JP5455033B2 - Distance image input device and outside monitoring device - Google Patents
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Description
この発明は、被写体の画像から視差情報を求め、求めた視差情報から被写体までの距離を検出して撮像範囲にある被写体までの距離を認識する距離画像入力装置と車外監視装置に関するものである。 The present invention relates to a distance image input device and a vehicle exterior monitoring device that obtain parallax information from an image of a subject, detect a distance to the subject from the obtained parallax information, and recognize a distance to a subject in an imaging range.
被写体を撮影して被写体の画像を得る画像入力装置は、携帯機器、車載機器、医療機器や産業機器等における情報取得手段として有用である。また、被写体の二次元の画像情報のみならず、被写体までの距離や被写体の三次元形状など距離情報も同時に検知する距離画像入力装置への要求が高くなっている。 An image input device that captures an image of a subject to obtain an image of the subject is useful as an information acquisition unit in a portable device, an in-vehicle device, a medical device, an industrial device, or the like. In addition, there is an increasing demand for a distance image input device that simultaneously detects not only two-dimensional image information of a subject but also distance information such as a distance to the subject and a three-dimensional shape of the subject.
従来の距離画像情報を取得する距離画像入力装置は、特許文献1に示すようにステレオカメラが使用されている。この距離画像入力装置はレンズの光軸と略垂直な平面内に2台以上のカメラを設置し、それらのカメラによる画像の視差から三角測量の原理に基づき被写体までの距離や被写体の三次元形状を取得する。
As a conventional distance image input device for acquiring distance image information, a stereo camera is used as shown in
この距離画像入力装置を任意の場所に設置することを可能にするためには装置の小型化と薄型化が望まれている。しかしながら特許文献1に示すように、2台以上のカメラを配置すると、装置の小型化には限界があり、また、配置の経時変動に伴う距離や形状の取得誤差が生じやすい。さらに、カメラを構成するレンズ群やイメージセンサに個体差があるため、それらのキャリブレーションの必要が生じる。このカメラ配置やカメラ個体差のキャリブレーションは製作コストや装置コストを増大させる原因となる。
In order to make it possible to install this distance image input device at an arbitrary place, it is desired to reduce the size and thickness of the device. However, as shown in
この距離画像入力装置の小型化を図るため、特許文献2に示された距離画像入力装置は、一体形成した固定焦点の複数の光学ブロックを用い、装置を小型化するとともに明るさの確保を図っている。
In order to reduce the size of the distance image input device, the distance image input device disclosed in
距離画像入力装置で正確な距離と画像の情報を取得するためには、焦点の合った画像を得ることは必須である。被写体までのあらゆる距離で焦点の合った画像を得るには、撮像装置のレンズを所定の被写体までの距離に合焦させる必要があり、特に被写体までの距離が短い接写の場合には、被写界深度が浅く、被写体までの距離の変化による画質変動が大きくなるため合焦機能の必要性はより高くなる。特許文献2に示すように、固定焦点の光学ブロックにより被写体の撮像を行うと、被写体までの距離によっては焦点の合った像が得られず、距離や形状の検出が困難になる場合がある。
In order to obtain accurate distance and image information with the distance image input device, it is essential to obtain a focused image. To obtain a focused image at any distance to the subject, it is necessary to focus the lens of the imaging device to the distance to the predetermined subject, especially in close-up shooting where the distance to the subject is short. Since the depth of field is shallow and the image quality variation due to the change in the distance to the subject increases, the necessity of the focusing function becomes higher. As shown in
異なる被写体までの距離に焦点を合わせるため、特許文献3に示された撮像装置は、レンズとして液体レンズや液晶レンズを使用し、焦点距離変更を示す入力信号によりレンズの焦点距離を変化させている。また、特許文献4に示された距離画像入力装置は、焦点距離が等しい2つのレンズ系を有する複眼撮像系と、このレンズ系より焦点距離が長い2つのレンズ系を有する複眼撮像系を使用して異なる被写体までの距離に焦点を合わせて広角領域で近い距離までと狭角領域で遠い距離までの距離分布情報を得るようにしている。
In order to focus on the distance to different subjects, the imaging apparatus disclosed in
特許文献3に示された撮像装置は、焦点調整手段として物理的な可動部を必要とするため、装置の小型化と高速化に限界があるとともにコストが増大するという短所がある。また、この撮像装置は距離の検出機能を有さない。
The image pickup apparatus disclosed in
特許文献4に示された距離画像入力装置は小型化には限界があるとともに、レンズ系の配置やイメージセンサの個体差等に伴うキャリブレーションの問題が残存する。また、遠方の距離において広い範囲にある物体を検出することができず、車載用カメラへの応用としてはそれで十分でもマシンビジョンなどその他の応用には向かないという短所がある。 The distance image input device disclosed in Patent Document 4 has limitations in miniaturization, and calibration problems associated with the arrangement of lens systems and individual differences in image sensors remain. Further, it cannot detect an object in a wide range at a distant distance, and has a disadvantage that it is not suitable for other applications such as machine vision even if it is sufficient as an application for a vehicle-mounted camera.
