JP5800082B2 - 距離計測装置及び距離計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、強度変調された照射光を対象物に照射して対象物までの距離を計測する距離計測装置及び距離計測方法に関する。

対象物に向けて照射光を照射し、対象物により反射された反射光をＣＣＤ等の撮像素子で撮像し、取得した撮像データに基づいて対象物までの距離、或いは対象物の形状を計測する光学式の距離計測装置が知られている。このような距離計測装置において、照射光の対象物による反射光が背景光に比べて弱いと、反射光は背景光（雑音）に埋もれてしまい、対象物を正しく認識できなくなる場合がある。

そこで、従来より反射光が弱くなる遠方用の送受光部と、反射光が十分に強い近傍用の送受光部とが、波長や点滅周期が異なる照射光を用いることで、遠方と近傍を個別に計測できるようにした距離測定装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１０７４４８号公報

雑音に対する頑健性を高めるために正弦波等で強度変調された送信信号を用いて距離を測定する場合を考える。背景光の光量が撮像素子の輝度感度特性における線形観測領域の上端部、或いは下端部付近に位置する場合、背景光に対して送信信号が重畳された反射光を観測すると、この反射光が撮像素子の非線形領域に入ってしまうことがある。

この場合には、撮像部にて撮像した画像から取得される強度変調された信号の上端部（正弦波の上部ピーク領域）、或いは下端部（正弦波の下部ピーク領域）が飽和してしまい、送信信号に対して同期検波処理を実行する際の同期検波判定に誤りが生じる。よって、十分な反射情報があるにも拘わらず、強度変調信号が非検出となってしまい、対象物までの距離計測や形状計測の精度が低下するという課題があった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、撮像した画像から取得される強度変調信号が、撮像部の輝度感度特性における非線形領域で検出される場合であっても、対象物までの距離或いは形状を高精度に計測することが可能な距離計測装置及び距離計測方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の第１の態様に係わる距離計測装置は、移動体に搭載され、水平方向に照射領域を有し、強度変調された照射光を照射する投光部と、移動体に搭載され、照射光が照射された対象物を撮像する撮像部と、撮像部の撮像のタイミングに合わせて照射光の強度を制御する投光制御部と、撮像部にて撮像された画像から、照射光の強度変調と同期して輝度が変動する領域を、同期検波領域として抽出する同期検波部と、同期検波領域のエッジを検出するエッジ検出部と、エッジ検出部にて検出された同期検波領域のエッジに基づいて、対象物までの距離を算出する距離算出部とを有する。同期検波部は、撮像部にて撮像された画像の輝度変動が撮像部の非線形領域の輝度出力値である場合には、画像の輝度変動が撮像部の線形領域に移行するために必要な照射光の振幅及び直流成分とを演算する。投光制御部は、照射強度補正演算部により演算された照射光の振幅及び直流成分に基づいて、照射光の強度を制御する。

本発明の第２の態様に係わる距離計測装置は、移動体に搭載され、水平方向に照射領域を有し、強度変調された照射光を照射する投光部と、移動体に搭載され、照射光が照射された対象物を撮像する撮像部と、撮像部の撮像のタイミングに合わせて照射光の強度を制御する投光制御部と、撮像部にて撮像された画像から、照射光の強度変調と同期して輝度が変動する領域を、同期検波領域として抽出する同期検波部と、同期検波領域に基づいて、対象物までの距離を算出する距離算出部とを有する。投光制御部は、撮像部に入射する光の強度が所定範囲を超えて変化する場合には、照射光の振幅を小さくする。

本発明の第３の態様に係わる距離計測方法は、移動体に搭載された投光部を用いて強度変調された照射光を対象物に照射し、移動体に搭載された撮像部を用いて照射光が照射された対象物を撮像し、撮像のタイミングに合わせて照射光の強度を制御し、撮像された画像から、照射光の強度変調と同期して輝度が変動する領域を、同期検波領域として抽出し、同期検波領域のエッジを検出し、検出されたエッジに基づいて、対象物までの距離を算出し、撮像された画像の輝度変動が撮像部の非線形領域の輝度出力値である場合には、画像の輝度変動が撮像部の線形領域に移行するために必要な照射光の振幅及び直流成分とを演算し、演算された照射光の振幅及び直流成分に基づいて、照射光の強度を制御する。

