JP6029306B2 - 作業機械用周辺監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、距離画像センサが取得した二次元配列の距離情報を利用して出力画像を生成する作業機械用周辺監視装置に関する。

従来、ショベルの上部旋回体に取り付けられるレーザレーダを用いて、ショベルの周囲に存在する物体のショベルに対する距離及び方向を取得しながら周囲を監視する周囲監視装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この周囲監視装置は、物体のショベルに対する距離及び方向が所定時間にわたって変化しない場合にその物体を静止障害物と判定し、距離及び方向が変化する場合にその物体を移動障害物と判定する。その上で、周囲監視装置は、ショベル及びその周囲を上空から見たイラスト画像を生成し、障害物の実在位置に対応するイラスト画像上の位置にその障害物を表すイラストを表示する。また、周囲監視装置は、静止障害物と移動障害物とを異なる態様のイラストで表示する。

このようにして、周囲監視装置は、ショベルの周囲の障害物の状況を運転者に分かり易く伝えることができるようにしている。

特開２００８−１６３７１９号公報

しかしながら、特許文献１に記載のレーザレーダは、１本のレーザ光を物体に照射し、その反射光から物体の距離及び方向を検出するためのものである。そのため、特許文献１に記載のレーザレーダは、物体表面の極めて限られた部分と自身との間の距離を検出するのみであり、その検出結果は、物体を表すイラストの位置を大まかに決めるために利用されるのみである。したがって、特許文献１に記載の周囲監視装置が提示する出力画像は、ショベルの周囲の障害物の状況を運転者に分かり易く伝えるには未だ不十分である。

上述の点に鑑み、本発明は、周囲の物体の状況をより分かり易く操作者に伝えることができる作業機械用周辺監視装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の実施例に係る作業機械用周辺監視装置は、作業機械に取り付けられる距離画像センサが撮像した入力距離画像に基づいて出力距離画像を生成する作業機械用周辺監視装置であって、前記入力距離画像が位置する入力距離画像平面における座標と、前記出力距離画像が位置する出力距離画像平面における座標とを対応付ける。

上述の手段により、本発明は、周囲の物体の状況をより分かり易く操作者に伝えることができる作業機械用周辺監視装置を提供することができる。

本発明の実施例に係る画像生成装置の構成例を概略的に示すブロック図である。 画像生成装置が搭載されるショベルの構成例を示す図である。 入力画像が投影される空間モデルの一例を示す図である。 空間モデルと処理対象画像平面との間の関係の一例を示す図である。 入力画像平面上の座標と空間モデル上の座標との対応付けを説明するための図である。 座標対応付け手段による座標間の対応付けを説明するための図である。 平行線群の作用を説明するための図である。 補助線群の作用を説明するための図である。 処理対象画像生成処理及び出力画像生成処理の流れを示すフローチャートである。 出力画像の表示例（その１）である。 画像生成装置が搭載されるショベルの上面図（その１）である。 ショベルに搭載された３台のカメラのそれぞれの入力画像と、それら入力画像を用いて生成される出力画像とを示す図である。 ２つのカメラのそれぞれの撮像範囲の重複領域における物体の消失を防止する画像消失防止処理を説明するための図である。 図１２で示される出力画像と、図１２の出力画像に画像消失防止処理を適用することで得られる出力画像との違いを表す対比図である。 ショベルに搭載された３台の距離画像センサのそれぞれの入力距離画像と、それら入力距離画像を用いて生成される出力距離画像とを示す図である。 図１５で示される出力距離画像と、図１５の出力距離画像に距離画像消失防止処理を適用することで得られる出力距離画像との違いを表す対比図である。 出力画像に出力距離画像を合成して得られる合成後出力画像の一例を示す図である。 出力画像に出力距離画像を合成して得られる合成後出力画像の別の一例を示す図である。 画像生成装置が搭載されるショベルの上面図（その２）である。

以下、図面を参照しつつ、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。

図１は、本発明の実施例に係る画像生成装置１００の構成例を概略的に示すブロック図である。

画像生成装置１００は、作業機械の周辺を監視する作業機械用周辺監視装置の１例であり、制御部１、カメラ２、入力部３、記憶部４、表示部５、及び距離画像センサ６で構成される。具体的には、画像生成装置１００は、作業機械に搭載されたカメラ２が撮像した入力画像と距離画像センサ６が撮像した入力距離画像とに基づいて出力画像を生成しその出力画像を操作者に提示する。

図２は、画像生成装置１００が搭載される作業機械としてのショベル６０の構成例を示す図であり、ショベル６０は、クローラ式の下部走行体６１の上に、旋回機構６２を介して、上部旋回体６３を旋回軸ＰＶの周りで旋回自在に搭載している。

また、上部旋回体６３は、その前方左側部にキャブ（運転室）６４を備え、その前方中央部に掘削アタッチメントＥを備え、その右側面及び後面にカメラ２（右側方カメラ２Ｒ、後方カメラ２Ｂ）及び距離画像センサ６（右側方距離画像センサ６Ｒ、後方距離画像センサ６Ｂ）を備えている。なお、キャブ６４内の操作者が視認し易い位置には表示部５が設置されている。

次に、画像生成装置１００の各構成要素について説明する。

制御部１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＮＶＲＡＭ（Non-Volatile Random Access Memory）等を備えたコンピュータであって、例えば、後述する座標対応付け手段１０、画像生成手段１１、及び距離画像合成手段１２のそれぞれに対応するプログラムをＲＯＭやＮＶＲＡＭに記憶し、一時記憶領域としてＲＡＭを利用しながら各手段に対応する処理をＣＰＵに実行させる。

カメラ２は、ショベル６０の周囲を映し出す入力画像を取得するための装置であり、例えば、キャブ６４にいる操作者の死角となる領域を撮像できるよう上部旋回体６３の右側面及び後面に取り付けられる（図２参照。）、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)やＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等の撮像素子を備えた右側方カメラ２Ｒ及び後方カメラ２Ｂである。なお、カメラ２は、上部旋回体６３の右側面及び後面以外の位置（例えば、前面及び左側面である。）に取り付けられていてもよく、広い範囲を撮像できるよう広角レンズ又は魚眼レンズが装着されていてもよい。

また、カメラ２は、制御部１からの制御信号に応じて入力画像を取得し、取得した入力画像を制御部１に対して出力する。なお、カメラ２は、魚眼レンズ又は広角レンズを用いて入力画像を取得した場合には、それらレンズを用いることによって生じる見掛け上の歪曲やアオリを補正した補正済みの入力画像を制御部１に対して出力するが、その見掛け上の歪曲やアオリを補正していない入力画像をそのまま制御部１に対して出力してもよい。その場合には、制御部１がその見掛け上の歪曲やアオリを補正することとなる。

入力部３は、操作者が画像生成装置１００に対して各種情報を入力できるようにするための装置であり、例えば、タッチパネル、ボタンスイッチ、ポインティングデバイス、キーボード等である。

記憶部４は、各種情報を記憶するための装置であり、例えば、ハードディスク、光学ディスク、又は半導体メモリ等である。

表示部５は、画像情報を表示するための装置であり、例えば、ショベル６０のキャブ６４（図２参照。）内に設置された液晶ディスプレイ又はプロジェクタ等であって、制御部１が出力する各種画像を表示する。

