かが判断される(ステップS12)。YESの場合、つまり3枚の移動画素数差が閾値以下である場合、ステップ13に進行して移動画素数算出部56によって3枚のテンプレート画像の移動画素数の平均値が求められる。そして、この平均移動画素数に基づいて実速度算出部59が速度を算出し(ステップ18)、速度表示手段6によって速度表示がなされる(ステップS19)。一方、ステップS12の判断がNOの場合、つまり3枚の移動画素数差が閾値以下ではない場合、ステップS14に進行する。   First, the moving pixel number difference discriminating unit 57 determines whether or not the moving pixel number difference between the three template images is equal to or less than a predetermined threshold (step S12). If YES, that is, if the difference in the number of three moving pixels is equal to or less than the threshold value, the process proceeds to step 13 and the moving pixel number calculating unit 56 obtains the average value of the moving pixel numbers of the three template images. Based on this average moving pixel number, the actual speed calculation unit 59 calculates the speed (step 18), and the speed display means 6 displays the speed (step S19). On the other hand, if the determination in step S12 is NO, that is, if the difference between the three moving pixel numbers is not less than the threshold value, the process proceeds to step S14.

ステップS14では、2枚のテンプレート画像の移動画素数の差が閾値以下であるか否かが判断される。そして、YESの場合、つまり(d2−d1)または(d2−d3)のいずれかが閾値以下である場合には、ステップS15に進行し、当該閾値以下である2つのテンプレート画像の移動画素数から平均移動画素数を求める。そして、この平均移動画素数に基づいて実速度算出部59が速度を算出し(ステップ18)、速度表示手段6によって速度表示がなされる(ステップS19)。一方、ステップS14の判断がNOの場合、つまり2枚の移動画素数差が閾値以下ではない場合、ステップS16に進行する。   In step S14, it is determined whether or not the difference in the number of moving pixels between the two template images is equal to or less than a threshold value. If YES, that is, if either (d2-d1) or (d2-d3) is equal to or smaller than the threshold value, the process proceeds to step S15, and the number of moving pixels of two template images equal to or smaller than the threshold value is determined. The average number of moving pixels is obtained. Based on this average moving pixel number, the actual speed calculation unit 59 calculates the speed (step 18), and the speed display means 6 displays the speed (step S19). On the other hand, if the determination in step S14 is NO, that is, if the difference between the two moving pixel numbers is not less than the threshold value, the process proceeds to step S16.

ステップS16では、それぞれのテンプレート画像とこれに近似する各同一類似画像との間における類似度について、所定の閾値以下であるか否かが判断される。YESの場合、つまり平均残差絶対値に基づく類似度が所定の閾値以下である場合、ステップS17に進行し、当該テンプレート画像の移動画素数を速度算出の基礎に決定する。そして、この移動画素数に基づいて実速度算出部59が速度を算出し(ステップS18)、速度表示手段6に速度表示を行う(ステップS19)。一方、NOの場合、つまり、いずれのテンプレート画像についても類似度が閾値以下の同一類似画像が存在しない場合、ステップS2に戻り、再度、参照画像の取得から始める。   In step S16, it is determined whether or not the degree of similarity between each template image and each identical similar image that approximates the template image is equal to or less than a predetermined threshold value. In the case of YES, that is, when the similarity based on the average residual absolute value is equal to or smaller than a predetermined threshold value, the process proceeds to step S17, and the number of moving pixels of the template image is determined as a basis for speed calculation. Based on the number of moving pixels, the actual speed calculation unit 59 calculates the speed (step S18), and displays the speed on the speed display means 6 (step S19). On the other hand, in the case of NO, that is, when there is no identical similar image having a similarity equal to or less than the threshold value for any template image, the process returns to step S2 and starts again from acquiring the reference image.

以上のような処理によって速度センサー1の速度が算出されるところ、この速度センサー1に図示しない農薬散布装置や肥料散布装置、農作物堀取装置等が連結されるため、各農耕作業が移動体の速度に連動して精度よく進めることができる。   When the speed of the speed sensor 1 is calculated by the processing as described above, an agricultural chemical spraying device, a fertilizer spraying device, a crop digging device, etc. (not shown) are connected to the speed sensor 1. It is possible to proceed accurately with the speed.