図１は、本発明の一実施形態に係る距離計測装置１００の構成を示すブロック図である。 図２は、図１の同期検波処理部１５の詳細な構成を示すブロック図である。 図３は、図１の同期検波処理部１５の処理動作の手順を示すブロック図である。 図４は、図３における各信号の変化を示すタイミングチャートであり、図４（ａ）は送信信号Ｓ（ｔ）を示し、図４（ｂ）はＢＰＳＫ送信信号を示し、図４（ｃ）は搬送波乗算後の信号を示し、図４（ｄ）は復号信号ａ_ｎを示す。 図５は、車両Ｑに搭載された図１の距離計測装置が、観測対象物Ｐまでの距離を測定する様子を示す説明図である。 図６は、図１のカメラ１２で撮像された画像の一例を示す斜視図である。 図７は、観測対象物Ｐまでの距離を測定する原理を示す説明図である。 図８は、図１のカメラ１２が備える撮像素子が有する、入力光強度と輝度出力値との関係（輝度感度特性）の一例を示すグラフである。 図９は、強度変調された信号に対して撮像素子の輝度出力信号の上端部に歪みを生じる様子を示すグラフである。 図１０は、強度変調された信号に対して撮像素子の輝度出力信号の下端部に歪みを生じる様子を示すグラフである。 図１１は、撮像素子の明部における非線形領域での、変調光の振幅を補正する処理を示す説明図である。 図１２は、撮像素子の暗部における非線形領域での、変調光の振幅補正、及び直流成分を重畳する処理を示す説明図である。 図１３は、図１の距離計測装置を用いた距離計測方法の手順の一例を示すフローチャートである。 図１４は、図１３に示した同期検波処理の詳細な処理手順を示すフローチャートである。 図１５は、図１のカメラ１２の視軸に俯角が無い場合の、距離分解能を示す説明図である。 図１６は、図１のカメラ１２の視軸に俯角が有る場合の、距離分解能を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１を参照して、本発明の一実施形態に係る距離計測装置１００の構成を説明する。該距離計測装置１００は、車両（移動体の一例）に搭載されるものであり、車両周囲の距離測定の対象となる観測対象物Ｐ（対象物）に向けて照射光を照射する投光部１１と、照射光が照射された観測対象物Ｐの映像を撮像するカメラ（撮像部の一例）１２と、カメラ１２より出力される画像を所定枚数保存可能な画像メモリ１４とを備えている。

更に、距離計測装置１００は、投光部１１による照射光の照射を制御する投光制御部１３と、投光部１１より照射する照射光の振幅、及び直流成分を補正する照射強度補正演算部１８と、カメラ１２で撮像された画像信号に対して同期検波処理を行う同期検波処理部１５と、同期検波された画像から観測対象物Ｐの上端エッジ（エッジの一例）を検出する上端エッジ検出部１６と、上端エッジ検出部１６で検出された上端エッジに基づいて車両から観測対象物Ｐまでの距離を算出する距離算出部１７と、を備えている。

なお、本実施形態では、画像メモリ１４、同期検波処理部１５、及び照射強度補正演算部１８により、「同期検波部」が構成されている。また、移動体が車両である場合を例に挙げて説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、鉄道車両や船舶等の他の移動体についても適用することが可能である。また、本実施形態に係る距離計測装置１００は、例えば、中央演算ユニット（ＣＰＵ）や、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスク等の記憶部からなる一体型のコンピュータを用いて構成することができる。

投光部１１は、例えば、プロジェクタヘッドライトやリフレクタを備えたヘッドライトであり、水平方向に照射領域を形成する配光特性を有する照射光を観測対象物Ｐに向けて照射する。そして、観測対象物Ｐに強度変調された照射光を照射することにより、観測対象物Ｐ上に、照射領域と非照射領域との輝度境界、すなわち、上端エッジを鮮明に映し出すことができる。また、投光部１１の発光源として、可視光、赤外光、或いは紫外光の発光源を用いることができる。

カメラ１２は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子を備えており、車両周囲の画像を撮像する。具体的には、カメラ１２が備える撮像素子には、投光部１１により照射された照射光が観測対象物Ｐで反射した反射光と、背景光とが入射する。カメラ１２が備える撮像素子は、後述する輝度感度特性にしたがって、入射光の強度に応じた輝度を出力する。また、投光部１１より、可視光、赤外光、紫外光等が使用される場合には、カメラ１２が備える撮像素子は、可視光、赤外光、紫外光の波長を観測可能な素子を使用したものとする。

画像メモリ１４は、カメラ１２より出力される画像を所定枚数保存する機能を備えている。画像メモリ１４には、カメラ１２より時系列で撮像された複数の画像が保存される。

同期検波処理部１５は、投光制御部１３から出力される照射光に含まれる変調信号を同期検波することにより、照射光の強度変調と同期して輝度が変動する画素のみ（同期検波領域）を抽出した照射光抽出画像を出力する。同期検波処理は、画像メモリ１４に記憶されている複数の画像中の全画素（或いは、画像中に処理領域を制限した場合は、画像処理領域中の全画素）において実施されている。そして、この照射光抽出画像を上端エッジ検出部１６に出力する。なお、同期検波処理部１５による詳細な構成については、図２に示すブロック図を参照して後述する。

投光制御部１３は、投光部１１から射出される照射光をＰＷＭ制御にて変調する際のパルス点灯及び消灯のタイミングを示すトリガ信号を出力するとともに、カメラ１２による撮像タイミングのトリガ信号と、シャッター時間（露出時間）の制御信号とを出力している。また、ＰＷＭ制御で使用した搬送波（キャリア周波数）信号を同期検波処理部１５に出力している。また、照射強度補正演算部１８より、強度変調された照射光の振幅及び直流オフセット量（直流成分）のデータが与えられた場合には、これらのデータに基づいて、ＰＷＭ制御する際のパルス点灯、消灯のタイミングを補正する。

