JP5224681B2 - 目標検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、移動体等の検出目標物をイメージセンサにより検出する目標検出装置に関し、特に、検出目標物から検出妨害があったときにもその検出目標物を見失うことなく検出するための対妨害性を改善した目標検出装置に関する。

移動体等の所定の目標物を検出し追尾する装置として、撮像機により濃淡画像を得て、これを二値化することによって得られた画面中の領域から有意な領域を目標として選択し、その領域の重心位置を追尾位置として出力する装置が知られており、目標物の撮像には一般的にＣＣＤが用いられている（例えば、特許文献１参照）。

ＣＣＤの画素の受光感度は、通常状態において、目標物に対する最大検出性能が得られる高いレベル、つまり少ない光量でも目標物を検出することができるレベルに設定されている。そのため、目標物からレーザ光等の強い光が撮像器へと照射された場合には、ＣＣＤの全ての画素が許容される受光感度を超えた強度の光を受けてしまうこととなる。その際には、濃淡のない画像が得られて目標物を判別するための有意な領域を画像から選択することができなくなり、目標物を見失うこととなる。
特開平６−１７４８１８号公報（段落［００１５］、図１等）

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、検出目標物から検出妨害があったときにもその検出目標物を見失うことなく検出するための対妨害性を改善した目標検出装置を提供することを目的とする。

本発明に係る目標検出装置は、所定の目標物を撮像するためのイメージセンサと、前記イメージセンサの撮像面を一定角度傾斜させるチルト機構と、前記イメージセンサから前記撮像面への入射光の強さに応じた強さで出力される出力信号に基づいて前記目標物の位置情報を求める信号処理装置とを具備しており、前記信号処理装置は、前記イメージセンサの撮像面に所定の光検出レベルを超える強さの前記入射光が前記目標物の方向から入射したときに前記チルト機構を駆動して前記撮像面に対する前記入射光の入射角及び前記入射光の強さを増減させ、前記入射角と前記入射光の強さの最大値との関係から前記目標物の位置情報を求めることを特徴としている。このチルト機構としては、イメージセンサの撮像面に平行で互いに直交する２軸の各軸回りにイメージセンサを所定角度回動させるものが好適に用いられる。

本発明によれば、検出目標物から妨害光の強い照射等の検出妨害があったときにも、目標物を見失うことなく検出することができ、これにより目標物の追尾（追跡）を良好に行うことができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１に目標検出装置の概略構成を示すブロック図を示す。この目標検出装置１００は、所定の目標物を撮像するためのイメージセンサ１０と、イメージセンサの撮像面を一定角度傾斜させるチルト機構２０と、イメージセンサ１０からの出力信号に基づいて目標物の位置情報を求める信号処理装置３０とを備えている。

イメージセンサ１０は、具体的には、所定の画素数（例えば縦５１２×横５１２）を有する略正方形の板状ＣＣＤであり、各画素は実質的に同じ光電変換特性を有している。このイメージセンサ１０が検出する光は、例えば、目標物から放射される赤外光であり、各画素からは受光した光の強さに応じた電圧信号が出力される。ここで、各画素は強さＬ_１の光を受光したときに電圧値Ｖ_１の電圧信号を発生させ、強さＬ_２（Ｌ_２＞Ｌ_１）の光を受光したときに電圧値Ｖ_２の電圧信号を発生させるが、強さＬ_２よりも強い光を受光しても出力される電圧値はＶ_２に止まる、つまり、強さＬ_２の光がイメージセンサの光検出レベルの上限であるとする。

図２にチルト機構２０によるイメージセンサ１０のチルト形態を模式的に示す。イメージセンサ１０の撮像面は、チルト機構２０を駆動させていない状態（以下「通常設置状態」という）においてＺ軸に垂直であり、図２において＋Ｚ側の面が撮像面であるとする。イメージセンサ１０の４隅の頂点をＡ１〜Ａ４とすると、通常設置状態では、辺Ａ１−Ａ２はＹ軸と平行であり、辺Ａ２−Ａ３はＸ軸と平行であり、これらＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸は互いに直交している。