この発明は、このような短所を改善し、画角が等しく、それぞれ異なる距離に焦点があった複数のステレオ画像ペアを取得して距離精度と位置精度が高い距離画像を検出することができるとともにコストを低減できる距離画像入力装置と車外監視装置を提供することを目的とするものである。 The present invention improves such disadvantages, and can acquire a plurality of stereo image pairs having the same angle of view and focused at different distances to detect a distance image with high distance accuracy and position accuracy. An object of the present invention is to provide a distance image input device and a vehicle exterior monitoring device that can reduce costs.
この発明の距離画像入力装置は、撮像装置と演算処理ユニットを有し、前記撮像装置は、被写体を撮像して、それぞれ異なる距離に焦点があった複数のステレオ画像を出力し、前記演算処理ユニットは、視差検出手段と視差合成手段及び距離算出手段を有し、前記視差検出手段は、前記撮像装置から出力する複数のステレオ画像がそれぞれ有する固有の特徴に基づいて視差を計算して視差情報を有する複数の視差画像を出力し、前記視差合成手段は、前記視差検出手段から出力する複数の視差画像を合成して合成視差画像を出力し、前記距離算出手段は、前記視差合成手段から出力する合成視差画像から被写体までの距離を算出して距離画像を出力し、前記撮像装置が、前記複数のステレオ画像を得るための複数組みの撮像レンズと、撮像素子とを有し、前記複数組みの撮像レンズは前記撮像素子側の焦点距離が組み間で互い略等しいことを特徴とする。
前記複数組みの撮像レンズは、組み間で互いにレンズサグが等しく曲率半径が異ることによって被写体側の焦点距離が異なり、各撮像レンズに一対一で対応する互いに有効径が略等しい複数の開口を有する開口アレイが、前記複数組みの撮像レンズの被写体側に設けられていることを特徴とする。
The distance image input device of the present invention includes an imaging device and an arithmetic processing unit, and the imaging device images a subject and outputs a plurality of stereo images each focused at different distances, and the arithmetic processing unit Includes a parallax detection unit, a parallax synthesis unit, and a distance calculation unit, and the parallax detection unit calculates the parallax based on the unique features of each of the plurality of stereo images output from the imaging device, and obtains the parallax information. A plurality of parallax images, the parallax synthesis unit outputs a synthesized parallax image by synthesizing the plurality of parallax images output from the parallax detection unit, and the distance calculation unit outputs from the parallax synthesis unit calculates the distance from synthetic parallax image to the subject and outputs a distance image, the imaging apparatus, the imaging lens of the plurality sets for obtaining said plurality of stereo images, the imaging element Has the door, said plurality of sets of the imaging lens is characterized in that each other substantially equal between the set focal length of the image pickup element side.
The plurality of sets of imaging lenses have a plurality of apertures corresponding to each imaging lens in a one-to-one correspondence and having substantially equal effective diameters because the lens sag is the same and the curvature radius is different between the sets, and the object side has a different focal length. An aperture array is provided on the subject side of the plurality of sets of imaging lenses.
前記視差検出手段で前記撮像装置から出力する複数のステレオ画像から視差を計算する固有の特徴は、各ステレオ画像の焦点が合う距離の範囲であることを特徴とする。 The unique feature of calculating the parallax from a plurality of stereo images output from the imaging device by the parallax detection means is a range of distances at which the stereo images are in focus.
また、前記視差検出手段は、焦点が合う距離の範囲に相当する視差の範囲において各ステレオ画像ペアの視差の計算を実行することを特徴とする。 In addition, the parallax detection unit performs a parallax calculation of each stereo image pair in a parallax range corresponding to a range of distances in focus.
前記撮像装置は、複数のレンズが各々曲率半径の異なる複数のステレオレンズから構成されてなるレンズアレイと、前記レンズアレイの像面側に設けられた、前記複数のステレオレンズのそれぞれにより結像される前記被写体の画像の集合である複眼像を撮像する撮像素子を有することを特徴とする。 The imaging device forms an image by each of a lens array in which a plurality of lenses are composed of a plurality of stereo lenses each having a different radius of curvature, and the plurality of stereo lenses provided on the image plane side of the lens array. And an imaging element that captures a compound eye image that is a set of images of the subject.
また、前記撮像装置の複数のステレオレンズはレンズサグを一定にしたまま曲率半径を変えたことを特徴とする。 Further, the plurality of stereo lenses of the imaging apparatus are characterized in that the radius of curvature is changed while keeping the lens sag constant.
この発明の車外監視装置は、前記距離画像入力装置と表示装置を有し、車両に搭載されることを特徴とする。 A vehicle exterior monitoring device according to the present invention includes the distance image input device and a display device, and is mounted on a vehicle.