上端エッジ検出部１６は、同期検波処理部１５により抽出された照射光抽出画像より、照射光の上端エッジの位置を検出し、その画像内の縦位置情報（図６に示す照射光の上端エッジｒ１の上下方向の位置情報）を出力する。

距離算出部１７は、上端エッジ検出部１６より出力される上端エッジの縦位置情報を用いて、上端エッジの照射方向とカメラ１２の視軸とがなす角度及びレイアウトに基づき、三角測量の原理により、照射光が照射されている観測対象物Ｐまでの距離を算出する。この算出の手順については、図７を参照して後述する。

照射強度補正演算部１８は、画像メモリ１４に記憶された画像における撮像素子の非線形領域の輝度出力値の存在状況に応じて、非線形領域の輝度出力値が線形領域の輝度出力値となるために必要な照射光の振幅及び直流オフセット量を演算し、この演算結果を投光制御部１３に出力する。

図２を参照して、同期検波処理部１５の詳細な構成を説明する。同期検波処理部１５は、直流成分除去処理部２１と、波形乗算部２２と、同期検波判定部２３とを備えている。

直流成分除去処理部２１は、画像メモリ１４に記憶されている画像から、投光制御の変調周期に相当する枚数分の画像を読み出す。そして、読み出した画像中の画素ごとに時系列に沿った輝度値の平均処理を行って、画素の輝度出力値から平均値を除去する。

波形乗算部２２は、直流成分除去処理部２１で直流成分が除去された画像の画素毎に投光制御１３から送信される変調信号（搬送波信号）を乗算する。

同期検波判定部２３は、波形乗算部２２で変調信号が乗算された信号の正負判定により、投光制御に用いた変調信号との同期判定を行う。

次に、同期検波処理部１５における一般的な同期検波の基本原理を、図３に示す模式図、及び図４に示すタイミングチャートを参照して説明する。本実施形態に係る距離計測装置１００では、投光部１１より観測対象物Ｐに向けて照射光を照射し、観測対象物Ｐで反射した反射光を検出する際に、照射した照射光を他の光（背景光）と区別して検出する。この際、照射した照射光のみを頑健に検出する処理として、同期検波処理を用いている。

本実施形態では、カメラ１２により撮像された画像の全画素、或いは処理領域として設定された画像領域中の全画素について、この同期検波処理を実施し、各画素にて照射光の抽出を行う。以下、図３，図４を参照して詳細に説明する。

図３に示す送信信号Ｓ(t)（ｔは時間）は、図４（ａ）に示すように、一定の時間間隔で「１」「０」のいずれかに変化するバイナリ信号とする。送信信号Ｓ(t)を送出する際に、送信信号Ｓ(t)に対して十分高い周波数ωを持つ搬送波sin（ωｔ）を送信信号Ｓ(t)で位相変調して、ＢＰＳＫ（Binary Phase Shift Keying：二位相偏移変調）送信信号を生成する。具体的には、Ｓ(t)＝１の場合には、切替部３１を上側に切り替えて搬送波sin（ωｔ）をそのまま出力し、Ｓ(t)＝０の場合には、切替部３１を下側に切り替えて搬送波sin（ωｔ）を、π（１８０度）だけ位相をシフトした波形を出力する。

その結果、図４（ｂ）に示す如くの位相変調された波形（Ｓ(t)＝０の場合には位相が１８０度シフトしている）の信号（ＢＰＳＫ送信信号）が生成され、ＢＰＳＫ送信信号は、投光部１１より周囲物体である観測対象物Ｐに向けて照射される（図３の符号ｑ１参照）。即ち、投光部１１より送出される変調信号は、「２×（Ｓ(t)−０．５）×sin（ωｔ）」で示されることになる。

一方、観測対象物Ｐに照射された照射光は、観測対象物Ｐにて反射され（図３の符号ｑ２参照）、カメラ１２にて検出される。そして、画像に含まれる変調信号からＤＣ成分（直流成分）が除去され、更に、乗算部にて搬送波sin（ωｔ）が乗じられる。変調信号に対して搬送波sin（ωｔ）を乗算すると、下記（１）式となる。

Ａ×（Ｓ(t)−０．５）×sin（ωｔ）×sin（ωｔ）
＝ Ａ×（Ｓ（ｔ）−０．５）×（１−cos（２ωｔ））／２ …（１）
なお、Ａは反射の影響を含む定数である。

（１）式より、乗算部の出力信号は、周波数の和（ＤＣ成分）と差（２倍の高調波成分）の信号成分が混在した信号となる。即ち、図４（ｃ）に示すように、周波数が２倍となり、且つ、Ｓ(t)＝１のときにプラス側に振幅し、Ｓ(t)＝０のときにマイナス側に振幅する波形が得られる。

