JP5459768B2 - 被写体距離推定装置 - Google Patents

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本発明は、撮像画像を用いた被写体距離推定装置に関するものである。
従来、対象物までの距離を計測し、距離に応じた警告を行うシステムがいくつか提案されている。
そのうち、カメラ画像のみを用いて被写体までの距離を推定するパッシブ方式の測距技術として、いくつかの手法が知られている(たとえば特許文献1参照)。
その一つに、ステレオ法が挙げられる。
これは対象となる被写体を複数のカメラで撮像し、カメラ間距離(基線長)と画像上での差異(視差)を用い、三角測距の原理で距離を推定するものである。
この手法を用いたシステムとしては、たとえば車の前方監視用ステレオカメラが知られており、前方障害物等の検出に利用されている。
また、その他の手法の一つにDFD(Depth from Defocus)法が挙げられる。
これは画像のボケ量と被写体距離との相関から距離を推定するものであるが、ステレオ法のような基線長を必要とせず、システムの小型化に有利である。
この手法を用いたシステムとしては、たとえば顕微鏡を使った3次元画像生成などに応用されている。
DFD法においては、単一の画像から距離を推定することは困難なため、ボケ量の異なる複数枚の画像を用いる方法が一般的である。
ボケ量の異なる複数枚の画像を得るために、特許文献1ではプリズムを使用した3CCD構成としている。
また、特許文献2においても、同様にハーフミラーを使用した2CCD構成としている。
特許第2963990号 特許第3356229号
しかしながら、DFDにおいて上述のようにプリズムやハーフミラーを使用した構成では、光路長が長くなり、また、特に低背化が困難であり、搭載場所が限られる小型カメラ、特に携帯電話用カメラや車載用カメラなどには不向きである。
また、焦点距離の短い広角カメラにおいてはプリズムやハーフミラーの配置そのものが困難となる。
さらには、プリズムやハーフミラーで分光すると撮像系の感度低下につながるので、特に夜間など暗い状況下でノイズが発生しやすくなる問題がある。
また、通常のDFD法においては距離推定にかかる演算量が膨大になり、システムの小型化や低コスト化に問題がある。
先行技術(たとえば特許文献1)では、光学系を介して収束する光線をプリズム等によって複数に分離して、分離した光線から互いに相違する合焦位置の画像を撮像素子によってそれぞれ取り込み、得られた画像に含まれるボケを比較・解析し、その量から合焦位置を求め、被写体の距離を演算する手法が提案されている。
しかしながら、この手法では光線を分離した後の光学系および撮像素子が複数組必要となるため、そのための機構・スペースおよびコストを要する。
さらにより広い距離範囲の被写体距離を計測するには撮像素子の位置を大きく異ならせる必要があり、光学系の光路長を長くせざるを得ず、さらにスペース効率は低下する。
本発明は、光路長を長く取る必要がなく、スペース効率を向上でき、搭載機器の低背化、小型化を図ることが可能な被写体距離推定装置を提供することが可能である。
本発明の第1の観点の被写体距離推定装置は、撮像レンズ系と、前記撮像レンズ系を通過した被写体像を撮像する撮像素子と、前記撮像レンズ系と前記撮像素子との間に配置され、前記被写体像を複数の異なる色成分に分離するカラーフィルタと、前記撮像素子から得られた画像データを処理・解析する距離推定部と、を有し、前記撮像レンズ系と前記撮像素子は、前記被写体距離が予め定められた所定値の場合に前記異なる色成分の撮像画像の焦点のボケ状態が等しくなるように配置され、前記距離推定部は、前記異なる色成分の撮像画像の焦点のボケ状態を比較することにより、被写体距離が前記所定値以下であるか否かを判定する。
好適には、前記距離推定部は、前記異なる色成分の撮像画像をそれぞれ周波数解析することにより前記焦点のボケ状態の比較を行う。
好適には、前記撮像レンズ系はテレセントリック性を有する。
好適には、前記距離推定部は、前記異なる色成分の撮像画像が略同じ像倍率となるように画像処理をおこなった上でボケ状態の比較を行う。
好適には、前記撮像レンズ系はパワーが正のレンズとパワーが負のレンズを有し、次式を満足する。
−0.05 < f/Σ(fi・νi) < 0.05
ただし、fは撮像レンズ系全系の焦点距離を、fiはi番目のレンズの焦点距離を、νiはi番目のレンズのアッベ数を表す。



好適には、前記距離推定部が、前記被写体距離が予め定められた所定値以下と推定した場合に警告を行う警告部を有する。
好適には、前記警告部は、視覚的または聴覚的な警告を行う。