チルト機構２０としては、イメージセンサ１０の頂点Ａ１〜Ａ４近傍の裏面側にそれぞれ、Ｚ方向に変位するアクチュエータ２１Ａ〜２１Ｄを取り付けた構造のものが挙げられる。これらのアクチュエータ２１Ａ〜２１Ｄとしては、圧電素子の厚み縦効果（ｄ_３３効果）を利用した積層型圧電アクチュエータや厚み横効果（ｄ３１効果）を利用した圧電バイモルフアクチュエータもしくは圧電ユニモルフアクチュエータ、磁石とコイルとの間に作用する磁力を利用した電磁式アクチュエータ等が用いられ、これらのアクチュエータには必要とされる変位量を得るために、テコの原理を用いた変位拡大機構が設けられていてもよい。チルト機構２０はアクチュエータ２１Ａ〜２１Ｄを駆動するための駆動電源たるアクチュエータ制御部２２を備えている。

イメージセンサ１０の頂点Ａ１，Ａ２を不動として、頂点Ａ３，Ａ４に取り付けられたアクチュエータ２１Ｃ，２１Ｄのみを一定長さηだけ伸ばすと、イメージセンサ１０を辺Ａ１−Ａ２を回動軸として、ＸＹ面と撮像面との交差角（以下「チルト角」という）を＋θだけ傾けることができ、アクチュエータ２１Ｃ，２１Ｄを一定長さηだけ縮めるとイメージセンサ１０を辺Ａ１−Ａ２を回動軸として、チルト角−θだけ傾けることができる。

図２には示していないが、これと同様に、イメージセンサ１０の頂点Ａ２，Ａ３を不動として、頂点Ａ１，Ａ４に取り付けられたアクチュエータ２１Ａ，２１Ｄのみを一定長さηだけ伸ばすと、イメージセンサ１０を辺Ａ２−Ａ３を回動軸として、チルト角＋θだけ回動させることができ、アクチュエータ２１Ａ，２１Ｄを一定長さηだけ縮めるとイメージセンサ１０を辺Ａ２−Ａ３を回動軸として、チルト角−θだけ傾けることができる。

信号処理装置３０は、イメージセンサ１０を構成する画素のうち、電圧値Ｖ_１以上Ｖ_２未満の電圧信号を発生させた一群の画素と、電圧値Ｖ_１未満の電気を発生させた画素および電圧を発生させていない画素とからなる一群の画素とに分けて、前者一群の画素をマッピングしてその重心位置を求め、得られた重心位置を目標物の位置と判断する。

しかしながら、目標物からそれ自体が目標検出装置１００により検出されることを妨害するための強い光が目標検出装置１００へ向けて照射されることがあり（この状態を以下「妨害状態」という）、その光はイメージセンサ１０の全ての画素に入射する広範囲な光である。そのため、妨害状態においては、イメージセンサ１０を構成する全ての画素からの出力電圧がＶ_１を超えてしまい、目標物を検出することができなくなる。

そこで信号処理装置３０は、イメージセンサ１０を構成する全ての画素からの出力電圧がＶ_１を超えたと認識すると、チルト機構２０を駆動させて、イメージセンサ１０の撮像面をどのような角度に設定するとイメージセンサ１０の撮像面へ入射する光の強さが最も強くなるか調べ、そのときのイメージセンサ１０の角度から目標物のある方向を求める。このとき、イメージセンサ１０を構成している複数の画素のうちの１または数個の画素について、入射光の強さを測定すればよく、例えば、イメージセンサ１０の中心部の画素が用いられる。

このような目標物の検出方法は、検出妨害のための強い光は目標物から放射されているので、このような強い光の入射方向に目標物があることを示していることを利用したものであり、また、ＣＣＤの受光感度は、撮像面と光の入射方向とがなす角度によって変化することを利用したものである。