その後、ＬＰＦ（低域通過フィルタ）を用いて高周数成分を除去することにより平滑化され、更に、正負判定することにより、図４（ｄ）に示すように、復号信号ａ_ｎとして、送信されたバイナリ信号Ｓ(t)を取り出すことができる。なお、上記では、検波信号としてＢＰＳＫ送信信号を用いる例について説明したが、これ以外の振幅変調、位相変調、周波数変調、或いはこれらの組み合わせを用いることも可能である。

そして、図１に示した同期検波処理部１５は、図３、図４を参照して説明した原理に基づき、画像メモリ１４に記憶されている画像に基づいて同期検波処理を行い、照射光抽出画像を取得する。更に、図１に示した照射強度補正演算部１８は、カメラ１２で撮像され画像メモリ１４に記憶された画像の輝度変動が、カメラ１２に搭載される撮像素子の非線形領域の輝度出力値であった場合に、この非線形領域の輝度出力値が線形領域に移行するために必要な照射光の振幅と直流成分とを演算する。そして、投光制御部１３は、演算された照射光の振幅、及び直流成分に基づいて、照射光を発光させる際の振幅、及び直流成分を制御する。

次に、投光部１１より投光される照射光の投光パターンについて説明する。上述したように、車両に搭載される投光部１１は、照射領域の上端部に明暗が鮮明な水平パターンを有する照射光を照射する。以下、この配光パターンについて、図５，図６を参照して説明する。図５は、車両Ｑに搭載される投光部１１より、観測対象物Ｐに向けて領域光（照射光）を照射する様子を示し、図６は、領域光（照射光）を観測対象物Ｐに照射した際に、カメラ１２が撮像した画像の一例を示す。

車両Ｑの姿勢が変化することや、観測対象物Ｐが移動することにより、車両Ｑと観測対象物Ｐとの間の相対的な位置関係に変化が生じる場合がある。このような場合であっても、安定的に照射光を抽出するためには、検波に必要な時系列的な画像フレームにおいて、照射光が観測対象物Ｐ上の同一箇所に連続して観測される必要がある。

現実的には、車両Ｑ及び観測対象物Ｐの動きに制約を設けることはできない。よって、車両Ｑ及び観測対象物Ｐが任意の動きをした場合でも、安定して照射光を抽出するために十分広い照射光の領域を設定する必要がある。そこで、本実施形態では、図６に示すように、水平方向に広がる（水平方向に長い）照射領域を有する照射光を用いている。

次に、照射光の上端エッジを用いて、観測対象物Ｐまでの距離を計測する原理について、図７に示す模式図を参照して説明する。図７に示すように、投光部１１より照射される照射光の広がり方向（横方向）とは垂直な方向（縦方向）にオフセットした位置に、カメラ１２が配置される。投光部１１から投光される照射光が観測対象物Ｐに照射され、カメラ１２では、観測対象物Ｐの表面で反射した照射光を撮像する。ここで、投光部１１の上端エッジへの照射角度（図７の例では０度）、投光部１１とカメラ１２との距離（高低差）Ｄｙ、カメラ１２の視軸が成す俯角αが予め設定されている場合、観測対象物Ｐまでの距離Ｚに応じて、照射光の上端エッジが観測される上下方位βが変化する。従って、カメラ１２で観測される上端エッジの上下位置ｙを用いて、三角測量の原理により観測対象物Ｐまでの距離Ｚを算出することができる。

次に、強度変調された照射光を用いた距離計測において、非検出誤差を生じる理由について、図８〜図１０を参照して説明する。

図８は、撮像素子の輝度感度特性を示すグラフであり、カメラ１２の撮像素子に入射する光の強度と、輝度出力値との関係を示している。観測対象物Ｐには、投光部１１より照射される照射光以外に、太陽光等の背景光が照射されており、この背景光の直流成分強度に応じて、カメラ１２で撮像される画像の入射光強度が変化する。

そして、この背景光の直流成分が大きい場合（背景光Ｎ１の場合）、この背景光に対して、強度変調された照射光の反射光（Ａ１）が重畳されると、入射光強度（カメラ１２で撮像される画像の輝度）は大きくなる。このため、カメラ１２に搭載される撮像素子は、入射光を非線形領域Ｐ１で検出することになり、カメラ１２にて検出される輝度出力値は、波形（Ｂ１）のような上端部に歪みが生じる信号波形になる。

一方、背景光の直流成分が小さい場合（背景光Ｎ２の場合）、この背景光に対して、強度変調された照射光の反射光（Ａ２）が重畳されると、入射光強度は小さくなる。このため、カメラ１２に搭載される撮像素子は、入射光を非線形領域Ｐ２で検出することになり、カメラ１２にて検出される輝度出力値は、波形（Ｂ２）のような下端部が歪みが生じる信号波形になる。

図９は、上端部が歪んだ信号波形が観測される画素の時系列に沿った輝度変化を示すグラフである。図９に示す領域Ｃは、カメラ１２の非線形特性により飽和検出されたサンプル点群を示している。この受信波形が歪んだ状態では直流オフセット成分（＝Ａ／２；（１）式参照）を正確に得ることがでない。このため、同期検波処理を実施すると、前述した（１）式の演算後の正負判定によるバイナリ信号Ｓ（ｔ）の復元に誤りを生じてしまうことになる。即ち、図８に示す非線形領域Ｐ１，Ｐ２が存在することにより、カメラ１２で撮像される入射光の強度に対して、輝度出力値に歪みが生じるので（図９の領域Ｃが存在するので）、正確な同期検波処理ができなくなってしまう。