距離画像センサ６は、ショベル６０の周囲に存在する物体の距離情報の二次元配列を取得するための装置であり、例えば、キャブ６４にいる操作者の死角となる領域を撮像できるよう上部旋回体６３の右側面及び後面に取り付けられる（図２参照。）。なお、距離画像センサ６は、上部旋回体６３の前面、左側面、右側面、及び後面のうちの何れか１つに取り付けられていてもよく、全ての面に取り付けられていてもよい。

距離画像センサ６は、カメラ２が画素毎に輝度、色相値、彩度値等を取得するのに対し、画素毎に距離情報を取得するセンサであり、例えば、投光用ＬＥＤ、受光用ＣＣＤで構成される。具体的には、距離画像センサ６は、ＴＯＦ（Time Of Flight）方式を採用し、投光用ＬＥＤから発せられた近赤外光が物体で反射してその反射光が受光用ＣＣＤで受光されるまでの時間を計測することで、画素毎に距離情報を取得する。そのため、以下では、距離画像センサ６による二次元配列の距離情報は、カメラ２の入力画像、出力画像と対比させ、入力距離画像、出力距離画像と称する。なお、距離画像センサ６は、パターン投影方式等の他の方式を採用してもよい。また、距離画像センサ６の入力距離画像、出力距離画像の解像度（画素数）は、カメラ２の入力画像、出力画像における解像度と同じであってもよく、異なるものであってもよい。また、カメラ２の入力画像、出力画像における１又は複数の画素と、距離画像センサ６の入力距離画像、出力距離画像における１又は複数の画素とは予め対応付けられていてもよい。

また、距離画像センサ６は、カメラ２と同様、上部旋回体６３の右側面及び後面以外の位置（例えば、前面及び左側面である。）に取り付けられてもよく、広い範囲を撮像できるよう広角レンズ又は魚眼レンズが装着されてもよい。

また、距離画像センサ６は、カメラ２と同様、制御部１からの制御信号に応じて入力距離画像を取得し、取得した入力距離画像を制御部１に対して出力する。なお、距離画像センサ６は、カメラ２と同様、魚眼レンズ又は広角レンズを用いて入力距離画像を取得した場合には、それらレンズを用いることによって生じる見掛け上の歪曲やアオリを補正した補正済みの入力距離画像を制御部１に対して出力するが、その見掛け上の歪曲やアオリを補正していない入力距離画像をそのまま制御部１に対して出力してもよい。その場合には、制御部１がその見掛け上の歪曲やアオリを補正することとなる。

また、画像生成装置１００は、入力画像に基づいて処理対象画像を生成し、その処理対象画像に画像変換処理を施すことによって周囲の物体との位置関係や距離感を直感的に把握できるようにする出力画像を生成した上で、その出力画像を操作者に提示するようにしてもよい。

画像生成装置１００は、入力距離画像についても同様の処理を行う。その場合、処理対象画像は、処理対象距離画像で読み替えられる。以下の記載においても同様である。

「処理対象画像」は、入力画像に基づいて生成される、画像変換処理（例えば、スケール変換、アフィン変換、歪曲変換、視点変換処理等である。）の対象となる画像であり、例えば、地表を上方から撮像するカメラによる入力画像であってその広い画角により水平方向の画像（例えば、空の部分である。）を含む入力画像を画像変換処理で用いる場合に、その水平方向の画像が不自然に表示されないよう（例えば、空の部分が地表にあるものとして扱われないよう）その入力画像を所定の空間モデルに投影した上で、その空間モデルに投影された投影画像を別の二次元平面に再投影することによって得られる、画像変換処理に適した画像である。なお、処理対象画像は、画像変換処理を施すことなくそのまま出力画像として用いられてもよい。

「空間モデル」は、少なくとも、処理対象画像が位置する平面である処理対象画像平面以外の平面又は曲面（例えば、処理対象画像平面に平行な平面、又は、処理対象画像平面との間で角度を形成する平面若しくは曲面である。）を含む、一又は複数の平面若しくは曲面で構成される、入力画像の投影対象である。

なお、画像生成装置１００は、処理対象画像を生成することなく、その空間モデルに投影された投影画像に画像変換処理を施すことによって出力画像を生成するようにしてもよい。また、投影画像は、画像変換処理を施すことなくそのまま出力画像として用いられてもよい。

図３は、入力画像が投影される空間モデルＭＤの一例を示す図であり、図３（Ａ）は、ショベル６０を側方から見たときのショベル６０と空間モデルＭＤとの間の関係を示し、図３（Ｂ）は、ショベル６０を上方から見たときのショベル６０と空間モデルＭＤとの間の関係を示す。

図３で示されるように、空間モデルＭＤは、半円筒形状を有し、その底面内部の平面領域Ｒ１とその側面内部の曲面領域Ｒ２とを有する。

また、図４は、空間モデルＭＤと処理対象画像平面との間の関係の一例を示す図であり、処理対象画像平面Ｒ３は、例えば、空間モデルＭＤの平面領域Ｒ１を含む平面である。なお、図４は、明確化のために、空間モデルＭＤを、図３で示すような半円筒形状ではなく、円筒形状で示しているが、空間モデルＭＤは、半円筒形状及び円筒形状の何れであってもよいものとする。以降の図においても同様である。また、処理対象画像平面Ｒ３は、上述のように、空間モデルＭＤの平面領域Ｒ１を含む円形領域であってもよく、空間モデルＭＤの平面領域Ｒ１を含まない環状領域であってもよい。

次に、制御部１が有する各種手段について説明する。

座標対応付け手段１０は、カメラ２が撮像した入力画像が位置する入力画像平面上の座標と、空間モデルＭＤ上の座標と、処理対象画像平面Ｒ３上の座標とを対応付けるための手段であり、例えば、予め設定された、或いは、入力部３を介して入力される、カメラ２の光学中心、焦点距離、ＣＣＤサイズ、光軸方向ベクトル、カメラ水平方向ベクトル、射影方式等のカメラ２に関する各種パラメータと、予め決定された、入力画像平面、空間モデルＭＤ、及び処理対象画像平面Ｒ３の相互の位置関係とに基づいて、入力画像平面上の座標と、空間モデルＭＤ上の座標と、処理対象画像平面Ｒ３上の座標とを対応付け、それらの対応関係を記憶部４の入力画像・空間モデル対応マップ４０及び空間モデル・処理対象画像対応マップ４１に記憶する。

なお、座標対応付け手段１０は、処理対象画像を生成しない場合には、空間モデルＭＤ上の座標と処理対象画像平面Ｒ３上の座標との対応付け、及び、その対応関係の空間モデル・処理対象画像対応マップ４１への記憶を省略する。

また、座標対応付け手段１０は、距離画像センサが撮像した入力距離画像に対しても同様の処理を行う。その場合、カメラ、入力画像平面、処理対象画像平面は、距離画像センサ、入力距離画像平面、処理対象距離画像平面で読み替えられる。以下の記載においても同様である。

画像生成手段１１は、出力画像を生成するための手段であり、例えば、処理対象画像にスケール変換、アフィン変換、又は歪曲変換を施すことによって、処理対象画像平面Ｒ３上の座標と出力画像が位置する出力画像平面上の座標とを対応付け、その対応関係を記憶部４の処理対象画像・出力画像対応マップ４２に記憶し、座標対応付け手段１０がその値を記憶した入力画像・空間モデル対応マップ４０及び空間モデル・処理対象画像対応マップ４１を参照しながら、出力画像における各画素の値（例えば、輝度値、色相値、彩度値等である。）と入力画像における各画素の値とを関連付けて出力画像を生成する。