以上のような本実施形態によれば、圃場における農耕用トラクタ等の対地面実速度をタイヤのスリップの影響を受けずに計測でき、農耕用トラクタの速度に連動して農薬散布や肥料散布、農産物の収穫など行う場合に精度よく作業を行うことができる。   According to the present embodiment as described above, it is possible to measure the actual speed of the agricultural tractor and the like in the field without being affected by the slip of the tire, and in conjunction with the speed of the agricultural tractor, pesticide application and fertilizer application, Work can be performed with high precision when harvesting agricultural products.

また、画像処理に基づく方向符号照合法を応用して移動体の速度を算出するため、コストを抑えつつ、圃場のように明度変化や遮蔽等の条件変動が激しい下であっても一定の精度を保持して速度を算出することができる。   In addition, since the speed of the moving object is calculated by applying the direction code matching method based on image processing, it is possible to maintain a certain level of accuracy even under severe conditions such as changes in brightness and shielding, while reducing costs. The speed can be calculated while holding

さらに、実際の方向符号照合処理において、平均残差絶対値の最小値を検索する際、前の残差値との比較を行って大きくなった時点で計算を止め、次の照合計算を行うようになっているため、処理負担を軽減し、高速処理が可能となる。   Further, in the actual direction code matching process, when searching for the minimum value of the average residual absolute value, the comparison is made with the previous residual value and the calculation is stopped and the next matching calculation is performed. Therefore, the processing load is reduced and high-speed processing is possible.

なお、本発明に係る速度センサー1および速度センサープログラムは、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更することができる。   The speed sensor 1 and the speed sensor program according to the present invention are not limited to the above-described embodiment, and can be changed as appropriate.

本発明に係る速度センサーの実施形態を示す構成ブロック図である。1 is a configuration block diagram showing an embodiment of a speed sensor according to the present invention. 本実施形態の速度計測原理を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the speed measurement principle of this embodiment. 本実施形態における方向符号化処理を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the direction encoding process in this embodiment. 本実施形態における方向符号照合処理を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the direction code collation process in this embodiment. 本実施形態における3枚のテンプレート画像の移動画素数差の判別処理を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the discrimination | determination process of the moving pixel number difference of the three template images in this embodiment. 本実施形態における静止画像の取得時間間隔を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the acquisition time interval of the still image in this embodiment. 本実施形態におけるプログラムの処理フローを示すフローチャート図である。It is a flowchart figure which shows the processing flow of the program in this embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1 速度センサー
2 撮影手段
3 照明手段
4 記憶手段
5 演算処理手段
6 速度表示手段
7 入力手段
51 速度域設定部
52 静止画像取得部
53 方向符号化処理部
54 方向符号照合部
55 同一類似画像特定部
56 移動画素数算出部
57 移動画素数差判別部
58 類似度判別部
59 実速度算出部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Speed sensor 2 Imaging | photography means 3 Illumination means 4 Memory | storage means 5 Calculation processing means 6 Speed display means 7 Input means 51 Speed range setting part 52 Still image acquisition part 53 Direction coding process part 54 Direction code collation part 55 Same similar image specification part 56 moving pixel number calculating unit 57 moving pixel number difference determining unit 58 similarity determining unit 59 actual speed calculating unit

Claims (9)