なお、イメージセンサ１０をチルトさせることができる角度の範囲内においてイメージセンサ１０に入射する光の強さが常にＬ_２より大きい場合には、目標物の方向を検出することはできなくなる。そのため、イメージセンサ１０の光検出レベルの上限（光の強さＬ_２）は、目標物から検出妨害のために放射される光の強さを予測，考慮して、設定することが好ましい。しかし、この光の強さＬ_２を大きく設定しすぎると、この目標物から検出妨害のための光が照射されていない状態（以下「通常検出状態」という）における検出性能が低下するおそれがあるので、目標物検出のための十分な性能が得られるように、イメージセンサ１０の光検出レベルを設定することが好ましい。

次に、目標検出装置１００による目標物の検出方法について説明する。図３にこの検出方法のフローチャートを示す。最初に検出すべき目標物を捉えるために目標検出装置１００自体の姿勢を変える等して、目標物探索を行う（ＳＴ１）。イメージセンサ１０が目標物を捉えると、目標物を捉えた画素から電圧値Ｖ_１以上の電圧信号が出力される。そこで、信号処理装置３０は電圧値Ｖ_１以上の電圧信号を出力している画素を検出し（ＳＴ２）、そこから出力された電圧値に基づいてマッピングを行い、目標物の位置情報を求める（ＳＴ３）。

なお、信号処理装置３０が求めた位置情報は、所定の装置、例えば、目標検出装置１００を搭載している追尾装置の制御部等に送信され、追尾装置はこの位置情報にしたがって、イメージセンサ１０の中央部の画素で目標物を検出することができるように、追尾装置そのものが目標物に対して移動したり、またはイメージセンサ１０の向きを変えたりして、目標物を追尾する。

信号処理装置３０は一定時間ごとに目標物の位置情報を更新する。そのために、信号処理装置３０は、イメージセンサを構成する複数の画素に電圧値Ｖ_１以上の電圧信号を出力しているものがあるか否かを判断する（ＳＴ４）。このＳＴ４の判断が“ＹＥＳ”の場合には、ＳＴ２に戻って、電圧値がＶ_１以上の電圧信号を出力している画素を検出し（ＳＴ２）、目標物の位置情報を求める（ＳＴ３）。これに対して、ＳＴ４の判断が“ＮＯ”の場合には、さらに、全ての画素から個々に出力されている電圧信号の電圧値がＶ_１未満であるか否かを判断する（ＳＴ５）。

ＳＴ５の判断が“ＹＥＳ”となる場合には、イメージセンサ１０は目標物を捉えていないことになるので、ＳＴ１に戻って目標物探索が行われることになる。一方、ＳＴ５の判断が“ＮＯ”となる場合とは、イメージセンサ１０の全ての画素から出力されている電圧信号の電圧値がＶ_１以上となった状態、すなわち、目標物から検出妨害等のための強い光がイメージセンサ１０に向けて照射され、電圧値がＶ_１以上の電圧信号を出力している画素のマッピングによっては目標物の位置を検出することができない状態となっていることを示している。

そこで、ＳＴ５の判断が“ＮＯ”の場合には、信号処理装置３０はチルト機構２０を動作させてイメージセンサ１０のチルト角θを変化させ、入射光の強さが最も大きくなる条件、すなわちイメージセンサ１０から出力される電圧が最大となる条件を探索し（ＳＴ６）、その結果に基づいて目標物の位置情報を求める（ＳＴ７）。

図４Ａにイメージセンサへの光の入射状態の一例を示す。ここでは、光の入射方向とＺ軸とは角度θ_１をなしており、光の入射方向はＹ−Ｚ面と平行になっているものとする。また、図４Ｂに図４Ａに示した状態でチルト機構２０を動作させたときのチルト角θとイメージセンサ１０を構成する画素からの電圧信号の強さ（つまり、入射光の強さ）との関係を示す。