また、画像生成手段１１は、予め設定された、或いは、入力部３を介して入力される、仮想カメラの光学中心、焦点距離、ＣＣＤサイズ、光軸方向ベクトル、カメラ水平方向ベクトル、射影方式等の各種パラメータに基づいて、処理対象画像平面Ｒ３上の座標と出力画像が位置する出力画像平面上の座標とを対応付け、その対応関係を記憶部４の処理対象画像・出力画像対応マップ４２に記憶し、座標対応付け手段１０がその値を記憶した入力画像・空間モデル対応マップ４０及び空間モデル・処理対象画像対応マップ４１を参照しながら、出力画像における各画素の値（例えば、輝度値、色相値、彩度値等である。）と入力画像における各画素の値とを関連付けて出力画像を生成する。

なお、画像生成手段１１は、仮想カメラの概念を用いることなく、処理対象画像のスケールを変更して出力画像を生成するようにしてもよい。

また、画像生成手段１１は、処理対象画像を生成しない場合には、施した画像変換処理に応じて空間モデルＭＤ上の座標と出力画像平面上の座標とを対応付け、入力画像・空間モデル対応マップ４０を参照しながら、出力画像における各画素の値（例えば、輝度値、色相値、彩度値等である。）と入力画像における各画素の値とを関連付けて出力画像を生成する。この場合、画像生成手段１１は、処理対象画像平面Ｒ３上の座標と出力画像平面上の座標との対応付け、及び、その対応関係の処理対象画像・出力画像対応マップ４２への記憶を省略する。

また、画像生成手段１１は、入力距離画像又は処理対象距離画像に対しても同様の処理を行う。その場合、出力画像平面は、出力距離画像平面で読み替えられる。以下の記載においても同様である。

距離画像合成手段１２は、カメラに関する画像と、距離画像センサに関する画像とを合成するための手段である。例えば、距離画像合成手段１２は、画像生成手段１１が生成した、カメラ２の入力画像に基づく出力画像と、距離画像センサ６の入力距離画像に基づく出力距離画像とを合成する。なお、距離画像合成手段１２についてはその詳細を後述する。

次に、座標対応付け手段１０及び画像生成手段１１による具体的な処理の一例について説明する。

座標対応付け手段１０は、例えば、ハミルトンの四元数を用いて、入力画像平面上の座標と空間モデル上の座標とを対応付けることができる。

図５は、入力画像平面上の座標と空間モデル上の座標との対応付けを説明するための図であり、カメラ２の入力画像平面は、カメラ２の光学中心Ｃを原点とするＵＶＷ直交座標系における一平面として表され、空間モデルは、ＸＹＺ直交座標系における立体面として表されるものとする。

最初に、座標対応付け手段１０は、空間モデル上の座標（ＸＹＺ座標系上の座標）を入力画像平面上の座標（ＵＶＷ座標系上の座標）に変換するため、ＸＹＺ座標系の原点を光学中心Ｃ（ＵＶＷ座標系の原点）に並行移動させた上で、Ｘ軸をＵ軸に、Ｙ軸をＶ軸に、Ｚ軸を−Ｗ軸（符号「−」は方向が逆であることを意味する。これは、ＵＶＷ座標系がカメラ前方を＋Ｗ方向とし、ＸＹＺ座標系が鉛直下方を−Ｚ方向としていることに起因する。）にそれぞれ一致させるようＸＹＺ座標系を回転させる。

なお、カメラ２が複数存在する場合、カメラ２のそれぞれが個別のＵＶＷ座標系を有することとなるので、座標対応付け手段１０は、複数のＵＶＷ座標系のそれぞれに対して、ＸＹＺ座標系を並行移動させ且つ回転させることとなる。

上述の変換は、カメラ２の光学中心ＣがＸＹＺ座標系の原点となるようにＸＹＺ座標系を並行移動させた後に、Ｚ軸が−Ｗ軸に一致するよう回転させ、更に、Ｘ軸がＵ軸に一致するよう回転させることによって実現されるので、座標対応付け手段１０は、この変換をハミルトンの四元数で記述することにより、それら二回の回転を一回の回転演算に纏めることができる。

ところで、あるベクトルＡを別のベクトルＢに一致させるための回転は、ベクトルＡとベクトルＢとが張る面の法線を軸としてベクトルＡとベクトルＢとが形成する角度だけ回転させる処理に相当し、その角度をθとすると、ベクトルＡとベクトルＢとの内積から、角度θは、

で表されることとなる。

また、ベクトルＡとベクトルＢとが張る面の法線の単位ベクトルＮは、ベクトルＡとベクトルＢとの外積から

で表されることとなる。

なお、四元数は、ｉ、ｊ、ｋをそれぞれ虚数単位とした場合、

を満たす超複素数であり、本実施例において、四元数Ｑは、実成分をｔ、純虚成分をａ、ｂ、ｃとして、

で表されるものとし、四元数Ｑの共役四元数は、

で表されるものとする。

四元数Ｑは、実成分ｔを０（ゼロ）としながら、純虚成分ａ、ｂ、ｃで三次元ベクトル（ａ，ｂ，ｃ）を表現することができ、また、ｔ、ａ、ｂ、ｃの各成分により任意のベクトルを軸とした回転動作を表現することもできる。

更に、四元数Ｑは、連続する複数回の回転動作を統合して一回の回転動作として表現することができ、例えば、任意の点Ｓ（ｓｘ，ｓｙ，ｓｚ）を、任意の単位ベクトルＣ（ｌ，ｍ，ｎ）を軸としながら角度θだけ回転させたときの点Ｄ（ｅｘ，ｅｙ，ｅｚ）を以下のように表現することができる。

ここで、本実施例において、Ｚ軸を−Ｗ軸に一致させる回転を表す四元数をＱｚとすると、ＸＹＺ座標系におけるＸ軸上の点Ｘは、点Ｘ'に移動させられるので、点Ｘ'は、

で表されることとなる。

また、本実施例において、Ｘ軸上にある点Ｘ'と原点とを結ぶ線をＵ軸に一致させる回転を表す四元数をＱｘとすると、「Ｚ軸を−Ｗ軸に一致させ、更に、Ｘ軸をＵ軸に一致させる回転」を表す四元数Ｒは、

で表されることとなる。

以上により、空間モデル（ＸＹＺ座標系）上の任意の座標Ｐを入力画像平面（ＵＶＷ座標系）上の座標で表現したときの座標Ｐ'は、

で表されることとなり、四元数Ｒがカメラ２のそれぞれで不変であることから、座標対応付け手段１０は、以後、この演算を実行するだけで空間モデル（ＸＹＺ座標系）上の座標を入力画像平面（ＵＶＷ座標系）上の座標に変換することができる。

空間モデル（ＸＹＺ座標系）上の座標を入力画像平面（ＵＶＷ座標系）上の座標に変換した後、座標対応付け手段１０は、カメラ２の光学中心Ｃ（ＵＶＷ座標系上の座標）と空間モデル上の任意の座標ＰをＵＶＷ座標系で表した座標Ｐ'とを結ぶ線分ＣＰ'と、カメラ２の光軸Ｇとが形成する入射角αを算出する。