本発明によれば、像光路長を長く取る必要がなく、スペース効率を向上でき、搭載機器の低背化、小型化を図ることができる。
本発明の実施形態に係る被写体距離推定装置の構成例を示すブロック図である。 本実施形態に係る被写体距離推定装置における撮像系によりa離れた被写体を撮像する場合を模式的に示す図である。 本実施形態に係る被写体距離推定装置における撮像系によりL0離れた被写体を撮像する場合を模式的に示す図である。 本実施形態に係る被写体距離推定装置における撮像系によりL1(L1<L0)離れた被写体を撮像する場合を模式的に示す図である。 本実施形態に係る被写体距離推定装置における撮像系によりL2(L0<L2)離れた被写体を撮像する場合を模式的に示す図である。 本実施形態に係る距離推定部における距離推定処理のフローチャートである。 画像IM2の方が画像IM1よりボケ量が大きい場合の、それぞれの画像のMTF特性を示す図である。 具体的な実施例に適用する撮像レンズ系を示す図である。 実施例1の球面収差を示す図である。 実施例2の球面収差を示す図である。
以下、本発明の実施形態を図面に関連付けて説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る被写体距離推定装置の構成例を示すブロック図である。
本被写体距離推定装置10は、図1に示すように、撮像系11、距離推定部12、および警告部13を有する。
撮像系11は、撮像レンズ系111、撮像素子112、カラーフィルタ群113、および画像処理部114を有する。
撮像レンズ系111は、複数のレンズを含み、被写体OBJの像を、カラーフィルタ群113を通して撮像素子112の撮像面(結像面)に結像する。
撮像レンズ系111は、テレセントリック性を有する。
撮像レンズ系111は、撮像レンズ系全系の焦点距離をf、i番目のレンズの焦点距離をfi、i番目のレンズのアッベ数をνiとした場合、以下の関係を満足するように構成される。
−0.05 < f/Σ(fi・νi) < 0.05
撮像素子112は、CCD(CCD:Charge Coupled Device)センサやCMOS(Complementary Metal-oxide Semiconductor)センサにより形成され、複数の画素がマトリクス状に配列されている。
撮像素子112は、カラーフィルタを透過した光に対応する色(たとえばR,G,B)の画像信号を生成し、生成した各色の画像信号を画像処理部114に出力する。
撮像素子112は、アナログの画像信号をデジタルの画像信号に変換して画像処理部113に出力する。
本実施形態において、撮像レンズ系111と撮像素子112は、被写体距離が予め定められた所定値の場合に異なる色成分の撮像画像の焦点のボケ状態が等しくなるように配置される。
カラーフィルタ群113は、複数の色、たとえばR(赤)、G(緑)、B(青)のカラーフィルタを含み、撮像素子12の撮像面の光入射側に配置されている。
また、カラーフィルタとしては、補色となるCy(Cyan:シアン)、Mg(Magenda:マゼンダ)、Ye(Yellow:イエロー)が適用されることもある。
画像処理部114は、カラー補間M、ホワイトバランス、YCbCr変換処理等の処理を行い、処理後の画像データDR、DG、DBを距離推定部12に出力する。
距離推定部12は、撮像素子112から得られた画像データを処理・解析する機能を有する。
前述したように、本実施形態において、撮像レンズ系111と撮像素子112は、被写体距離が予め定められた所定値の場合に異なる色成分の撮像画像の焦点のボケ状態が等しくなるように配置される。
そして、距離推定部12は、撮像素子112により得られた異なる色成分の撮像画像の焦点のボケ状態を比較することにより、被写体距離が予め定められた所定値以下であるか否かを判定する機能を有する。
距離推定部12は、異なる色成分の撮像画像のボケの大小により被写体距離が所定値以下か否かを推定する機能を有する。
距離推定部12は、異なる色成分の撮像画像をそれぞれ周波数解析することにより焦点のボケ状態の比較を行う。
距離推定部12は、異なる色成分の撮像画像が略同じ像倍率となるように画像処理をおこなった上でボケ状態の比較を行う。
距離推定部12は、複数画像、たとえば画像IM1、IM2の周波数特性G(u,v)、G(u,v)からボケ量評価値S(G),S(G)を算出し、その大小より被写体が所定距離より近傍か遠方かを判定する機能を有している。
また、距離推定部12は、被写体OBJが基準距離L0より近傍にあると判定した場合、被写体OBJが近いため衝突等のおそれがあるとして、警告部13に対して警告処理通知を行う。