この発明は、それぞれ異なる距離に焦点があった複数のステレオ画像を出力し、出力した複数のステレオ画像がそれぞれ有する固有の特徴に基づいて視差を計算して視差情報を有する複数の視差画像を出力し、出力した複数の視差画像を合成した合成視差画像から被写体までの距離を算出して距離画像を出力するから、被写体の位置と距離精度の高い距離画像を得ることができる。 The present invention outputs a plurality of stereo images each focused on different distances, calculates a parallax based on a unique feature of each of the plurality of output stereo images, and outputs a plurality of parallax images having parallax information Since the distance to the subject is calculated from the synthesized parallax image obtained by synthesizing the plurality of output parallax images, the distance image is output, so that a distance image with high accuracy of the position of the subject can be obtained.
また、複数のステレオ画像から視差を計算する固有の特徴として各ステレオ画像の焦点が合う距離の範囲にするから、被写体の位置と距離精度の高い距離画像を得ることができる。 In addition, since each stereo image is in a distance range where the stereo image is focused as a unique feature for calculating the parallax from a plurality of stereo images, a distance image with high accuracy of the position of the subject and the distance can be obtained.
さらに、焦点が合う距離の範囲に相当する視差の範囲において各ステレオ画像ペアの視差を計算するから、被写体の位置と距離精度の高い距離画像を得ることができる。 Furthermore, since the parallax of each stereo image pair is calculated in the parallax range corresponding to the range of the in-focus distance, it is possible to obtain a range image with high accuracy of the position of the subject.
また、撮像装置を複数のレンズが各々曲率半径の異なる複数のステレオレンズから構成されてなるレンズアレイと、複数のステレオレンズのそれぞれにより被写体の複眼像を撮像する撮像素子を有するから、異なる距離に焦点を合わせることができ、可動部無しに深い被写界深度を実現可能とする低コストで薄型の距離画像入力装置を提供することができる。 In addition, since the imaging apparatus has a lens array in which a plurality of lenses are composed of a plurality of stereo lenses each having a different radius of curvature, and an imaging element that captures a compound eye image of the subject by each of the plurality of stereo lenses, the imaging device has different distances. It is possible to provide a low-cost and thin distance image input device that can be focused and can realize a deep depth of field without a movable part.
さらに、撮像装置の複数のステレオレンズをレンズサグを一定にしたまま曲率半径を変えることにより、各ステレオレンズの有効径をほぼ一定にすることができ、レンズ有効径の相違による不具合を排除できる。 Furthermore, by changing the radius of curvature of the plurality of stereo lenses of the image pickup device while keeping the lens sag constant, the effective diameter of each stereo lens can be made substantially constant, and problems due to differences in the effective lens diameter can be eliminated.
また、この発明の距離画像入力装置を車外監視装置に使用することにより、遠距離の被写体から近距離の被写体のステレオ画像を得ることができ、広い距離範囲に対して高精度な距離測定を行うことができる。 In addition, by using the distance image input device of the present invention for an out-of-vehicle monitoring device, a stereo image of a short-distance subject can be obtained from a long-distance subject, and highly accurate distance measurement is performed over a wide distance range. be able to.
図1はこの発明の距離画像入力装置の構成図である。距離画像入力装置1は、撮像装置2と演算処理ユニット3を有する。
FIG. 1 is a block diagram of a distance image input apparatus according to the present invention. The distance
撮像装置2は、レンズアレイ4と遮光壁5と開口アレイ6と基板8に実装された撮像素子7及び筐体9を有する。レンズアレイ4は、図1と図2の被写体方向からみた配置図に示すように、偶数、例えば第1の撮像レンズ411と第2の撮像レンズ412と第3の撮像レンズ421と第4の撮像レンズ422と第5の撮像レンズ431と第6の撮像レンズ432と第7の撮像レンズ441と第8の撮像レンズ442の8つがアレイ状に配列されている。第1の撮像レンズ411から第8の撮像レンズ442は、被写体側のレンズ面40aと像面側のレンズ面40bの2面からなり、レンズ面40aとレンズ面40bがセットになって被写体の像を像面上で結像させる。遮光壁5は、金属や樹脂等の撮像光線に対して不透明な材料からなり、レンズアレイ4における隣接する撮像レンズ間での光線のクロストーク(混線)を防止するための遮光用隔壁を形成するものであり、図2に示すように、レンズアレイ4の第1の撮像レンズ411から第8の撮像レンズ442にそれぞれ対応して矩形の孔があけられており、孔と孔の間の壁が隔壁として作用する。この遮光壁5はレンズアレイ4の像側の面と接着されている。開口アレイ6は、板状部材に第1の撮像レンズ411から第8の撮像レンズ442のそれぞれに対応して円形孔6aが設けられ、第1の撮像レンズ411から第8の撮像レンズ442の絞りとして作用する。この開口アレイ6はレンズアレイ4の被写体側の面の平面部に設けられた突起部4aを介してレンズアレイ4に接着されている。撮像素子7は、例えばCMOSセンサからなり、第1の撮像レンズ411から第8の撮像レンズ442を通った光を入射して撮像される被写体の画像データを演算処理ユニット3に出力する。筐体9はレンズアレイ4の被写体側の面に被写体側の端部が接着され、レンズアレイ4と遮光壁5及び開口アレイ6を保持した状態で基板5の撮像素子7側の面に接着されている。