また、図１０は、下端部が歪んだ信号波形が観測される画素の時系列に沿った輝度変化を示すグラフである。図１０に示す領域Ｃは、カメラ１２の非線形特性により飽和検出されたサンプル点群を示している。そして、上述した図９と同様に、この領域Ｃにより、正確な同期検波処理ができなくなってしまう。

本実施形態では、以下に示す手法によりカメラ１２が備える撮像素子の非線形領域Ｐ１，Ｐ２での信号歪みを回避して、高精度な同期検波処理を実行して距離計測の精度を向上させる。

以下、非線形領域での信号歪みを回避する方法について説明する。本実施形態では、カメラ１２で検出される強度変調信号に含まれるサンプル点群の中に非線形領域の出力値が観測された場合には、投光部１１から出力される照射光の振幅と直流成分を制御する。これにより、非線形領域の輝度出力値を線形領域へ移行させる。強度変調された照射光を用いて同期検波する際に、非検出となることなく正確に同期判定を行うことができる。以下、具体的に説明する。

図９の領域Ｃに示す如くの、カメラ１２の明部（入射光強度の高い領域）での非線形領域の輝度出力値が観測される場合には、投光部１１より出力する照射光の振幅を縮小する。これにより、非線形領域にて輝度出力値が観測されることを回避する。具体的には、図１１に示すように、補正前の照射光の振幅Ａ１に対して、振幅を縮小させた波形ａ１に変更する。即ち、背景光Ｎ１に重畳する照射光の波形を、撮像素子の線形領域で検出される波形ａ１へ変更する。これにより、非線形領域での検出が回避されるので、カメラ１２の撮像素子の輝度出力値は、図１１の波形ｂ１に示すように、入力光強度に対して歪みの無い波形となる。このため、図９の領域Ｃに示した歪み領域の発生を回避でき、高精度な同期検波処理を行うことが可能となる。

一方、図１０の領域Ｃに示す如くの、カメラ１２の暗部（入射光強度の低い領域）での非線形領域の輝度出力値が観測される場合には、投光部１１より出力する照射光の振幅を縮小し、且つ直流成分を重畳する。これにより、非線形領域にて輝度出力値が観測されることを回避する。具体的には、図１２に示すように、補正前の照射光の振幅Ａ２に対して、振幅を縮小させ且つ直流成分Ｌ１を重畳した波形ａ２に変更する。即ち、背景光Ｎ２に重畳する照射光の波形を、撮像素子の線形領域で検出される波形ａ２へ変更する。これにより、非線形領域での検出が回避されるので、カメラ１２の撮像素子の輝度出力値は、図１２の波形ｂ２に示すように、入力光強度に対して歪みの無い波形となる。このため、図１０の領域Ｃに示した歪み領域の発生を回避でき、高精度な同期検波処理を行うことが可能となる。

つまり、カメラ１２で撮像された画像の輝度出力がカメラ１２の撮像素子の非線形領域の輝度出力であった場合、照射強度補正演算部１８は、この非線形領域の輝度出力が線形領域に移行するために必要な照射光の振幅と直流成分とを演算する。そして、投光制御部１３は、この演算された振幅及び直流成分となるように、照射光の出力を制御する。従って、入力光強度に対して歪みの無い輝度出力を得ることができ、ひいては、同期検波の精度を向上させることができるようになる。

次に、本実施形態に係る距離計測装置１００の処理動作の手順を、図１３，図１４に示すフローチャートを参照して説明する。

初めに、ステップＳ１において、カメラ１２により撮像された画像を画像メモリ１４（図１参照）に保存する。ステップＳ２において、同期検波に必要なフレーム数の画像が画像メモリ１４に保存されているか否かを判定する。同期検波に必要な画像数が保存されてなければ、ステップＳ１に処理を戻し、同期検波に必要な画像数が保存されていれば、ステップＳ３に移行する。

ステップＳ３において、後述する同期検波処理を実行する。その後、ステップＳ４に移行する。ステップＳ４において、同期検波領域の上端エッジを抽出し、ステップＳ５に移行する。

ステップＳ５において、ステップＳ４の処理で検出された上端エッジのデータに基づき、三角測量による距離計測処理を行う。即ち、図７を参照して説明した手法に基づいて、観測対象物Ｐまでの距離Ｚを計測する。その後、ステップＳ６に移行する。

ステップＳ６において、ステップＳ５で求められた距離Ｚを下位のシステムに出力する。その後、本処理を終了する。こうして、カメラ１２の取り付け位置から、観測対象物Ｐまでの距離Ｚを計測することができる。

次に、ステップＳ３に示した同期検波処理の手順について、図１４に示すフローチャートを参照して説明する。

初めに、ステップＳ１１において同期検波処理を開始し、ステップＳ１２において、画像メモリ１４に記憶されている画像から、同期検波に必要な枚数の時系列画像データを取得する。その後、ステップＳ１３に移行する。