距離推定部12は、被写体OBJが基準距離L0より遠方にあると判定した場合、特に危険等が無いので警告部13に対して警告処理通知は行わない。
警告部13は、距離推定部12の警告処理通知の指示に従って、表示部材131への視覚的な警告や、スピーカー132等を用いた聴覚的な警告を行う。
警告部13は、距離推定部12からの警告処理通知が無い場合には、特に危険等が無いものとして警告処理は行わない。
ここで、本実施形態に係る被写体距離推定装置10における撮像系の機能を、図2〜図5に関連付けて説明する。
図2は、本実施形態に係る被写体距離推定装置10における撮像系によりa離れた被写体を撮像する場合を模式的に示す図である。
図3は、本実施形態に係る被写体距離推定装置10における撮像系によりL0離れた被写体を撮像する場合を模式的に示す図である。
図4は、本実施形態に係る被写体距離推定装置10における撮像系によりL1(L1<L0)離れた被写体を撮像する場合を模式的に示す図である。
図5は、本実施形態に係る被写体距離推定装置10における撮像系によりL2(L0<L2)離れた被写体を撮像する場合を模式的に示す図である。
たとえば図2に示すように、ある距離a離れた位置にある被写体OBJを撮像する。
被写体OBJから発せられる光は一般的に様々な波長の光を含んでおり、撮像レンズ系111は屈折率の特性から波長ごとに異なる焦点距離を持つ。
また、このような光学系の結像関係は一般的に次式で表される。
Figure 0005459768
ただし、aは被写体からレンズ系主点までの距離、
bはレンズ系主点から結像面までの距離、
fはレンズ系の焦点距離
したがって、同じ被写体OBJを撮影しても撮像素子112の撮像面上に結像される像は波長によっては結像位置からずれた状態となり、ボケを発生する。
つまり、2つ以上の色成分に関して、略同じ視野でありながらボケ量のみが異なる画像を得ることができる。
次に、ボケ量の異なる2つの色成分の画像から、被写体OBJの距離が基準距離L0より近傍にあるか遠方にあるかの判別を行う方法について、その原理を説明する。
図2において、被写体OBJが基準距離L0に有る場合に画像の2つの色成分におけるボケ量が略等しくなるように、撮像レンズ系111と撮像素子112を配置する。
被写体OBJが距離L0に有る場合は、図3に示す通り、画像の2つの色成分はどちらも合焦していないが、ボケ量は略等しい。
図4は、被写体OBJが距離L1(L1<L0)にある場合である。
この場合、撮像素子112において画像の色成分のボケ量を比較すると、長波長の色成分の方がボケ量は大きい。
距離L1の値によっては、短波長の色成分は合焦している場合もある。
図5は、被写体OBJが距離L2(L0<L2)にある場合である。
この場合、撮像素子112において画像の色成分のボケ量を比較すると、短波長の色成分の方がボケ量は大きい。
距離L2の値によっては、長波長の色成分は合焦している場合もある。
以上より、取得した画像の2つの色成分におけるボケ量の大小を比較することにより、被写体が基準距離L0より近傍にあるか遠方にあるかを判定することができる。
上記では、簡略化のためにボケ量の異なる2つの色成分の画像から、被写体の距離が基準距離L0より近傍にあるか遠方にあるかの判別を行う方法について説明したが、3つ以上の色成分の画像を用いて2つ以上の基準距離に対する被写体距離の遠近を判別しても良い。
次に、画像の2つの色成分におけるボケ量の大小を比較する方法について図1、図6、および図7に関連付けて説明する。
以下の説明では、2枚の画像のボケ量の比較に周波数領域での演算を用いているが、この方法がボケ量の比較方法を限定するものではない。
一般的に、光学系の焦点ずれによりボケた画像の周波数特性G(u,v)は、原画像の周波数特性F(u,v)と、光学系の伝達関数OTF(Optical Transfer Function)との積により表現されることが知られている。
OTFは被写体距離lによって変化する。
また、OTFの絶対値を取ったものがMTF(Modulation Transfer Function)、OTFを逆フーリエ変換したものが点像分布関数PSF(Point Spread Function)として知られている。
今、撮像系のR信号に関する伝達関数をOTF(u,v,l)、出力画像のR信号の周波数特性をG(u,v)、撮像系のB信号に関する伝達関数をOTF(u,v,l)、出力画像のB信号の周波数特性をG(u,v)とする。
撮像系の入力画像は等しいので、これをF(u,v)とおくと、次式が成立する。
Figure 0005459768
ここで、図3のように、被写体距離が基準距離L0にある場合に第1の撮像系および第2の撮像系のボケ量が等しくなるように配置されている場合は特に、次の関係を満足する。