また、座標対応付け手段１０は、カメラ２の入力画像平面Ｒ４（例えば、ＣＣＤ面）に平行で且つ座標Ｐ'を含む平面Ｈにおける、平面Ｈと光軸Ｇとの交点Ｅと座標Ｐ'とを結ぶ線分ＥＰ'と、平面ＨにおけるＵ'軸とが形成する偏角φ、及び線分ＥＰ'の長さを算出する。

カメラの光学系は、通常、像高さｈが入射角α及び焦点距離ｆの関数となっているので、座標対応付け手段１０は、通常射影（ｈ＝ｆｔａｎα）、正射影（ｈ＝ｆｓｉｎα）、立体射影（ｈ＝２ｆｔａｎ（α／２））、等立体角射影（ｈ＝２ｆｓｉｎ（α／２））、等距離射影（ｈ＝ｆα）等の適切な射影方式を選択して像高さｈを算出する。

その後、座標対応付け手段１０は、算出した像高さｈを偏角φによりＵＶ座標系上のＵ成分及びＶ成分に分解し、入力画像平面Ｒ４の一画素当たりの画素サイズに相当する数値で除算することにより、空間モデルＭＤ上の座標Ｐ（Ｐ'）と入力画像平面Ｒ４上の座標とを対応付けることができる。

なお、入力画像平面Ｒ４のＵ軸方向における一画素当たりの画素サイズをａＵとし、入力画像平面Ｒ４のＶ軸方向における一画素当たりの画素サイズをａＶとすると、空間モデルＭＤ上の座標Ｐ（Ｐ'）に対応する入力画像平面Ｒ４上の座標（ｕ，ｖ）は、

で表されることとなる。

このようにして、座標対応付け手段１０は、空間モデルＭＤ上の座標と、カメラ毎に存在する一又は複数の入力画像平面Ｒ４上の座標とを対応付け、空間モデルＭＤ上の座標、カメラ識別子、及び入力画像平面Ｒ４上の座標を関連付けて入力画像・空間モデル対応マップ４０に記憶する。

また、座標対応付け手段１０は、四元数を用いて座標の変換を演算するので、オイラー角を用いて座標の変換を演算する場合と異なり、ジンバルロックを発生させることがないという利点を有する。しかしながら、座標対応付け手段１０は、四元数を用いて座標の変換を演算するものに限定されることはなく、オイラー角を用いて座標の変換を演算するようにしてもよい。

なお、複数の入力画像平面Ｒ４上の座標への対応付けが可能な場合、座標対応付け手段１０は、空間モデルＭＤ上の座標Ｐ（Ｐ'）を、その入射角αが最も小さいカメラに関する入力画像平面Ｒ４上の座標に対応付けるようにしてもよく、操作者が選択した入力画像平面Ｒ４上の座標に対応付けるようにしてもよい。

次に、空間モデルＭＤ上の座標のうち、曲面領域Ｒ２上の座標（Ｚ軸方向の成分を持つ座標）を、ＸＹ平面上にある処理対象画像平面Ｒ３に再投影する処理について説明する。

図６は、座標対応付け手段１０による座標間の対応付けを説明するための図であり、図６（Ａ）は、一例として通常射影（ｈ＝ｆｔａｎα）を採用するカメラ２の入力画像平面Ｒ４上の座標と空間モデルＭＤ上の座標との間の対応関係を示す図であって、座標対応付け手段１０は、カメラ２の入力画像平面Ｒ４上の座標とその座標に対応する空間モデルＭＤ上の座標とを結ぶ線分のそれぞれがカメラ２の光学中心Ｃを通過するようにして、両座標を対応付ける。

図６（Ａ）の例では、座標対応付け手段１０は、カメラ２の入力画像平面Ｒ４上の座標Ｋ１を空間モデルＭＤの平面領域Ｒ１上の座標Ｌ１に対応付け、カメラ２の入力画像平面Ｒ４上の座標Ｋ２を空間モデルＭＤの曲面領域Ｒ２上の座標Ｌ２に対応付ける。このとき、線分Ｋ１−Ｌ１及び線分Ｋ２−Ｌ２は共にカメラ２の光学中心Ｃを通過する。

なお、カメラ２が通常射影以外の射影方式（例えば、正射影、立体射影、等立体角射影、等距離射影等である。）を採用する場合、座標対応付け手段１０は、それぞれの射影方式に応じて、カメラ２の入力画像平面Ｒ４上の座標Ｋ１、Ｋ２を空間モデルＭＤ上の座標Ｌ１、Ｌ２に対応付けるようにする。

具体的には、座標対応付け手段１０は、所定の関数（例えば、正射影（ｈ＝ｆｓｉｎα）、立体射影（ｈ＝２ｆｔａｎ（α／２））、等立体角射影（ｈ＝２ｆｓｉｎ（α／２））、等距離射影（ｈ＝ｆα）等である。）に基づいて、入力画像平面上の座標と空間モデルＭＤ上の座標とを対応付ける。この場合、線分Ｋ１−Ｌ１及び線分Ｋ２−Ｌ２がカメラ２の光学中心Ｃを通過することはない。

図６（Ｂ）は、空間モデルＭＤの曲面領域Ｒ２上の座標と処理対象画像平面Ｒ３上の座標との間の対応関係を示す図であり、座標対応付け手段１０は、ＸＺ平面上に位置する平行線群ＰＬであって、処理対象画像平面Ｒ３との間で角度βを形成する平行線群ＰＬを導入し、空間モデルＭＤの曲面領域Ｒ２上の座標とその座標に対応する処理対象画像平面Ｒ３上の座標とが共に平行線群ＰＬのうちの一つに乗るようにして、両座標を対応付ける。

図６（Ｂ）の例では、座標対応付け手段１０は、空間モデルＭＤの曲面領域Ｒ２上の座標Ｌ２と処理対象画像平面Ｒ３上の座標Ｍ２とが共通の平行線に乗るとして、両座標を対応付けるようにする。

なお、座標対応付け手段１０は、空間モデルＭＤの平面領域Ｒ１上の座標を曲面領域Ｒ２上の座標と同様に平行線群ＰＬを用いて処理対象画像平面Ｒ３上の座標に対応付けることが可能であるが、図６（Ｂ）の例では、平面領域Ｒ１と処理対象画像平面Ｒ３とが共通の平面となっているので、空間モデルＭＤの平面領域Ｒ１上の座標Ｌ１と処理対象画像平面Ｒ３上の座標Ｍ１とは同じ座標値を有するものとなっている。

このようにして、座標対応付け手段１０は、空間モデルＭＤ上の座標と、処理対象画像平面Ｒ３上の座標とを対応付け、空間モデルＭＤ上の座標及び処理対象画像Ｒ３上の座標を関連付けて空間モデル・処理対象画像対応マップ４１に記憶する。

図６（Ｃ）は、処理対象画像平面Ｒ３上の座標と一例として通常射影（ｈ＝ｆｔａｎα）を採用する仮想カメラ２Ｖの出力画像平面Ｒ５上の座標との間の対応関係を示す図であり、画像生成手段１１は、仮想カメラ２Ｖの出力画像平面Ｒ５上の座標とその座標に対応する処理対象画像平面Ｒ３上の座標とを結ぶ線分のそれぞれが仮想カメラ２Ｖの光学中心ＣＶを通過するようにして、両座標を対応付ける。