The
この撮像装置2のレンズアレイ4について説明する。第1の撮像レンズ411から第8の撮像レンズ442は異なる曲率半径のレンズ面40aとレンズ面40bを有し、相互に異なる被写体距離に焦点を合わせるように曲率半径が設定されている。このレンズアレイ4を構成する第1の撮像レンズ411と第2の撮像レンズ412は曲率半径が略同一のレンズ面40aとレンズ面40bを有し、第1の撮像レンズ411と第2の撮像レンズ412がペアになって第1のステレオカメラレンズを構成し、第1の撮像レンズ411と第2の撮像レンズ412に対応する撮像素子7の画素領域と併せて第1のステレオカメラを構成している。第3の撮像レンズ421と第4の撮像レンズ422も曲率半径が略同一のレンズ面40aとレンズ面40bを有し、ペアになって第2のステレオカメラレンズを構成し、対応する撮像素子7の画素領域と併せて第2のステレオカメラを構成し、第5の撮像レンズ431と第6の撮像レンズ432も曲率半径が略同一のレンズ面40aとレンズ面40bを有し、ペアになって第3のステレオカメラレンズを構成し、対応する撮像素子7の画素領域と併せて第3のステレオカメラを構成し、第7の撮像レンズ441と第8の撮像レンズ442も曲率半径が略同一のレンズ面40a,40bを有し、ペアになって第4のステレオカメラレンズを構成し、対応する撮像素子7の画素領域と併せて第4のステレオカメラを構成している。
The lens array 4 of the
このレンズアレイ4の第1のステレオレンズを構成する第1の撮像レンズ411と第2の撮像レンズ412は、図2に示すように、第3のステレオレンズを構成する第5の撮像レンズ431と第6の撮像レンズ432の両側に等間隔D1で1列に配置され、第2のステレオレンズを構成する第3の撮像レンズ421と第4の撮像レンズ422は第4のステレオレンズを構成する第7の撮像レンズ441と第8の撮像レンズ442の両側に等間隔D1で1列に配置され、1列に配置された第1の撮像レンズ411等と第3の撮像レンズ421等も間隔D1を隔てて配置されている。この第1の撮像レンズ411と第2の撮像レンズ412の間隔D2=3*D1が第1のステレオカメラの基線長となり、第3の撮像レンズ421と第4の撮像レンズ422の間隔D2が第2のステレオカメラの基線長となり、第5の撮像レンズ431と第6の撮像レンズ432の間隔D1が第3のステレオカメラの基線長となり、第7の撮像レンズ441と第8の撮像レンズ442の間隔D1が第4のステレオカメラの基線長となる。この基線長D2の第1の撮像レンズ411と第2の撮像レンズ412で構成する第1のステレオカメラと第3の撮像レンズ421と第4の撮像レンズ422で構成する第2のステレオカメラが遠距離用となり、基線長D1の第5の撮像レンズ431と第6の撮像レンズ432で構成する第3のステレオカメラと第7の撮像レンズ441と第8の撮像レンズ442で構成する第4のステレオカメラが近距離用となる。
As shown in FIG. 2, the
このレンズアレイ4を構成する第1のステレオレンズから第4のステレオレンズによるスルーフォーカスMTF(Modulation Transfer Function)の例を図3に示す。図3においてA4,A3,A2,A1は各ステレオレンズに対応するスルーフォーカスMTF曲線(ここでは被写体距離に伴うMTF変化)を表しており、各ステレオレンズで焦点の合う被写体距離が異なるためMTFがピークとなる被写体距離が異なっている。被写体距離が数mmオーダーで短くなると被写界深度は非常に浅くなり、わずかの焦点ずれで大きくMTFが低下して像がぼける。被写体距離が遠くなるにつれ被写界深度は深くなっていき、スルーフォーカスMTF曲線A1では一定距離以上は無限遠まで像がぼけないですむ。したがって図3に示すように、一定レベルの閾値THでスルーフォーカスMTF曲線A1〜A4が交差するようにレンズアレイ4の第1のステレオレンズから第4のステレオレンズを設計し、被写体距離に応じて適したMTFを有するステレオレンズによる被写体の縮小像(以下、個眼像という)や画素を選択することにより、数mmオーダーの至近距離から無限遠まで被写体に焦点を合わせることができる。このスルーフォーカスMTF曲線A1〜A4が閾値THと交差する被写体距離をそれぞれK,L,M,Nとする。 FIG. 3 shows an example of through focus MTF (Modulation Transfer Function) by the first to fourth stereo lenses constituting the lens array 4. In FIG. 3, A4, A3, A2, and A1 represent through-focus MTF curves corresponding to each stereo lens (in this case, MTF change according to subject distance). The subject distance at the peak is different. When the subject distance is shortened on the order of several millimeters, the depth of field becomes very shallow, and a slight defocus causes a large MTF to decrease and blur the image. As the subject distance increases, the depth of field increases, and the through focus MTF curve A1 does not blur the image to infinity beyond a certain distance. Therefore, as shown in FIG. 3, the fourth stereo lens is designed from the first stereo lens of the lens array 4 so that the through-focus MTF curves A1 to A4 intersect at a certain level threshold TH, and according to the subject distance. By selecting a reduced image (hereinafter referred to as a single-eye image) or pixels of a subject using a stereo lens having an appropriate MTF, the subject can be focused from a close range of several millimeters to infinity. The subject distances where the through focus MTF curves A1 to A4 intersect the threshold value TH are K, L, M, and N, respectively.