ステップＳ１３において、画素単位で時系列データ中に撮像素子の非線形領域に相当する輝度出力値が存在するか否かを判定する。存在すると判定された場合はステップＳ１４に移行し、存在しないと判定された場合にはステップＳ１８に移行する。

ステップＳ１４において、輝度値の飽和量から振幅の補正量を演算する。この処理では、変調周期に対する非線形領域に相当する輝度出力の割合に応じて、変調信号の振幅補正値を演算する。具体的には、図８に示した入力波形Ａ１（或いはＡ２）と出力波形Ｂ１（或いはＢ２）との対比から飽和量を求め、この飽和量に基づいて、図１１に示した入力波形ａ１（或いは、図１２に示した入力波形ａ２）を求める。その後、ステップＳ１５に移行する。

ステップＳ１５において、非線形領域は、明部の非線形領域の輝度出力であるか否かを判断する。即ち、図８に示した非線形領域Ｐ１であるか、Ｐ２であるかを判断する。そして、暗部である場合には（ステップＳ１５でＮＯ）、ステップＳ１６において、直流成分を演算する。即ち、図１２に示した直流成分Ｌ１を演算する。その後、ステップＳ１７に移行する。

ステップＳ１７において、振幅補正値及び直流成分（強度変調指令値）を記憶する。そして、ステップＳ２３において、この出力信号は判定不可であると判断して、判定不可を示す色付けとする（例えば、灰色；８ｂｉｔ階調の場合は１２７）。即ち、図８に示した非線形領域Ｐ１，Ｐ２で検出された輝度出力値は、信頼性が低いので判定不可を示す色（灰色）で表示する。また、ステップＳ１７で強度変調指令値が保存され、この強度変調指令値に基づいて、次回投光部１１より照射される照射光の強度が調整される。即ち、照射光の強度は、図１１に示す波形ａ１、或いは図１２に示す波形ａ２に制御されるので、輝度出力値が非線形領域より得られることがなくなり（即ち、ステップＳ１３の処理でＮＯとなり）、高精度な同期検波処理が行われることになる。その後、ステップＳ２４に移行する。

ステップＳ１８において、画素単位での平均処理を行い、各画素の平均値を各時系列データから除算することでＤＣオフセット成分を除去する。その後、ステップＳ１９に移行する。ステップＳ１９において、オフセット調整された時系列データと搬送波とを乗算する。その後、ステップＳ２０に移行する。

ステップＳ２０において、乗算後の結果の正負判定結果と送信信号Ｓ（ｔ）とが同期しているか否かを判定する。同期していればステップＳ２１に移行して、画素を同期色（例として、白色；８ｂｉｔ階調の場合は「２５５」）で上書きする。一方、同期していなければステップＳ２２に移行し、画素を非同期色（例として、黒色；８ｂｉｔ階調の場合は「０」）で上書きする。その後、ステップＳ２４に移行する。

ステップＳ２４において、全画素で判定が終了したか否かを判定し、終了していなければステップＳ１２に処理を戻し、終了していない画素について同期検波判断を実行する。一方、全画素の判定が終了していれば、ステップＳ２５に移行して強度変調指令値を出力する。即ち、投光制御部１３に次測定時の強度変調指令値（振幅及び直流成分を示す指令値）を出力する。次いで、ステップＳ２６において、同期検波画像を出力する。以上により本処理は終了する。

このように、本実施形態に係る距離計測装置１００では、輝度出力値が撮像素子の非線形領域で検出される場合には、輝度出力値が撮像素子の線形領域で検出されるように、照射光の振幅及び直流成分を調整して、確実に正負判定処理を行える。

次に、カメラ１２の視軸が、上端エッジが照射される方向に対して所定の俯角を有するようにカメラ１２の向きを設定することにより、分解能を向上させることについて説明する。

１個のカメラ１２で広域を観測するためには、通常、広角レンズが用いられる。一般的な広角レンズは、射影方式として等距離射影レンズ（いわゆる、ｆθレンズ）を採用しており、周辺視野では中心視野に比べて分解能が劣る。このような広角レンズとの組み合わせにおいては、カメラ視軸に俯角（或いは仰角）を持たせ、分解能が高い領域を監視したい領域に向けて適切に設定することが望ましい。

以下、ｆθレンズとの組み合せにおいて、簡単のために、照射光の上端エッジが路面に対して水平である場合を仮定する。そして、カメラ１２の視軸に俯角があることにより、観測対象物までの距離計測値の分解能が向上することを、図１５，図１６を参照して説明する。図１５はカメラ１２の視軸に俯角が無い場合を示し、図１６は俯角が有る場合を示す。