図６（Ｃ）の例では、画像生成手段１１は、仮想カメラ２Ｖの出力画像平面Ｒ５上の座標Ｎ１を処理対象画像平面Ｒ３（空間モデルＭＤの平面領域Ｒ１）上の座標Ｍ１に対応付け、仮想カメラ２Ｖの出力画像平面Ｒ５上の座標Ｎ２を処理対象画像平面Ｒ３上の座標Ｍ２に対応付ける。このとき、線分Ｍ１−Ｎ１及び線分Ｍ２−Ｎ２は共に仮想カメラ２Ｖの光学中心ＣＶを通過する。

なお、仮想カメラ２Ｖが通常射影以外の射影方式（例えば、正射影、立体射影、等立体角射影、等距離射影等である。）を採用する場合、画像生成手段１１は、それぞれの射影方式に応じて、仮想カメラ２Ｖの出力画像平面Ｒ５上の座標Ｎ１、Ｎ２を処理対象画像平面Ｒ３上の座標Ｍ１、Ｍ２に対応付けるようにする。

具体的には、画像生成手段１１は、所定の関数（例えば、正射影（ｈ＝ｆｓｉｎα）、立体射影（ｈ＝２ｆｔａｎ（α／２））、等立体角射影（ｈ＝２ｆｓｉｎ（α／２））、等距離射影（ｈ＝ｆα）等である。）に基づいて、出力画像平面Ｒ５上の座標と処理対象画像平面Ｒ３上の座標とを対応付ける。この場合、線分Ｍ１−Ｎ１及び線分Ｍ２−Ｎ２が仮想カメラ２Ｖの光学中心ＣＶを通過することはない。

このようにして、画像生成手段１１は、出力画像平面Ｒ５上の座標と、処理対象画像平面Ｒ３上の座標とを対応付け、出力画像平面Ｒ５上の座標及び処理対象画像Ｒ３上の座標を関連付けて処理対象画像・出力画像対応マップ４２に記憶し、座標対応付け手段１０が記憶した入力画像・空間モデル対応マップ４０及び空間モデル・処理対象画像対応マップ４１を参照しながら、出力画像における各画素の値と入力画像における各画素の値とを関連付けて出力画像を生成する。

なお、図６（Ｄ）は、図６（Ａ）〜図６（Ｃ）を組み合わせた図であり、カメラ２、仮想カメラ２Ｖ、空間モデルＭＤの平面領域Ｒ１及び曲面領域Ｒ２、並びに、処理対象画像平面Ｒ３の相互の位置関係を示す。

次に、図７を参照しながら、空間モデルＭＤ上の座標と処理対象画像平面Ｒ３上の座標とを対応付けるために座標対応付け手段１０が導入する平行線群ＰＬの作用について説明する。

図７（Ａ）は、ＸＺ平面上に位置する平行線群ＰＬと処理対象画像平面Ｒ３との間で角度βが形成される場合の図であり、図７（Ｂ）は、ＸＺ平面上に位置する平行線群ＰＬと処理対象画像平面Ｒ３との間で角度β１（β１＞β）が形成される場合の図である。また、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）における空間モデルＭＤの曲面領域Ｒ２上の座標Ｌａ〜Ｌｄのそれぞれは、処理対象画像平面Ｒ３上の座標Ｍａ〜Ｍｄのそれぞれに対応するものとし、図７（Ａ）における座標Ｌａ〜Ｌｄのそれぞれの間隔は、図７（Ｂ）における座標Ｌａ〜Ｌｄのそれぞれの間隔と等しいものとする。なお、平行線群ＰＬは、説明目的のためにＸＺ平面上に存在するものとしているが、実際には、Ｚ軸上の全ての点から処理対象画像平面Ｒ３に向かって放射状に延びるように存在するものとする。なお、この場合のＺ軸を「再投影軸」と称することとする。

図７（Ａ）及び図７（Ｂ）で示されるように、処理対象画像平面Ｒ３上の座標Ｍａ〜Ｍｄのそれぞれの間隔は、平行線群ＰＬと処理対象画像平面Ｒ３との間の角度が増大するにつれて線形的に減少する（空間モデルＭＤの曲面領域Ｒ２と座標Ｍａ〜Ｍｄのそれぞれとの間の距離とは関係なく一様に減少する。）。一方で、空間モデルＭＤの平面領域Ｒ１上の座標群は、図７の例では、処理対象画像平面Ｒ３上の座標群への変換が行われないので、座標群の間隔が変化することはない。

これら座標群の間隔の変化は、出力画像平面Ｒ５（図６参照。）上の画像部分のうち、空間モデルＭＤの曲面領域Ｒ２に投影された画像に対応する画像部分のみが線形的に拡大或いは縮小されることを意味する。

次に、図８を参照しながら、空間モデルＭＤ上の座標と処理対象画像平面Ｒ３上の座標とを対応付けるために座標対応付け手段１０が導入する平行線群ＰＬの代替例について説明する。

図８（Ａ）は、ＸＺ平面上に位置する補助線群ＡＬの全てがＺ軸上の始点Ｔ１から処理対象画像平面Ｒ３に向かって延びる場合の図であり、図８（Ｂ）は、補助線群ＡＬの全てがＺ軸上の始点Ｔ２（Ｔ２＞Ｔ１）から処理対象画像平面Ｒ３に向かって延びる場合の図である。また、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）における空間モデルＭＤの曲面領域Ｒ２上の座標Ｌａ〜Ｌｄのそれぞれは、処理対象画像平面Ｒ３上の座標Ｍａ〜Ｍｄのそれぞれに対応するものとし（図８（Ａ）の例では、座標Ｍｃ、Ｍｄは、処理対象画像平面Ｒ３の領域外となるため図示されていない。）、図８（Ａ）における座標Ｌａ〜Ｌｄのそれぞれの間隔は、図８（Ｂ）における座標Ｌａ〜Ｌｄのそれぞれの間隔と等しいものとする。なお、補助線群ＡＬは、説明目的のためにＸＺ平面上に存在するものとしているが、実際には、Ｚ軸上の任意の一点から処理対象画像平面Ｒ３に向かって放射状に延びるように存在するものとする。なお、図７と同様、この場合のＺ軸を「再投影軸」と称することとする。

図８（Ａ）及び図８（Ｂ）で示されるように、処理対象画像平面Ｒ３上の座標Ｍａ〜Ｍｄのそれぞれの間隔は、補助線群ＡＬの始点と原点Ｏとの間の距離（高さ）が増大するにつれて非線形的に減少する（空間モデルＭＤの曲面領域Ｒ２と座標Ｍａ〜Ｍｄのそれぞれとの間の距離が大きいほど、それぞれの間隔の減少幅が大きくなる。）。一方で、空間モデルＭＤの平面領域Ｒ１上の座標群は、図８の例では、処理対象画像平面Ｒ３上の座標群への変換が行われないので、座標群の間隔が変化することはない。

これら座標群の間隔の変化は、平行線群ＰＬのときと同様、出力画像平面Ｒ５（図６参照。）上の画像部分のうち、空間モデルＭＤの曲面領域Ｒ２に投影された画像に対応する画像部分のみが非線形的に拡大或いは縮小されることを意味する。