Figure 0005459768
したがって、撮像系の出力画像のR信号の周波数特性G(u,v)と撮像系の出力画像のB信号の周波数特性G(u,v)は次の関係を満足する。
Figure 0005459768
距離推定部12では、画像G(u,v)、G(u,v)のボケ量評価値を算出し、その大小より被写体が所定距離より近傍か遠方かを判定する。
図6は、本実施形態に係る距離推定部における距離推定処理のフローチャートである。
距離推定部12では、画像IM1、IM2の周波数特性G(u,v)、G(u,v)からボケ量評価値S(G),S(G)を算出し、その大小より被写体が所定距離より近傍か遠方かを判定する(ST1〜ST3)。
一般的に、中高周波数域のMTFが低いほど、画像のボケ量は大きくなることが知られている。
たとえば、画像IM2の方が画像IM1よりボケ量が大きい場合は、それぞれの画像のMTFをMTF(u,v,L1)、MTF(u,v,L1)とすると、図7に示すような特性となる。
つまり、MTFの大小を比較することでボケ量の大小も推定できる。
ここで、MTFとOTFは次の関係を有する。
Figure 0005459768
このような関係にあることを考慮し、ボケ量評価値S(G),S(G)は画像IM1,IM2の周波数特性G(u,v)、G(u,v)から次式で算出される。
Figure 0005459768
距離推定部12は、ステップST3において、ボケ量評価値S(G),S(G)の大小を比較し、S(G)がS(G)より小さい場合(S(G)<S(G)の場合)には、被写体OBJが基準距離L0より近傍にあると判定する(ST4)。
この場合、被写体OBJが近いため衝突等のおそれがあるとして、距離推定部12は、警告部13に対して警告処理通知を行う(ST5)。
これに基づき警告部13では、表示部材131への視覚的な警告や、スピーカー132等を用いた聴覚的な警告を行う。
逆に、S(G)がS(G)以上の場合(S(G)≧S(G))の場合には、被写体OBJが基準距離L0以上遠方にあると判定する(ST6)。
この場合は特に危険等が無いので警告部13に対する警告処理通知は行わない。
そして、ステップST7において、距離推定処理が終了したと判断すると、距離推定部12は、距離推定処理を終わらせる。
なお特に、車両における衝突防止警告などにおいては、障害物がある一定距離から近いかどうかが重要であるため、上記のような簡素な構成でシステムを構成することで小型化、低コスト化ができる。
先に2つの色成分に関して、略同じ視野でありながらボケ量のみが異なる画像を得ることができると述べたが、撮像レンズ系111が著しい倍率色収差を発生する場合においてはこの2つの色成分の画像は異なる像倍率を持つこととなる。
撮像レンズ系111の設計値からそれぞれの色成分に対応する焦点距離f、f、f、各像高での歪曲D、D、Dがわかるため、次式の通り像高yの変換を行うことで、2つの色成分に対して略同じ視野でありながらボケ量のみが異なる画像を得ることができる。
Figure 0005459768
また、光軸上の色収差が著しく補正されているレンズ系では、色ごとのボケ量の差が出にくく、距離推定に対して誤差をもたらしやすい。
そこで、本発明の実施形態に用いるレンズ系は次式を満足するように設計することが望ましい。
Figure 0005459768
ただし、fは撮像レンズ系111の全系の焦点距離を、fiはi番目のレンズの焦点距離を、νiはi番目のレンズのアッベ数を表す。
以下に、具体的な実施例を示す。
ここでは、撮像レンズ系111として、図8に示すパワーが正の第1レンズ1111とパワーが負の第2レンズ1112の2枚構成とする。
図8において、1113は絞りを示す。
第1レンズ1111の屈折率はN1、アッベ数はν1に設定される。
第2レンズ1112の屈折率はN2、アッベ数はν2に設定される。
また、図8には、第1レンズ1111および第2レンズ1112に面番号を付してある。
第1レンズ1111の被写体側OBJSの面(凸面)を第1番、第1レンズ1111の像面側面(凸面)を第2番、第2レンズ1112の被写体側OBJSの面(凹面)を第3番、第2レンズ1112の像面側面(凸面)を第4番として表している。
また、第1レンズ1111の被写体側OBJSの面(凸面)1の曲率半径はR1、第1レンズ1111の像面側面(凸面)2の曲率半径はR2、第2レンズ1112の被写体側OBJSの面(凹面)3の曲率半径はR3、第2レンズ1112の像面側面(凸面)4の曲率半径はR4に設定されている。