図１５及び図１６で、カメラ視軸の画素位置をｙ（ｊ）とし、ｙ(ｊ)の下に隣接する画素位置をｙ（ｊ＋１）とする。このとき、図１５に示すように、俯角（仰角）が無い場合（＝０°の場合）において、画素位置ｙ（ｊ）とｙ（ｊ＋１）で決定される１画素の角度分解能ｄθは、実空間距離での距離分解能ｄＤ（０）に相当する。一方、図１６に示すように、俯角（仰角）が有る場合（＝α°の場合）において、画素位置ｙ（ｊ）とｙ（ｊ＋１）で決定される１画素の角度分解能ｄθは、実空間距離での距離分解能ｄＤ（α）に相当する。距離分解能ｄＤ（α）は距離分解能ｄＤ（０）よりも小さいので、カメラ視軸が俯角（仰角）を有する場合、１画素の角度分解能に対する実空間分解能が高くなる。即ち、俯角αを設けることにより、上端エッジを抽出する際の実空間分解能を高くすることが可能となる。

このように、投光部１１により投光される照射光の上端エッジは、カメラ１２に対して横方向に広がる領域に形成される。カメラ１２は、上端エッジの照射方向に対して鉛直な方向にオフセットして配置される。また、カメラ１２の視軸は、上端エッジの照射方向に対して所定の俯角或い仰角をなす。これにより、一般的な広角レンズ（魚眼レンズ）を使用した際においても、三角測量の原理に基づき距離計測する際の計測精度が向上する。

このようにして、本実施形態に係る距離計測装置１００では、投光部１１が照射領域に向けて所定の変調周波数で強度変調した照射光を照射し、カメラ１２にて撮像された時系列的な画像を画像メモリ１４に記憶する。そして、同期検波処理部１５は時系列的に取得された画像に対して同期検波処理を行い、照射光の強度変調に同期した画素の輝度情報を抽出する。照射光の変調周期内において、撮像信号の上端部或いは下端部が、カメラ１２の撮像素子の輝度感度特性の線形領域の上端部以上或いは下端部以下となる場合、投光部１１から照射される照射光の振幅及び直流成分を制御する。そして、輝度出力値が撮像素子の線形領域に収まるように輝度を調整する。従って、同期検波処理を高精度に行うことができ、安定した距離計測や形状計測を行うことができるようになる。

また、カメラ１２で撮像される画像の輝度変化が撮像素子の明部における非線形領域の輝度出力値である場合、投光部１１から照射される照射光の強度振幅を縮小する。これにより、画像の輝度変化が線形領域の出力となるように制御することができる。画像の輝度変化が撮像素子の暗部における非線形領域の輝度出力値である場合、投光部１１から照射される照射光の直流オフセットを制御し、且つ、オフセット制御した量だけ振幅を縮小する。これにより、画像の輝度変化が線形領域の出力となるように制御することができる。これにより、投光部１１の発光素子の出力性能を超えることなく、同期判定において誤判定を抑制でき、安定した照射光抽出処理を実施することができる。

更に、投光部１１により投光される照射光の上端エッジは、カメラ１２に対して横方向に広がる領域に形成される。カメラ１２は、上端エッジの照射方向に対して鉛直な方向にオフセットして配置される。また、カメラ１２の視軸は、上端エッジの照射方向に対して所定の俯角或い仰角をなす。よって、一般的な広角レンズ（魚眼レンズ）を使用した際においても、三角測量の原理に基づき距離計測する際の計測精度が向上する。

また、投光部１１に搭載される発光源が、赤外光、或いは紫外光を発するものであれば、カメラ１２に特定スペクトルの光を高効率で透過するフィルタを設けることにより、照射光をより頑健に検出することが可能となる。

更に、投光部１１及び同期検波処理部１５で用いる同期信号として、振幅変調や位相変調、周波数変調を用いることも可能である。更に、振幅変調と位相変調の組み合わせであるＢＰＳＫ送信信号を用いることで、頑健性を向上させることが可能である。

次に、本実施形態の変形例について説明する。図９に示したように、撮像素子の明部における非線形領域の輝度出力値が観測される場合を考える。この場合、投光部１１より照射される照射光の変調周期に占める線形領域の輝度出力値の割合Ｎ［％］を用いて、照射光強度の振幅をＮ［％］に縮小させる制御を行う。これにより、前述した実施形態と同様の効果を得ることができる。例えば、線形領域の割合Ｎが６０％である場合には、照射光強度の振幅を６０［％］とすることにより、非線形領域の輝度出力信号を回避することができる。

一方、図１０に示したように、撮像素子の暗部における非線形領域の輝度出力値が観測される場合には、投光部１１より照射される照射光強度の振幅をＮ［％］に制御すると共に、前回の輝度振幅値の１００−Ｎ［％］だけ直流成分を重畳する制御を行う。これにより、非線形領域の輝度出力信号を回避することができる。

このように、変調周期全体に対する、線形領域の輝度値が出力される時間の割合に応じて、投光部１１より照射する照射光の振幅を縮小し、直流成分を重畳する。これにより、極めて簡単な方法で、非線形領域での輝度出力信号を回避することができる。

以上、実施形態に沿って本発明の内容を説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変形及び改良が可能であることは、当業者には自明である。