このようにして、画像生成装置１００は、空間モデルＭＤの平面領域Ｒ１に投影された画像に対応する出力画像の画像部分（例えば、路面画像である。）に影響を与えることなく、空間モデルＭＤの曲面領域Ｒ２に投影された画像に対応する出力画像の画像部分（例えば、水平画像である。）を線形的に或いは非線形的に拡大或いは縮小させることができるので、ショベル６０の近傍の路面画像（ショベル６０を真上から見たときの仮想画像）に影響を与えることなく、ショベル６０の周囲に位置する物体（ショベル６０から水平方向に周囲を見たときの画像における物体）を迅速且つ柔軟に拡大或いは縮小させることができ、ショベル６０の死角領域の視認性を向上させることができる。

次に、図９を参照しながら、画像生成装置１００が処理対象画像を生成する処理（以下、「処理対象画像生成処理」とする。）、及び、生成した処理対象画像を用いて出力画像を生成する処理（以下、「出力画像生成処理」とする。）について説明する。なお、図９は、処理対象画像生成処理（ステップＳ１〜ステップＳ３）及び出力画像生成処理（ステップＳ４〜ステップＳ６）の流れを示すフローチャートである。また、カメラ２（入力画像平面Ｒ４）、空間モデル（平面領域Ｒ１及び曲面領域Ｒ２）、並びに、処理対象画像平面Ｒ３の配置は予め決定されているものとする。

最初に、制御部１は、座標対応付け手段１０により、処理対象画像平面Ｒ３上の座標と空間モデルＭＤ上の座標とを対応付ける（ステップＳ１）。

具体的には、座標対応付け手段１０は、平行線群ＰＬと処理対象画像平面Ｒ３との間に形成される角度を取得し、処理対象画像平面Ｒ３上の一座標から延びる平行線群ＰＬの一つが空間モデルＭＤの曲面領域Ｒ２と交差する点を算出し、算出した点に対応する曲面領域Ｒ２上の座標を、処理対象画像平面Ｒ３上のその一座標に対応する曲面領域Ｒ２上の一座標として導き出し、その対応関係を空間モデル・処理対象画像対応マップ４１に記憶する。なお、平行線群ＰＬと処理対象画像平面Ｒ３との間に形成される角度は、記憶部４等に予め記憶された値であってもよく、入力部３を介して操作者が動的に入力する値であってもよい。

また、座標対応付け手段１０は、処理対象画像平面Ｒ３上の一座標が空間モデルＭＤの平面領域Ｒ１上の一座標と一致する場合には、平面領域Ｒ１上のその一座標を、処理対象画像平面Ｒ３上のその一座標に対応する一座標として導き出し、その対応関係を空間モデル・処理対象画像対応マップ４１に記憶する。

その後、制御部１は、座標対応付け手段１０により、上述の処理によって導き出された空間モデルＭＤ上の一座標と入力画像平面Ｒ４上の座標とを対応付ける（ステップＳ２）。

具体的には、座標対応付け手段１０は、通常射影（ｈ＝ｆｔａｎα）を採用するカメラ２の光学中心Ｃの座標を取得し、空間モデルＭＤ上の一座標から延びる線分であり、光学中心Ｃを通過する線分が入力画像平面Ｒ４と交差する点を算出し、算出した点に対応する入力画像平面Ｒ４上の座標を、空間モデルＭＤ上のその一座標に対応する入力画像平面Ｒ４上の一座標として導き出し、その対応関係を入力画像・空間モデル対応マップ４０に記憶する。

その後、制御部１は、処理対象画像平面Ｒ３上の全ての座標を空間モデルＭＤ上の座標及び入力画像平面Ｒ４上の座標に対応付けたか否かを判定し（ステップＳ３）、未だ全ての座標を対応付けていないと判定した場合には（ステップＳ３のＮＯ）、ステップＳ１及びステップＳ２の処理を繰り返すようにする。

一方、制御部１は、全ての座標を対応付けたと判定した場合には（ステップＳ３のＹＥＳ）、処理対象画像生成処理を終了させた上で出力画像生成処理を開始させ、画像生成手段１１により、処理対象画像平面Ｒ３上の座標と出力画像平面Ｒ５上の座標とを対応付ける（ステップＳ４）。

具体的には、画像生成手段１１は、処理対象画像にスケール変換、アフィン変換、又は歪曲変換を施すことによって出力画像を生成し、施したスケール変換、アフィン変換、又は歪曲変換の内容によって定まる、処理対象画像平面Ｒ３上の座標と出力画像平面Ｒ５上の座標との間の対応関係を処理対象画像・出力画像対応マップ４２に記憶する。

或いは、画像生成手段１１は、仮想カメラ２Ｖを用いて出力画像を生成する場合には、採用した射影方式に応じて処理対象画像平面Ｒ３上の座標から出力画像平面Ｒ５上の座標を算出し、その対応関係を処理対象画像・出力画像対応マップ４２に記憶するようにしてもよい。

或いは、画像生成手段１１は、通常射影（ｈ＝ｆｔａｎα）を採用する仮想カメラ２Ｖを用いて出力画像を生成する場合には、その仮想カメラ２Ｖの光学中心ＣＶの座標を取得した上で、出力画像平面Ｒ５上の一座標から延びる線分であり、光学中心ＣＶを通過する線分が処理対象画像平面Ｒ３と交差する点を算出し、算出した点に対応する処理対象画像平面Ｒ３上の座標を、出力画像平面Ｒ５上のその一座標に対応する処理対象画像平面Ｒ３上の一座標として導き出し、その対応関係を処理対象画像・出力画像対応マップ４２に記憶するようにしてもよい。

その後、制御部１は、画像生成手段１１により、入力画像・空間モデル対応マップ４０、空間モデル・処理対象画像対応マップ４１、及び処理対象画像・出力画像対応マップ４２を参照しながら入力画像平面Ｒ４上の座標と空間モデルＭＤ上の座標との対応関係、空間モデルＭＤ上の座標と処理対象画像平面Ｒ３上の座標との対応関係、及び処理対象画像平面Ｒ３上の座標と出力画像平面Ｒ５上の座標との対応関係を辿り、出力画像平面Ｒ５上の各座標に対応する入力画像平面Ｒ４上の座標が有する値（例えば、輝度値、色相値、彩度値等である。）を取得し、その取得した値を、対応する出力画像平面Ｒ５上の各座標の値として採用する（ステップＳ５）。なお、出力画像平面Ｒ５上の一座標に対して複数の入力画像平面Ｒ４上の複数の座標が対応する場合、画像生成手段１１は、それら複数の入力画像平面Ｒ４上の複数の座標のそれぞれの値に基づく統計値（例えば、平均値、最大値、最小値、中間値等である。）を導き出し、出力画像平面Ｒ５上のその一座標の値としてその統計値を採用するようにしてもよい。

その後、制御部１は、出力画像平面Ｒ５上の全ての座標の値を入力画像平面Ｒ４上の座標の値に対応付けたか否かを判定し（ステップＳ６）、未だ全ての座標の値を対応付けていないと判定した場合には（ステップＳ６のＮＯ）、ステップＳ４及びステップＳ５の処理を繰り返すようにする。

一方、制御部１は、全ての座標の値を対応付けたと判定した場合には（ステップＳ６のＹＥＳ）、出力画像を生成して、この一連の処理を終了させる。

なお、画像生成装置１００は、処理対象画像を生成しない場合には、処理対象画像生成処理を省略し、出力画像生成処理におけるステップＳ４の"処理対象画像平面上の座標"を"空間モデル上の座標"で読み替えるものとする。