移動体から地面を撮影する撮影手段と、この撮影手段によって撮影された撮影画像を記憶する記憶手段と、この記憶手段から1枚の静止画像を取得して所定のテンプレート画像を切り出すとともに所定の時間経過後の静止画像を取得して前記テンプレート画像と照合して移動画素数を求めることにより前記移動体の速度を算出する演算処理手段とを有する速度センサーであって、
前記演算処理手段は、
速度算出の基準となる参照画像を取得するとともに、所定の時間経過後に照合対象となる照合対象画像を取得する静止画像取得部と、
前記参照画像内からテンプレート画像を切り出してこれを構成する画素の最大明度勾配方向を符号として取得するとともに、前記照合対象画像内から所定範囲の探索領域を選択して当該探索領域を構成する画素の最大明度勾配方向を符号として取得する方向符号化処理部と、
前記テンプレート画像の最大勾配方向の符号と前記探索領域の最大勾配方向の符号とを比較した残差絶対値の総和を求め、この総和を全画素数で割った平均残差絶対値を用いて照合する方向符号照合部と、
前記照合の結果、前記探索領域内において前記平均残差絶対値が最も小さい画像を前記テンプレート画像の同一類似画像として特定する同一類似画像特定部と、
前記テンプレート画像および前記同一類似画像を比較して移動画素数を算出する移動画素数算出部と、
算出した移動画素数に基づいて前記移動体の実速度を算出する実速度算出部とを有し、
前記方向符号化処理部ないし前記移動画素数算出部は、1枚の参照画像から複数枚のテンプレート画像を切り出して方向符号化処理を実行し、それぞれのテンプレート画像と同一又は類似する同一類似画像を求めて移動画素数を算出するとともに、
さらに、前記演算処理手段は、それら複数枚のテンプレート画像における移動画素数の差を求めて、その差が所定の閾値以下にあるか否かを判別する移動画素数差判別部と、
移動画素数差がいずれも閾値以下にない場合に、テンプレート画像と同一類似画像との方向符号に基づく類似度が所定の閾値以下にあるか否かを判別する類似度判別部と
を有しており、
これら判別部の判別結果に基づき、前記移動画素数算出部が、前記移動画素数差の判別の結果、前記移動画素数差が所定の閾値以下にあるテンプレート画像が存在する場合、それらの移動画素数から平均移動画素数を算出し、一方、前記移動画素数差がいずれも所定の閾値以下にないが、類似度の判別の結果、前記類似度が所定の閾値以下にあるテンプレート画像およびこれの同一類似画像が存在する場合、これにより移動画素数を算出することを特徴とする速度センサー。
An imaging unit for imaging the ground from a moving body, a storage unit for storing a captured image captured by the imaging unit, a single still image obtained from the storage unit, a predetermined template image being cut out, and a predetermined time A speed sensor having an arithmetic processing unit that calculates a speed of the moving body by obtaining a still image after elapse and checking the template image to obtain the number of moving pixels,
The arithmetic processing means includes:
A still image acquisition unit that acquires a reference image that is a reference for speed calculation, and that acquires a collation target image that is a collation target after a lapse of a predetermined time;
A template image is cut out from the reference image and the maximum brightness gradient direction of the pixels constituting the template image is obtained as a code, and a search area within a predetermined range is selected from the collation target image to obtain the pixels constituting the search area. A direction encoding processing unit that acquires the maximum brightness gradient direction as a code;
The sum of absolute values of residuals obtained by comparing the sign of the maximum gradient direction of the template image and the sign of the maximum gradient direction of the search region is obtained, and collation is performed using an average residual absolute value obtained by dividing the sum by the total number of pixels. A direction code matching unit to perform,
As a result of the collation, an identical similar image identifying unit that identifies an image having the smallest average residual absolute value as the identical similar image of the template image in the search region;
A moving pixel number calculating unit that calculates the number of moving pixels by comparing the template image and the same similar image;
An actual speed calculator that calculates the actual speed of the moving body based on the calculated number of moving pixels ,
The direction encoding processing unit or the moving pixel number calculating unit cuts out a plurality of template images from one reference image, executes direction encoding processing, and outputs the same similar image that is the same as or similar to each template image. While calculating the number of moving pixels,
Further, the arithmetic processing means obtains a difference of the movement number of pixels in the plurality of sheets of template images, and the number of pixels moved difference determination unit that the difference is determined whether to or less than a predetermined threshold value,
A similarity determination unit that determines whether the similarity based on the direction code between the template image and the same similar image is equal to or less than a predetermined threshold when the difference in the number of moving pixels is not less than the threshold. And
Based on the determination results of these determination units, when the moving pixel number calculation unit determines that the moving pixel number difference is present and there is a template image in which the moving pixel number difference is equal to or less than a predetermined threshold, those moving pixels On the other hand, the average moving pixel number is calculated from the number, and on the other hand, the difference between the moving pixel number is not less than a predetermined threshold, but as a result of the similarity determination, the template image having the similarity lower than the predetermined threshold A speed sensor characterized by calculating the number of moving pixels when the same similar image exists.