先に図２に示したように、イメージセンサ１０の頂点Ａ１，Ａ２を不動として、頂点Ａ３，Ａ４に取り付けられたアクチュエータ２１Ｃ，２１Ｄのみを伸ばしていく。つまり、辺Ａ１−Ａ２を回動軸としてチルト角θを大きくしていくと、光の入射方向がイメージセンサ１０の撮像面に対して垂直となる状態に次第に近づいていくので、イメージセンサ１０から出力される電圧値は徐々に大きくなり、光の入射方向とイメージセンサ１０の撮像面とが垂直となった時点でイメージセンサ１０から出力される電圧値は最大となる。

さらにチルト角θを大きくしていくと、光の入射方向はイメージセンサ１０の撮像面に対して垂直な状態から離れていくので、イメージセンサ１０から出力される電圧値は徐々に小さくなる。アクチュエータ２１Ｃ，２１Ｄを一定の長さだけ伸ばしたら、次は、アクチュエータ２１Ｃ，２１Ｄを徐々に縮める。つまり、チルト角θをゼロに戻す動作を行う。その過程において、光の入射方向が再びイメージセンサ１０の撮像面に対して垂直となる状態に次第に近づいていくので、イメージセンサ１０から出力される電圧値が徐々に大きくなり、光の入射方向とイメージセンサ１０の撮像面とが垂直となった時点でイメージセンサ１０から出力される電圧値は再び最大となる。そして、さらにチルト角θを小さくすると、光の入射方向はイメージセンサ１０の撮像面に対して垂直な状態から離れていくので、イメージセンサ１０から出力される電圧値は徐々に小さくなり、初期状態に戻る。

続いてアクチュエータ２１Ｃ，２１Ｄを初期長さよりも短くなるように駆動すると、光の入射方向はイメージセンサ１０の撮像面に対して垂直な状態からますます離れていくので、イメージセンサ１０から出力される電圧値はさらに小さくなっていく。アクチュエータ２１Ｃ，２１Ｄを一定の長さだけ縮めたら、再びアクチュエータ２１Ｃ，２１Ｄを徐々に伸ばして初期状態に戻す。このとき、イメージセンサ１０から出力される電圧値は徐々に大きくなる。このようなアクチュエータ２１Ｃ，２１Ｄの１サイクルの伸縮により、光の入射方向とＺ軸とのなす角度θ_１を求めることができる。

実際には、光の入射方向はＹ−Ｚ面と平行とは限らないので、上述したようにイメージセンサ１０の辺Ａ１−Ａ２を回動軸としてイメージセンサ１０をチルトさせることによりイメージセンサ１０からの出力電圧が最大を示す角度を求めた後には、イメージセンサ１０の辺Ａ２−Ａ３を回動軸としてイメージセンサ１０をチルトさせることによりイメージセンサ１０からの出力電圧が最大を示す別の角度を求め、これらの角度から光の入射方向を求める。

なお、イメージセンサ１０へ極めて強い光が入射している場合には、図４Ｂに示したグラフのように最大電圧を示すチルト角が明確に測定できるとは限らず、図４Ｃに示すように、一定範囲のチルト角において電圧値がＶ_２となる頭打ち状態の検出結果が得られる場合がある。その場合には、頭打ち部分以外の線分を外挿することにより電圧信号がピークとなると考えられる角度を計算し、得られた角度が目標物の存在する方向であると判断すればよい。

チルト機構２０を用いて目標物の検出を行った後には、ＳＴ４の判断に戻る。目標物からの妨害光の放射が終了していれば、イメージセンサ１０を構成する１または複数の画素が電圧値Ｖ_１以上の電圧信号を出力している筈であるから、ＳＴ４の判断が“ＹＥＳ”の場合には、ＳＴ２に戻って、電圧値がＶ_１以上の電圧信号を出力している画素を検出し（ＳＴ２）、目標物の位置情報を求める（ＳＴ３）。一方、ＳＴ４の判断が“ＮＯ”となる場合には、目標物から強い光が放射されている状態が継続しているか、または、目標物を見失ったと判断されるので、全ての画素から個々に出力されている電圧信号の電圧値がＶ_１未満であるか否かを判断し（ＳＴ５）、そこからさらにＳＴ１へ戻るかＳＴ６へ進むかが判断される。