以上の構成により、画像生成装置１００は、ショベル６０の周囲の物体とショベル６０との位置関係を操作者に直感的に把握させることが可能な処理対象画像及び出力画像を生成することができる。

また、画像生成装置１００は、処理対象画像平面Ｒ３から空間モデルＭＤを経て入力画像平面Ｒ４に遡るように座標の対応付けを実行することにより、処理対象画像平面Ｒ３上の各座標を入力画像平面Ｒ４上の一又は複数の座標に確実に対応させることができ、入力画像平面Ｒ４から空間モデルＭＤを経て処理対象画像平面Ｒ３に至る順番で座標の対応付けを実行する場合と比べ（この場合には、入力画像平面Ｒ４上の各座標を処理対象画像平面Ｒ３上の一又は複数の座標に確実に対応させることができるが、処理対象画像平面Ｒ３上の座標の一部が、入力画像平面Ｒ４上の何れの座標にも対応付けられない場合があり、その場合にはそれら処理対象画像平面Ｒ３上の座標の一部に補間処理等を施す必要がある。）、より良質な処理対象画像を迅速に生成することができる。

また、画像生成装置１００は、空間モデルＭＤの曲面領域Ｒ２に対応する画像のみを拡大或いは縮小する場合には、平行線群ＰＬと処理対象画像平面Ｒ３との間に形成される角度を変更して空間モデル・処理対象画像対応マップ４１における曲面領域Ｒ２に関連する部分のみを書き換えるだけで、入力画像・空間モデル対応マップ４０の内容を書き換えることなく、所望の拡大或いは縮小を実現させることができる。

また、画像生成装置１００は、出力画像の見え方を変更する場合には、スケール変換、アフィン変換又は歪曲変換に関する各種パラメータの値を変更して処理対象画像・出力画像対応マップ４２を書き換えるだけで、入力画像・空間モデル対応マップ４０及び空間モデル・処理対象画像対応マップ４１の内容を書き換えることなく、所望の出力画像（スケール変換画像、アフィン変換画像又は歪曲変換画像）を生成することができる。

同様に、画像生成装置１００は、出力画像の視点を変更する場合には、仮想カメラ２Ｖの各種パラメータの値を変更して処理対象画像・出力画像対応マップ４２を書き換えるだけで、入力画像・空間モデル対応マップ４０及び空間モデル・処理対象画像対応マップ４１の内容を書き換えることなく、所望の視点から見た出力画像（視点変換画像）を生成することができる。

図１０は、ショベル６０に搭載された二台のカメラ２（右側方カメラ２Ｒ及び後方カメラ２Ｂ）の入力画像を用いて生成される出力画像を表示部５に表示させたときの表示例である。

画像生成装置１００は、それら二台のカメラ２のそれぞれの入力画像を空間モデルＭＤの平面領域Ｒ１及び曲面領域Ｒ２上に投影した上で処理対象画像平面Ｒ３に再投影して処理対象画像を生成し、その生成した処理対象画像に画像変換処理（例えば、スケール変換、アフィン変換、歪曲変換、視点変換処理等である。）を施すことによって出力画像を生成して、ショベル６０の近傍を上空から見下ろした画像（平面領域Ｒ１における画像）と、ショベル６０から水平方向に周囲を見た画像（処理対象画像平面Ｒ３における画像）とを同時に表示している。

なお、出力画像は、画像生成装置１００が処理対象画像を生成しない場合には、空間モデルＭＤに投影された画像に画像変換処理（例えば、視点変換処理である。）を施すことによって生成されるものとする。

また、出力画像は、ショベル６０が旋回動作を行う際の画像を違和感なく表示できるよう、円形にトリミングされ、その円の中心ＣＴＲが空間モデルＭＤの円筒中心軸上で、且つ、ショベル６０の旋回軸ＰＶ上となるように生成されており、ショベル６０の旋回動作に応じてその中心ＣＴＲを軸に回転するように表示される。この場合、空間モデルＭＤの円筒中心軸は、再投影軸と一致するものであってもよく、一致しないものであってもよい。

なお、空間モデルＭＤの半径は、例えば、５メートルであり、平行線群ＰＬが処理対象画像平面Ｒ３との間で形成する角度、又は、補助線群ＡＬの始点高さは、ショベル６０の旋回中心から掘削アタッチメントＥの最大到達距離（例えば１２メートルである。）だけ離れた位置に物体（例えば、作業員である。）が存在する場合にその物体が表示部５で十分大きく（例えば、７ミリメートル以上である。）表示されるように、設定され得る。

更に、出力画像は、ショベル６０のＣＧ画像を、ショベル６０の前方が表示部５の画面上方と一致し、且つ、その旋回中心が中心ＣＴＲと一致するように配置するようにしてもよい。ショベル６０と出力画像に現れる物体との間の位置関係をより分かり易くするためである。なお、出力画像は、方位等の各種情報を含む額縁画像をその周囲に配置するようにしてもよい。

次に、図１１〜図１８を参照しながら、画像生成装置１００が生成する出力画像の詳細について説明する。

図１１は、画像生成装置１００を搭載するショベル６０の上面図である。図１１に示す実施例では、ショベル６０は、３台のカメラ２（左側方カメラ２Ｌ、右側方カメラ２Ｒ、及び後方カメラ２Ｂ）と３台の距離画像センサ６（左側方距離画像センサ６Ｌ、右側方距離画像センサ６Ｒ、及び後方距離画像センサ６Ｂ）とを備える。なお、図１１の一点鎖線で示す領域ＣＬ、ＣＲ、ＣＢは、それぞれ、左側方カメラ２Ｌ、右側方カメラ２Ｒ、後方カメラ２Ｂの撮像範囲を示す。また、図１１の点線で示す領域ＺＬ、ＺＲ、ＺＢは、それぞれ、左側方距離画像センサ６Ｌ、右側方距離画像センサ６Ｒ、後方距離画像センサ６Ｂの撮像範囲を示す。

なお、本実施例では、距離画像センサ６の撮像範囲がカメラ２の撮像範囲よりも狭いが、距離画像センサ６の撮像範囲は、カメラ２の撮像範囲と同じでもよく、カメラ２の撮像範囲より広くてもよい。また、距離画像センサ６の撮像範囲は、カメラ２の撮像範囲内において、ショベル６０の近傍に位置するが、ショベル６０からより遠い領域にあってもよい。

図１２は、ショベル６０に搭載された３台のカメラ２のそれぞれの入力画像と、それら入力画像を用いて生成される出力画像とを示す図である。

画像生成装置１００は、３台のカメラ２のそれぞれの入力画像を空間モデルＭＤの平面領域Ｒ１及び曲面領域Ｒ２上に投影した上で処理対象画像平面Ｒ３に再投影して処理対象画像を生成する。また、画像生成装置１００は、生成した処理対象画像に画像変換処理（例えば、スケール変換、アフィン変換、歪曲変換、視点変換処理等である。）を施すことによって出力画像を生成する。その結果、画像生成装置１００は、ショベル６０の近傍を上空から見下ろした画像（平面領域Ｒ１における画像）と、ショベル６０から水平方向に周囲を見た画像（処理対象画像平面Ｒ３における画像）とを同時に表示する。なお、出力画像の中央に表示される画像は、ショベル６０のＣＧ画像６０ＣＧである。