請求項において、前記方向符号照合部は、各画素間の方向符号を比較して残差絶対値の総和を求める際、前の残差絶対値の総和との比較を行い、その総和以上に大きくなった場合、その時点で計算処理を止め、探索領域内の次の画像との照合処理に移行することを特徴とする速度センサー。 In claim 1 , when the direction code collating unit compares the direction codes between the pixels to obtain a sum of residual absolute values, the direction code collating unit compares the sum of the previous residual absolute values with a sum equal to or greater than the sum. A speed sensor characterized in that when it becomes larger, the calculation process is stopped at that point and the process proceeds to a collation process with the next image in the search area. 請求項1または請求項において、演算処理手段は、参照画像を取得後に照合対象画像を取得するまでの時間間隔を移動体の速度に応じて任意に設定可能な速度域設定部を有することを特徴とする速度センサー。 In Claim 1 or Claim 2 , the arithmetic processing means has a speed range setting unit that can arbitrarily set a time interval from the acquisition of the reference image to the acquisition of the verification target image according to the speed of the moving body. Features speed sensor. 請求項1から請求項3のいずれかにおいて、前記方向符号化処理部が、1枚の参照画像から3枚のテンプレート画像を切り出し、これらのうち2番目のテンプレート画像を前記参照画像の中央位置から切り出す場合、前記移動画素数差判別部は、2番目のテンプレート画像と1番目のテンプレート画像との移動画素数の差、および2番目のテンプレート画像と3番目のテンプレート画像との移動画素数の差を算出し、各差が所定の閾値以下にあるか否かを判別する速度センサー。 4. The direction encoding processing unit according to claim 1 , wherein the direction encoding processing unit cuts out three template images from one reference image, and selects a second template image from the center position of the reference image. In the case of cutting out, the moving pixel number difference determination unit performs the difference in the moving pixel number between the second template image and the first template image, and the difference in the moving pixel number between the second template image and the third template image. A speed sensor that calculates whether each difference is equal to or less than a predetermined threshold. 撮影手段により移動体から撮影された地面の撮影画像を記憶する記憶手段と、この記憶手段から1枚の静止画像を取得して所定のテンプレート画像を切り出すとともに所定の時間経過後の静止画像を取得して前記テンプレート画像と照合して移動画素数を求めることにより前記移動体の速度を算出する演算処理手段と、算出された速度を表示する表示手段としてコンピュータを実行させる速度センサープログラムであって、
前記演算処理手段が前記記憶手段から速度算出の基準となる参照画像を取得する参照画像取得ステップと、
前記参照画像内からテンプレート画像を切り出してこれを構成する画素の最大明度勾配方向を符号として取得するテンプレート画像方向符号化ステップと、
前記参照画像取得後に所定の時間間隔をおいて照合対象画像を取得する照合対象画像取得ステップと、
前記照合対象画像内から所定範囲の探索領域を選択して当該探索領域を構成する画素の最大明度勾配方向を符号として取得する探索領域方向符号化ステップと、
前記テンプレート画像の最大勾配方向の符号と前記探索領域の最大勾配方向の符号とを比較した残差絶対値の総和を求め、この総和を全画素数で割った平均残差絶対値を用いて照合する方向符号照合ステップと、
この照合の結果、前記探索領域内において前記平均残差絶対値が最も小さい画像を前記テンプレート画像の同一類似画像として特定する同一類似画像特定ステップと、
前記テンプレート画像および前記同一類似画像を比較して移動画素数を算出する移動画素数算出ステップと、
この算出した移動画素数に基づいて前記移動体の実速度を算出する実速度算出ステップとをコンピュータに実行させるとともに、
前記テンプレート画像方向符号化ステップないし前記移動画素数算出ステップでは、1枚の参照画像から複数枚のテンプレート画像を切り出して方向符号化処理を実行し、それぞれのテンプレート画像と同一又は類似する同一類似画像を求めて移動画素数を算出するとともに、
さらに、それら複数枚のテンプレート画像における移動画素数の差を求めて、その差が所定の閾値以下にあるか否かを判別する移動画素数差判別ステップと、
この移動画素数差の判別の結果、前記移動画素数差が所定の閾値以下にあるテンプレート画像が存在する場合、それらの移動画素数から平均移動画素数を算出する平均移動画素数算出ステップと、
前記移動画素数差の判別の結果、移動画素数差がいずれも閾値以下にない場合、前記テンプレート画像と前記同一類似画像との方向符号に基づく類似度が所定の閾値以下にあるか否かを判別する類似度判別ステップと、
この類似度の判別の結果、前記類似度が所定の閾値以下にあるテンプレート画像およびこれの同一類似画像が存在する場合、これにより移動画素数を算出する類似度基準移動画素数算出ステップと
をコンピュータに実行させることを特徴とする速度センサープログラム。
A storage unit that stores a photographed image of the ground imaged from the moving body by the imaging unit, and acquires a single still image from the storage unit, cuts out a predetermined template image, and acquires a still image after a predetermined time has elapsed. Then, an arithmetic processing means for calculating the speed of the moving object by obtaining the number of moving pixels by collating with the template image, and a speed sensor program for causing the computer to execute as a display means for displaying the calculated speed,
A reference image acquisition step in which the arithmetic processing means acquires a reference image serving as a reference for speed calculation from the storage means;
A template image direction encoding step of cutting out a template image from the reference image and acquiring the maximum brightness gradient direction of the pixels constituting the template image as a code;
A collation target image obtaining step of obtaining a collation target image at a predetermined time interval after obtaining the reference image;
A search region direction encoding step of selecting a search region within a predetermined range from the collation target image and acquiring the maximum brightness gradient direction of pixels constituting the search region as a code;