第1の撮像レンズ411から第8の撮像レンズ442は、曲率半径の設定に加えて焦点距離は全て略等しくなるように設計されている。それにより第1の撮像レンズ411から第8の撮像レンズ442による光学倍率は被写体距離のみによっておよそ規定されるため、第1の撮像レンズ411から第8の撮像レンズ442による像は合焦(ボケ)のレベルが相互で異なっても画像のサイズは一定となる。したがって撮像装置2で取得した複眼像の中から焦点の合った個眼像のみを選択抽出したり、焦点の合った画素のみを抽出したりする際に、第1の撮像レンズ411から第8の撮像レンズ442による像サイズの相違を考慮しないですみ、また取得後の像を用いてなんらかの情報認識をする場合においても像サイズの相違の考慮は不要となる。
The
レンズの焦点距離を略一定にしたままレンズの曲率を変えたときの屈折面の厚さであるレンズサグとレンズ有効径の変化の様子を図4(a)〜(c)に示す。図4(a)に示すように、レンズ面40aのレンズサグta、有効径da、レンズ面40bのレンズサグtb、有効径dbの状態からレンズ面40aとレンズ面40bの曲率を変えた場合、有効径da,dbを不変とした場合は、図4(b)に示すように、レンズ面40aとレンズ面40bのレンズサグta,tbをレンズサグta1,tb1と変える必要がある。このようにレンズサグを変えるとレンズ間にレンズサグの相違に基づく高低差を設けるなど形状が複雑になる。一方、レンズサグta,tbを不変とした場合は、図4(c)に示すように有効径da,daを有効径da1,db1と変える必要がある。このように有効径を変えるとレンズ間で有効径に起因する光学特性、例えばレンズのカットオフ周波数や明るさが変わるため、被写体の画像を取得後にそれらの条件を合わせる調整が必要となり、取り扱いが複雑になる。
FIGS. 4A to 4C show how the lens sag and the lens effective diameter change when the curvature of the lens is changed while keeping the focal length of the lens substantially constant. As shown in FIG. 4A, when the curvature of the
そこでレンズアレイ4は第1の撮像レンズ411から第8の撮像レンズ442のレンズサグを一定にしたまま曲率半径を変え、略等しい有効径を有する開口アレイ6をレンズアレイ4の被写体側に設けることにより、第1の撮像レンズ411から第8の撮像レンズ442の有効径が略一定となるようにして、レンズ有効径の相違に起因した不具合を排除している。レンズアレイ4の第1の撮像レンズ411から第8の撮像レンズ442と開口アレイ6とは第1の撮像レンズ411から第8の撮像レンズ442によっては接触する位置が異なってくるが、レンズアレイ4の平面部に設けた突起部4cによりレンズアレイ4と開口アレイ6を接触させることにより、開口アレイ6が傾いてレンズアレイ4に接着される等の不具合を取り除いている。
Therefore, the lens array 4 changes the radius of curvature while keeping the lens sag of the
撮像装置2を被写体方向から観察すると、図2に示すように、第1の撮像レンズ411から第8の撮像レンズ442において実線で示された円は開口アレイ6の円形孔(有効径)6aを表し、その直径は一定である。また、破線で示された円は無効領域も含めたレンズ面40aの直径を表し、点線で示された円はレンズ面40bの直径を表す。第1のステレオレンズから第4のステレオレンズで曲率半径が異なり、かつ第1の撮像レンズ411から第8の撮像レンズ442のレンズサグが一定になるようにしているため、第1の撮像レンズ411から第8の撮像レンズ442で破線と点線で示された円の直径は相違している。
When the
演算処理ユニット3は画像キャプチャー部11と画像補正部12と第1のステレオカメラから第4のステレオカメラに対応した4組の視差検出部13a〜13dと視差合成部14及び距離算出部15を有する。画像キャプチャー部11は撮像装置2の撮像素子7から入力する複眼像を第1の撮像レンズ411を通った光による第1の個眼像511と、第2の撮像レンズ412を通った光による第2の個眼像512と、第3の撮像レンズ421を通った光による第3の個眼像521と、第4の撮像レンズ422を通った光による第4の個眼像522と、第5の撮像レンズ431を通った光による第5の個眼像531と、第6の撮像レンズ432を通った光による第6の個眼像532と、第7の撮像レンズ441を通った光による第7の個眼像541と、第8の撮像レンズ442を通った光による第8の個眼像542に分離して出力する。画像補正部12は画像キャプチャー部11から入力する第1の個眼像511から第8の個眼像542の歪み補正を行って出力する。視差検出部13aは画像補正部12から入力する第1の個眼像511と第2の個眼像512から視差を検出して第1の視差画像51を得て出力し、視差検出部13bは第3の個眼像521と第4の個眼像522から視差を検出して第2の視差画像52を得て出力し、視差検出部13cは第5の個眼像531と第6の個眼像532から視差を検出して第3の視差画像53を得て出力し、視差検出部13dは第7の個眼像541と第8の個眼像542から視差を検出して第4の視差画像54を得て出力する。視差合成部14は視差検出部13a〜13dから入力する第1の視差画像51から第4の視差画像54を合成して視差合成画像を出力する。距離算出部15は視差合成部14から入力する視差合成画像から被写体距離を算出して距離画像を出力する。
The