また、第1レンズ1111の厚さとなる面1と面2間の光軸OX上の距離をD2、第1レンズ1111の面2と第2レンズ1112の面3間の光軸OX上の距離をD3、第2レンズ1112の厚さとなる面3と面4間の光軸OX上の距離をD4、第2レンズ1112の面4と絞り1113間の光軸OX上の距離をD5、絞り1113と図示しない像面との距離をD9とする。
表1は、実施例1における図8の撮像レンズ系111Aの各面番号に対応した絞り、各レンズの曲率半径R、間隔D、屈折率Nd、および分散値νdを示している。
実施例1で焦点距離fは50.0mm、上記数8の式(1)の値は−0.054である。実施例1は数8の式(1)の関係を満足していない。
Figure 0005459768
表2は、実施例2における撮像レンズ系の各面番号に対応した絞り、各レンズの曲率半径R、間隔D、屈折率Nd、および分散値νdを示している。
実施例2は実施例1の第2レンズ1112の硝子を変更した例である。
実施例2では焦点距離fは49.8mm、上記数8の式(1)の値は−0.024となる。施例2は数8の式(1)の関係を満足している。
Figure 0005459768
図9は実施例1の球面収差を、図10は実施例2の球面収差をそれぞれ示している。
図9および図10において、縦軸は瞳座標を表し、グラフの各線はC線、d線、g線の値を示している。ここで、C線、d線、g線は、R、G、Bの各色成分に近いと考えることができる。
実施例1は条件式(1)を満たさないため、図9を見るとわかるように色収差が小さい。
それに比べて実施例2は式(1)を満たすため、図10のように色収差が大きくなる。
色収差が大きければ、色ごとの結像位置の差が大きくなるため、撮像素子112で得られる画像のボケ量の差が大きくなり距離推定を正確に行いやすくなる。
本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
異なる色のカラーフィルタを透過した画像のボケ量を比較することによって被写体距離の判定を行うことから、通常の撮像装置の構成そのまま、余分な光学系や撮像素子を要することなく実現可能である。
そして、光路長をいたずらに長く取る必要もなく、スペース効率の低下も防ぐことができる。
また、本実施形態の特徴点の一つは、被写体が任意の距離より遠いか近いかを判定することにあるが、その目的に限っては異なる任意の色成分の画像の何れの焦点ボケが大きいかで判断可能であるため、シンプルかつ高速の処理が可能である。
10・・・被写体距離推定装置、11・・・撮像系、111・・・撮像レンズ系、112・・・撮像素子、113・・・カラーフィルタ群、114・・・画像処理部、12・・・距離推定部、13・・・警告部。

Claims (7)

  1. 撮像レンズ系と、
    前記撮像レンズ系を通過した被写体像を撮像する撮像素子と、
    前記撮像レンズ系と前記撮像素子との間に配置され、前記被写体像を複数の異なる色成分に分離するカラーフィルタと、
    前記撮像素子から得られた画像データを処理・解析する距離推定部と、を有し、
    前記撮像レンズ系と前記撮像素子は、
    前記被写体距離が予め定められた所定値の場合に前記異なる色成分の撮像画像の焦点のボケ状態が等しくなるように配置され、
    前記距離推定部は、
    前記異なる色成分の撮像画像の焦点のボケ状態を比較することにより、被写体距離が前記所定値以下であるか否かを判定する
    被写体距離推定装置。
  2. 前記距離推定部は、
    前記異なる色成分の撮像画像をそれぞれ周波数解析することにより前記焦点のボケ状態の比較を行う
    請求項1に記載の被写体距離推定装置。
  3. 前記撮像レンズ系はテレセントリック性を有する
    請求項1または2一に記載の被写体距離推定装置。
  4. 前記距離推定部は、
    前記異なる色成分の撮像画像が略同じ像倍率となるように画像処理をおこなった上でボケ状態の比較を行う
    請求項1から3のいずれか一に記載の被写体距離推定装置。
  5. 前記撮像レンズ系はパワーが正のレンズとパワーが負のレンズを有し、次式を満足する
    請求項1から4のいずれか一に記載の被写体距離推定装置。
    −0.05 < f/Σ(fi・νi) < 0.05
    ただし、fは撮像レンズ系全系の焦点距離を、fiはi番目のレンズの焦点距離を、νiはi番目のレンズのアッベ数を表す。
  6. 前記距離推定部が、
    前記被写体距離が予め定められた所定値以下と推定した場合に警告を行う警告部を有する
    請求項1から5のいずれか一に記載の被写体距離推定装置。
  7. 前記警告部は、
    視覚的または聴覚的な警告を行う
    請求項6に記載の被写体距離推定装置。
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