The sum of absolute values of residuals obtained by comparing the sign of the maximum gradient direction of the template image and the sign of the maximum gradient direction of the search region is obtained, and collation is performed using an average residual absolute value obtained by dividing the sum by the total number of pixels. A direction code matching step,
As a result of this collation, the same similar image specifying step of specifying an image having the smallest average residual absolute value as the same similar image of the template image in the search area;
A moving pixel number calculating step of calculating the moving pixel number by comparing the template image and the same similar image;
And causing the computer to execute an actual speed calculation step of calculating an actual speed of the moving body based on the calculated number of moving pixels ,
In the template image direction encoding step or the moving pixel number calculating step, a plurality of template images are cut out from one reference image and a direction encoding process is executed, and the same similar image that is the same as or similar to each template image And calculating the number of moving pixels,
Furthermore, a difference between the number of moving pixels in the plurality of template images is obtained, and a moving pixel number difference determining step for determining whether the difference is equal to or less than a predetermined threshold value;
As a result of the determination of the moving pixel number difference, when there is a template image in which the moving pixel number difference is equal to or less than a predetermined threshold, an average moving pixel number calculating step of calculating an average moving pixel number from the moving pixel number;
As a result of the determination of the difference in the number of moving pixels, if none of the difference in the number of moving pixels is less than or equal to a threshold value, whether or not the similarity based on the direction code between the template image and the same similar image is equal to or less than a predetermined threshold value. A similarity determination step to determine;
As a result of the similarity determination, if there is a template image whose similarity is equal to or less than a predetermined threshold and the same similar image, a similarity reference moving pixel number calculating step for calculating a moving pixel number based on the template image A speed sensor program characterized in that it is executed.
請求項において、前記方向符号照合ステップでは、各画素間の方向符号を比較して残差絶対値の総和を求める際、前の残差絶対値の総和との比較を行い、その総和以上に大きくなった場合、その時点で計算処理を止め、探索領域内の次の画像との照合処理に移行することを特徴とする速度センサープログラム。 6. In the direction code collation step according to claim 5 , when the direction codes between the pixels are compared to determine the sum of the residual absolute values, the sum of the previous residual absolute values is compared, A speed sensor program characterized by stopping the calculation process at that point and shifting to a collation process with the next image in the search area when it becomes large. 請求項5または請求項において、速度域設定部によって移動体の速度域が変更された場合、参照画像の取得から照合対象画像の取得までの時間間隔を速度域に応じて設定する速度域設定ステップを実行させることを特徴とする速度センサープログラム。 According to claim 5 or claim 6, speed range setting set according to the speed range of the time interval when the speed range of the moving body is changed, the reference image from the acquisition to acquisition of comparison target image by the speed range setting unit A speed sensor program characterized by causing a step to be executed. 請求項5から請求項7のいずれかにおいて、前記テンプレート画像方向符号化ステップにおいて、1枚の参照画像から3枚のテンプレート画像を切り出し、これらのうち2番目のテンプレート画像を前記参照画像の中央位置から切り出す場合、前記移動画素数差判別ステップでは、2番目のテンプレート画像と1番目のテンプレート画像との移動画素数の差、および2番目のテンプレート画像と3番目のテンプレート画像との移動画素数の差を算出し、各差が所定の閾値以下にあるか否かを判別する速度センサープログラム。 The template image direction encoding step according to any one of claims 5 to 7 , wherein three template images are cut out from one reference image, and a second template image is selected as a center position of the reference image. In the moving pixel number difference determining step, the difference in the moving pixel number between the second template image and the first template image, and the moving pixel number difference between the second template image and the third template image are determined. A speed sensor program that calculates differences and determines whether each difference is equal to or less than a predetermined threshold. 請求項1から請求項4のいずれかに記載の速度センサーまたは請求項5から請求項8のいずれかに記載の速度センサープログラムを備えてなる移動体。  A moving body comprising the speed sensor according to any one of claims 1 to 4 or the speed sensor program according to any one of claims 5 to 8.
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