次に、距離画像入力装置1の撮像装置2で撮像した画像により距離画像を得る処理を図5のフローチャートを参照して説明する。
Next, a process for obtaining a distance image from an image captured by the
撮像装置2の第1の撮像レンズ411から第8の撮像レンズ442を通った光を入射して撮像素子7で被写体の画像を取得し、取得した複眼像50を演算処理ユニット3の画像キャプチャー部11に出力する(ステップS1)。この撮像素子7で取得した画像は、図6に示すように、第1の撮像レンズ411から第8の撮像レンズ442に対応した第1の個眼像511と第2の個眼像512と第3の個眼像521と第4の個眼像522と第5の個眼像531と第6の個眼像532と第7の個眼像541及び第8の個眼像542を有する複眼像50になる。この場合は平面の写真を撮影したもので被写体はある一定の距離にある。図6において第1の個眼像511から第8の個眼像542の周辺で黒くなっている領域は遮光壁5で影となっている領域である。第1の撮像レンズ411から第8の撮像レンズ442の焦点距離はほぼ等しいため第1の個眼像511から第8の個眼像542の撮像範囲の大きさはほぼ等しい。一方、第1の個眼像511から第8の個眼像542で焦点の合う被写体距離は曲率半径により異なるため、第1の個眼像511から第8の個眼像542の合焦状態は、第1の撮像レンズ411と第2の撮像レンズ412のペアと、第3の撮像レンズ421と第4の撮像レンズ422のペアと、第5の撮像レンズ431と第6の撮像レンズ432のペア及び第7の撮像レンズ441と第8の撮像レンズ442のペアごとで異なっている。そして第1の撮像レンズ411と第2の撮像レンズ412のペアで撮像した第1の個眼像511と第2の個眼像512の焦点が合っている。立体物を撮影する場合は、第1の個眼像511から第8の個眼像542で焦点が合っている部分と焦点が合っていない部分が混在する。
The light passing through the
画像キャプチャー部11は撮像素子7から入力した複眼像50を第1の個眼像511から第8の個眼像542にそれぞれ分離し、分離した第1の個眼像511から第8の個眼像542を画像補正部12に出力する(ステップS2、S3)。画像補正部12は入力した第1の個眼像511から第8の個眼像542を、レンズの工作精度や組み付け精度によるカメラ固有の内部パラメータ、外部パラメータ等を利用して画像の歪み補正を行い、補正した第1の個眼像511と第2の個眼像512のペアを視差検出部13aに出力し、第3の個眼像521と第4の個眼像522のペアを視差検出部13bに出力し、第5の個眼像531と第6の個眼像532のペアを視差検出部13cに出力し、第7の個眼像541と第8の個眼像542のペアを視差検出部13dに出力する(ステップS4)。この画像補正部12で歪み補正を行うカメラ固有の内部パラメータ及び外部パラメータはZhangの手法("A flexible new technique for camera calibration"。 IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence、 22(11):1330-1334、 2000)等を用いることで求めることができる。
The
視差検出部13aは入力した第1の個眼像511と第2の個眼像512から視差を検出して第1の視差画像51を視差合成部14に出力する。画像補正を行った第1の個眼像511と第2の個眼像512では、各画像における被写体の対応する点が被写体の距離に応じて水平方向にずれている。そのずれている位置を検出してずれ量を求めることにより視差を検出できる。この視差計算にはブロックマッチングという手法を利用する。ブロックマッチングでは、図6に示すように、第1の個眼像511の小さな領域511a、例えば縦4画素×横4画素分を切り出し、それに対応する第2の個眼像512の領域を検索するため第2の個眼像512の小さな領域512aを切り出して評価値を算出する。この評価値としては2つの領域511a,512a間で輝度差の総和(SAD:Sum of Absolute Difference)や、輝度差の2乗和(SSD:Sum of Squared Difference)などを求める。この場合、第2の個眼像512の領域512aの位置を所定の範囲内で移動させて、それぞれの位置でSADやSSDの極小値を与える切り出し位置を検索することにより画像間の位置ずれを画素単位で求めることができる。画素単位の視差では精度が不足することが多いので画素未満(サブピクセル)の視差も推定する。この推定には等角直線フィッティングやパラボラフィッティングを用いるのが一般的である。また、SADやSSDを計算するために用いるデータは輝度ではなく、輝度を微分(例えばDOG)した値を用いることも可能である。このようにして全画素に対するサブピクセルレベルの視差が計算され視差画像として検出される。ここで視差画像の各画素は第1の個眼像511の各画素と対応している。また、視差が検出できなかった画素については視差を零とする。
The
同様にして視差検出部13bは入力した第3の個眼像521と第4の個眼像522から視差を検出して第2の視差画像52を視差合成部14に出力し、視差検出部13cは入力した第5の個眼像531と第6の個眼像532から視差を検出して第3の視差画像53を視差合成部14に出力し、視差検出部13dは入力した第7の個眼像541と第8の個眼像542から視差を検出して第4の視差画像54を視差合成部14に出力する(ステップS5,S6)。この視差検出部13a〜13bで視差を検出するとき、全く同じように視差を計算するのではなく、視差を計算するための画像切り出し位置の範囲を焦点が合う距離の範囲にそれぞれ設定する。例えば、第1の個眼像511において位置(x,y)を中心とした大きさ(dx,dy)の領域511aに対してブロックマッチングを行うための第2の個眼像512の領域512aは(x+s1−cx,y−cy)から(x+s2+cx,y+cy)を対角線の頂点とした矩形の内部の点を中心とした大きさ(dx,du)の範囲とする。ここで、cxとcyは正の値,例えば2である。この値は極小値を検出するためのマージンとして必要である。また、s1とs2の設定を下記表に示す。