このようにして、目標検出装置１００は、目標物から検出妨害等のための光がイメージセンサ１０に照射されたとしても、目標物を見失うことなく検出して追尾することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこのような形態に限定されるものではない。例えば、図４Ｃに示したようにイメージセンサ１０から出力される電圧が頭打ちになることを防止するために、イメージセンサを構成する画素の中に、目標物から放射される強い光に対して応答する画素を１または複数設けておいて、チルト機構２０を動作させる際にはこのような画素からの出力電圧を測定することにより、光の入射方向を特定するようにしてもよい。

またイメージセンサ１０による通常検出状態での目標物の検出，追尾方法としては、電圧値Ｖ_１以上Ｖ_２未満の電気を発生させた画素の中で最も大きな電圧を発生させた画素の位置を求める方法や、電圧値Ｖ_１以上Ｖ_２未満の電気を発生させた画素に対して電圧値に応じた明暗を設けたマッピング（例えば、電圧値Ｖ_１側は暗く、電圧値Ｖ_２側で明るくする電光表示）を行い、そのマッピング結果から目標物の位置を求める方法等を用いることができる。このような方法が用いられている場合においてチルト機構２０を動作させる状況とはイメージセンサ１０から電圧値Ｖ_２の電圧信号が出力されている状況であるから、チルト機構２０を動作によっては図４Ｃに示すようなグラフが得られることになり、これを解析することにより、目標物の方向を求めることができる。

チルト機構２０によるイメージセンサ１０の別のチルト方法としては、例えば、頂点Ａ１固定し、頂点Ａ２，Ａ４をアクチュエータ２１Ｂ，２１Ｄを伸張させて同じ高さだけ持ち上げ、このときイメージセンサ１０の撮像面の平坦性が維持されるようにアクチュエータ２１Ｃをアクチュエータ２１Ｂ，２１Ｄよりも長く伸張させて頂点Ａ３を持ち上げるようにしてイメージセンサ１０の撮像面を傾け、引き続いて固定点を頂点Ａ２，Ａ３，Ａ４へとずらして同様の動作を行うことで、光の入射方向を検出する方法が挙げられる。

目標検出装置の概略構成を示すブロック図。 チルト機構によるイメージセンサのチルト形態を模式的に示す図。 目標検出装置による目標検出方法のフローチャート。 イメージセンサへの光の入射状態の一例を示す図。 図４Ａに示した状態でチルト機構を動作させたときのチルト角θとイメージセンサの画素からの電圧信号の強さとの関係を示すグラフ。 図４Ａに示した状態でチルト機構を動作させたときのチルト角θとイメージセンサの画素からの電圧信号の強さとの関係を示す別のグラフ。

符号の説明

１０…イメージセンサ、２０…チルト機構、２１Ａ〜２１Ｃ…アクチュエータ、２２…アクチュエータ制御部、３０…信号処理装置、１００…目標検出装置。

Claims (2)

1. 所定の目標物を撮像するためのイメージセンサと、
   前記イメージセンサの撮像面を一定角度傾斜させるチルト機構と、
   前記イメージセンサから前記撮像面への入射光の強さに応じた強さで出力される出力信号に基づいて前記目標物の位置情報を求める信号処理装置とを具備し、
   前記信号処理装置は、前記イメージセンサの前記撮像面に所定の光検出レベルを超える強さの前記入射光が前記目標物の方向から入射したときに前記チルト機構を駆動して前記撮像面に対する前記入射光の入射角及び前記入射光の強さを増減させ、前記入射角と前記入射光の強さの最大値との関係から前記目標物の位置情報を求めることを特徴とする目標検出装置。
2. 前記チルト機構は、前記イメージセンサの撮像面に平行で互いに直交する２軸の各軸回りに前記イメージセンサを所定角度回動させるものであることを特徴とする請求項１に記載の目標検出装置。

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