特願２０１２−０４５２３８号（出願日：２０１２年３月１日）の全内容は、ここに援用される。

実施形態に係わる距離計測装置及び距離計測方法によれば、画像の輝度変動が撮像部の線形領域に移行するように照射光の強度を制御する。これにより、撮像部の非線形領域の輝度出力値が一部観測される場合においても、照射光の同期検波計測を誤ることなく、安定した距離計測または形状計測を実施することができる。よって、本発明は、産業上の利用可能性を有する。

１１ 投光部
１２ カメラ（撮像部）
１３ 投光制御部
１４ 画像メモリ
１５ 同期検波処理部
１６ 上端エッジ検出部
１７ 距離算出部
１８ 照射強度補正演算部
１００ 距離計測装置
Ｐ 観測対象物（対象物）

Claims (9)

1. 移動体に搭載され、水平方向に照射領域を有し、強度変調された照射光を照射する投光部と、
   前記移動体に搭載され、前記照射光が照射された対象物を撮像する撮像部と、
   前記撮像部の撮像のタイミングに合わせて前記照射光の強度を制御する投光制御部と、
   前記撮像部にて撮像された画像から、前記照射光の強度変調と同期して輝度が変動する領域を、同期検波領域として抽出する同期検波部と、
   前記同期検波領域のエッジを検出するエッジ検出部と、
   前記エッジ検出部にて検出された前記同期検波領域のエッジに基づいて、前記対象物までの距離を算出する距離算出部とを有し、
   前記同期検波部は、前記撮像部にて撮像された画像の輝度変動が前記撮像部の非線形領域の輝度出力値である場合には、前記画像の輝度変動が前記撮像部の線形領域に移行するために必要な前記照射光の振幅及び直流成分とを演算し、
   前記投光制御部は、前記演算された前記照射光の振幅及び直流成分に基づいて、前記照射光の強度を制御する
   ことを特徴とする距離計測装置。
2. 前記投光制御部は、
   前記画像の輝度変動が前記撮像部の明部における非線形領域の輝度出力値である場合には、前記照射光の振幅を縮小するだけの制御を行い、
   前記画像の輝度変動が前記撮像部の暗部における非線形領域の輝度出力値である場合には、前記照射光の振幅を縮小し、且つ縮小した量を直流成分として重畳する制御を行う
   ことを特徴とする請求項１記載の距離計測装置。
3. 前記投光制御部は、前記照射光の変調周期全体に対する、前記線形領域の輝度が出力される時間の割合に応じて、前記照射光の振幅を縮小することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の距離計測装置。
4. 前記投光部、及び前記撮像部は、前記照射光の強度変調として、振幅変調、位相変調、周波数変調のうちの一つ、或いはこれらの組み合わせを用いることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の距離計測装置。
5. 前記投光部は、可視光、赤外光、紫外光のうちの少なくとも１つを照射する光源を具備し、前記撮像部は、前記投光部に具備された光源に応じて、可視光領域、赤外領域、紫外領域に感度を有することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の距離計測装置。
6. 前記撮像部は、前記投光部の上端エッジが照射される方向に対して、鉛直方向に設けられ、且つ、所定の俯角を有することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の距離計測装置。
7. 移動体に搭載され、水平方向に照射領域を有し、強度変調された照射光を照射する投光部と、
   前記移動体に搭載され、前記照射光が照射された対象物を撮像する撮像部と、
   前記撮像部の撮像のタイミングに合わせて前記照射光の強度を制御する投光制御部と、
   前記撮像部にて撮像された画像から、前記照射光の強度変調と同期して輝度が変動する領域を、同期検波領域として抽出する同期検波部と、
   前記同期検波領域に基づいて、前記対象物までの距離を算出する距離算出部と、を有し、
   前記投光制御部は、前記撮像部に入射する光の強度が前記撮像部の線形領域を超えて変化する場合には、前記撮像部に入射する光の強度が前記撮像部の線形領域内で変化するように、前記照射光の振幅を小さくする
   ことを特徴とする距離計測装置。
8. 前記撮像部に入射する光の強度が前記撮像部の線形領域を超えて変化する場合とは、前記撮像部にて撮像された画像の輝度が前記撮像部の非線形領域の輝度出力値となる場合であることを特徴とする請求項７に記載の距離計測装置。
9. 移動体に搭載された投光部を用いて、強度変調された照射光を対象物に照射し、
   前記移動体に搭載された撮像部を用いて、前記照射光が照射された対象物を撮像し、
   前記撮像のタイミングに合わせて前記照射光の強度を制御し、
   前記撮像された画像から、前記照射光の強度変調と同期して輝度が変動する領域を、同期検波領域として抽出し、
   前記同期検波領域のエッジを検出し、
   前記検出されたエッジに基づいて、前記対象物までの距離を算出し、
   前記撮像された画像の輝度変動が前記撮像部の非線形領域の輝度出力値である場合には、前記画像の輝度変動が前記撮像部の線形領域に移行するために必要な前記照射光の振幅及び直流成分とを演算し、
   前記演算された前記照射光の振幅及び直流成分に基づいて、前記照射光の強度を制御する
   ことを特徴とする距離計測方法。