Similarly, the
このs1とs2は、それぞれ計測を実施する視差の最小値と最大値であり、それぞれ計測できる被写体距離の最大値と最小値とに一対一で対応する。ここで、表に示される視差は焦点距離1mm、基線長D1=1mm、基線長D2=3mm、撮像素子7の画素サイズ6μmの場合に下記(1))式を用いて計算される。
被写体距離=基線長×焦点距離/(視差×画素サイズ) (1)
このようにして第1の個眼像511と第2の個眼像512のペアと、第3の個眼像521と第4の個眼像522のペアと、第5の個眼像531と第6の個眼像532のペア及び第7の個眼像541と第8の個眼像542のペアにおける視差を計算することができる。
These s1 and s2 are the minimum value and the maximum value of parallax at which measurement is performed, respectively, and correspond one-to-one to the maximum value and minimum value of the subject distance that can be measured. Here, the parallax shown in the table is calculated using the following equation (1)) when the focal length is 1 mm, the base length D1 = 1 mm, the base length D2 = 3 mm, and the pixel size of the
Subject distance = baseline length x focal length / (parallax x pixel size) (1)
In this way, a pair of the first single-
視差合成部14は視差検出部13a〜13dから入力する第1の視差画像51〜第4の視差画像54を合成して距離算出部15に出力する(ステップS7)。この第1の視差画像51〜第4の視差画像54を合成するとき、視差検出部13aから入力する第1の視差画像51に視差検出部13b〜13dから入力する第2の視差画像52〜第4の視差画像54の値をマッピングしていく。具体的には、図7のフローチャートに示すように、視差検出部13bから入力する第2の視差画像52の座標(x,y)における視差をα(≠0)としたとき、視差検出部13aから入力する第1の視差画像51の座標(x,y−α*D1/D2)の視差が零の場合に値αをその座標に設定する(ステップS11〜S15)。第2の視差画像52の全画素について前述の処理を行った後(ステップS16)、視差検出部13cから入力する第3の視差画像53の座標(x,y)における視差がβ(≠0)としたとき、第1の視差画像51の座標(x+β)の視差が零の場合に値(β*D2/D1)をその座標に設定する(ステップS17〜S20)。第3の視差画像53の全画素について前述の処理を行った後(ステップS21)、視差検出部13dから入力する第4の視差画像54の座標(x,y)における視差γ(≠0)としたとき、第1の視差画像51の座標(x+γ,y−γ)の視差が零場合に値(γ*D2/D1)をその座標に設定する(ステップS22〜S25)。第4の視差画像54の全画素について前述の処理を行ったら処理を終了する。但し、視差α、β、γは小数点以下の値を持つので、第1の視差画像51の座標計算に用いられるときには4捨5入をして整数として扱う。このようにして第1の視差画像51〜第4の視差画像54を合成することができる。
The
距離算出部15は視差合成部14から入力する合成視差画像から(1)式により被写体距離を算出して距離画像を得る。この距離検出の分解能は被写体距離が短くなるほど高くなり、長くなるほど低下する。また、被写体距離が短くなると視差が大きくなるため、個眼像のペア間で重複する領域が減少し、距離情報を取得できる視野が狭くなる。それらの点を考慮し、基線長がD2と長いことに起因して視差がより大きく、距離分解能がより高い第1の撮像レンズ411と第2の撮像レンズ412のペアと、第3の撮像レンズ421と第4の撮像レンズ422のペアについて、焦点の合う被写体距離が長くなるように曲率半径を設定し、基線長が短い第5の撮像レンズ431と第6の撮像レンズ432のペアと、第7の撮像レンズ441と第8の撮像レンズ442のペアについて、焦点の合う被写体距離が短くなるように曲率半径を設定している。したがって遠方にある被写体に対してはより高い分解能で距離画像を取得することができ、近くにある被写体に対しては広い視野で距離画像を取得することができる。
The
この距離画像入力装置1を用いた車外監視装置20を図8に示す。車外監視装置20は車両21に搭載され車外の所定範囲内の物体を撮像し、撮像した画像から車外の物体を認識して監視するものであり、距離画像入力装置1とコンピュータ22及び表示装置23を有する。距離画像入力装置1は車両21のルームミラーの後段など運転者の視野を遮らない位置に配置され、撮像した被写体の画像から距離画像をコンピュータ22に出力する。コンピュータ22は入力した距離画像から道路形状や複数の立体物の三次元位置を高速で検出し、その検出結果に基づいて先行車や障害物を特定して衝突警報の判断処理等を行い、認識された物体が自車両21の障害物となる場合、運転者の前方に設置された表示装置23に表示して運転者に対する警告を行う。また、図示しないアクチュエータ類を制御する外部装置を接続することにより車体の自動衝突回避制御等が可能となっている。
A vehicle
1;距離画像入力装置、2;撮像装置、3;演算処理ユニット、4;レンズアレイ、
5;遮光壁、6;開口アレイ、7;撮像素子、8;基板、9;筐体、
11;画像キャプチャー部、12;画像補正部、13;視差検出部、
14;視差合成部、15;距離算出部、20;車外監視装置。
411;第1の撮像レンズ、412;第2の撮像レンズ、
421;第3の撮像レンズ、422;第4の撮像レンズ、
431;第5の撮像レンズ、432;第6の撮像レンズ、
441;第7の撮像レンズ、442;第8の撮像レンズ。
1; distance image input device, 2; imaging device, 3; arithmetic processing unit, 4; lens array,
5; light shielding wall, 6; aperture array, 7; imaging element, 8; substrate, 9;
11; Image capture unit, 12; Image correction unit, 13; Parallax detection unit,
14; parallax composition unit; 15; distance calculation unit; 20;
411; first imaging lens; 412; second imaging lens;
421; a third imaging lens, 422; a fourth imaging lens,
431; fifth imaging lens, 432; sixth imaging lens,
441; seventh imaging lens; 442; eighth imaging lens.
Claims (7)
前記撮像装置は、被写体を撮像して、それぞれ異なる距離に焦点があった複数のステレオ画像を出力し、
前記演算処理ユニットは、視差検出手段と視差合成手段及び距離算出手段を有し、
前記視差検出手段は、前記撮像装置から出力する複数のステレオ画像がそれぞれ有する固有の特徴に基づいて視差を計算して視差情報を有する複数の視差画像を出力し、
前記視差合成手段は、前記視差検出手段から出力する複数の視差画像を合成して合成視差画像を出力し、
前記距離算出手段は、前記視差合成手段から出力する合成視差画像から被写体までの距離を算出して距離画像を出力し、
前記撮像装置が、前記複数のステレオ画像を得るための複数組みの撮像レンズと、撮像素子とを有し、前記複数組みの撮像レンズは前記撮像素子側の焦点距離が組み間で互い略等しいことを特徴とする距離画像入力装置。 Having an imaging device and an arithmetic processing unit;
The imaging device images a subject and outputs a plurality of stereo images each focused at different distances;
The arithmetic processing unit includes a parallax detection unit, a parallax synthesis unit, and a distance calculation unit,
The parallax detection means calculates a parallax based on a unique feature of each of a plurality of stereo images output from the imaging device, and outputs a plurality of parallax images having parallax information,
The parallax synthesis unit synthesizes a plurality of parallax images output from the parallax detection unit and outputs a synthesized parallax image,
The distance calculating means calculates a distance from the synthesized parallax image output from the parallax synthesizing means to the subject and outputs a distance image ;
The imaging apparatus includes a plurality of sets of imaging lenses for obtaining the plurality of stereo images and imaging elements, and the plurality of sets of imaging lenses have substantially the same focal length between the imaging elements. A distance image input device characterized by the above.
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