図１２において、右側方カメラ２Ｒの入力画像、及び、後方カメラ２Ｂの入力画像はそれぞれ、右側方カメラ２Ｒの撮像範囲と後方カメラ２Ｂの撮像範囲との重複領域内に人物を捉えている（右側方カメラ２Ｒの入力画像における二点鎖線で囲まれる領域Ｒ１０、及び、後方カメラ２Ｂの入力画像における二点鎖線で囲まれる領域Ｒ１１参照。）。

しかしながら、出力画像平面上の座標が入射角の最も小さいカメラに関する入力画像平面上の座標に対応付けられるものとすると、出力画像は、重複領域内の人物を消失させてしまう（出力画像内の一点鎖線で囲まれる領域Ｒ１２参照。）。

そこで、画像生成装置１００は、重複領域に対応する出力画像部分において、後方カメラ２Ｂの入力画像平面上の座標が対応付けられる領域と、右側方カメラ２Ｒの入力画像平面上の座標が対応付けられる領域とを混在させ、重複領域内の物体が消失するのを防止する。

図１３は、２つのカメラのそれぞれの撮像範囲の重複領域における物体の消失を防止する画像消失防止処理を説明するための図である。

図１３（Ａ）は、右側方カメラ２Ｒの撮像範囲と後方カメラ２Ｂの撮像範囲との重複領域に対応する出力画像部分を示す図であり、図１２の点線で示す矩形領域Ｒ１３に対応する。

また、図１３（Ａ）において、灰色で塗り潰された領域ＰＲ１は、後方カメラ２Ｂの入力画像部分が配置される画像領域であり、領域ＰＲ１に対応する出力画像平面上の各座標には後方カメラ２Ｂの入力画像平面上の座標が対応付けられる。

一方、白色で塗り潰された領域ＰＲ２は、右側方カメラ２Ｒの入力画像部分が配置される画像領域であり、部分ＰＲ２に対応する出力画像平面上の各座標には右側方カメラ２Ｒの入力画像平面上の座標が対応付けられる。

本実施例では、領域ＰＲ１と領域ＰＲ２とが縞模様を形成するように配置され、領域ＰＲ１と領域ＰＲ２とが縞状に交互に並ぶ部分の境界線は、ショベル６０の旋回中心を中心とする水平面上の同心円によって定められる。

図１３（Ｂ）は、ショベル６０の右斜め後方の空間領域の状況を示す上面図であり、後方カメラ２Ｂ及び右側方カメラ２Ｒの双方によって撮像される空間領域の現在の状況を示す。また、図１３（Ｂ）は、ショベル６０の右斜め後方に棒状の立体物ＯＢが存在することを示す。

図１３（Ｃ）は、図１３（Ｂ）が示す空間領域を後方カメラ２Ｂ及び右側方カメラ２Ｒで実際に撮像して得られた入力画像に基づいて生成される出力画像の一部を示す。

具体的には、画像ＯＢ１は、後方カメラ２Ｂの入力画像における立体物ＯＢの画像が、路面画像を生成するための視点変換によって、後方カメラ２Ｂと立体物ＯＢとを結ぶ線の延長方向に伸長されたものを表す。すなわち、画像ＯＢ１は、後方カメラ２Ｂの入力画像を用いて出力画像部分における路面画像を生成した場合に表示される立体物ＯＢの画像の一部である。

また、画像ＯＢ２は、右後方カメラ２Ｒの入力画像における立体物ＯＢの画像が、路面画像を生成するための視点変換によって、右側方カメラ２Ｒと立体物ＯＢとを結ぶ線の延長方向に伸長されたものを表す。すなわち、画像ＯＢ２は、右側方カメラ２Ｒの入力画像を用いて出力画像部分における路面画像を生成した場合に表示される立体物ＯＢの画像の一部である。

このように、画像生成装置１００は、重複領域において、後方カメラ２Ｂの入力画像平面上の座標が対応付けられる領域ＰＲ１と、右側方カメラ２Ｒの入力画像平面上の座標が対応付けられる領域ＰＲ２とを混在させる。その結果、画像生成装置１００は、１つの立体物ＯＢに関する２つの画像ＯＢ１及び画像ＯＢ２の双方を出力画像上に表示させ、立体物ＯＢが出力画像から消失するのを防止する。

図１４は、図１２の出力画像と、図１２の出力画像に画像消失防止処理を適用することで得られる出力画像との違いを表す対比図であり、図１４（Ａ）が図１２の出力画像を示し、図１４（Ｂ）が画像消失防止処理を適用した後の出力画像を示す。図１４（Ａ）における一点鎖線で囲まれる領域Ｒ１２では人物が消失しているのに対し、図１４（Ｂ）における一点鎖線で囲まれる領域Ｒ１４では人物が消失せずに表示されている。

次に、図１５を参照しながら、画像生成装置１００が生成する出力距離画像について説明する。なお、図１５は、ショベル６０に搭載された３台の距離画像センサ６のそれぞれの入力距離画像と、それら入力距離画像を用いて生成される出力距離画像とを示す図である。

画像生成装置１００は、それら３台の距離画像センサ６のそれぞれの入力距離画像を空間モデルＭＤの平面領域Ｒ１及び曲面領域Ｒ２上に投影した上で処理対象距離画像平面Ｒ３に再投影して処理対象距離画像を生成する。また、画像生成装置１００は、生成した処理対象距離画像に画像変換処理（例えば、スケール変換、アフィン変換、歪曲変換、視点変換処理等である。）を施すことによって出力距離画像を生成する。そして、画像生成装置１００は、ショベル６０の近傍を上空から見下ろした距離画像（平面領域Ｒ１における距離画像）と、ショベル６０から水平方向に周囲を見た距離画像（処理対象距離画像平面Ｒ３における画像）とを同時に表示する。なお、出力距離画像の中央に表示される画像は、ショベル６０のＣＧ画像６０ＣＧである。

なお、図１５の入力距離画像及び出力距離画像は、画素値（距離画像センサ６からの距離）が小さいほど白く（薄く）、画素値が大きいほど黒く（濃く）なるように表示される。なお、路面及び上部旋回体６３のそれぞれに相当する部分の画素値（距離）は、ショベル６０の周囲に存在する物体の出力距離画像における視認性を高めるため、最大値（無限遠）に設定される。すなわち、路面及び上部旋回体６３のそれぞれに相当する部分は黒色で表される。

図１５において、右側方距離画像センサ６Ｒの入力画像、及び、後方距離画像センサ６Ｂの入力距離画像はそれぞれ、右側方距離画像センサ６Ｒの撮像範囲と後方距離画像センサ６Ｂの撮像範囲との重複領域内に人物を捉えている（右側方距離画像センサ６Ｒの入力距離画像における二点鎖線で囲まれる領域Ｒ１５、及び、後方距離画像センサ６Ｂの入力距離画像における二点鎖線で囲まれる領域Ｒ１６参照。）。

しかしながら、出力距離画像平面上の座標が、最も近い位置にある距離画像センサに関する入力距離画像平面上の座標に対応付けられるものとすると、出力距離画像は、重複領域内の人物を消失させてしまう（出力距離画像内の一点鎖線で囲まれる領域Ｒ１７参照。）。

そこで、画像生成装置１００は、重複領域に対応する出力距離画像部分では、後方距離画像センサ６Ｂの入力距離画像平面上の座標、及び、右側方距離画像センサ６Ｒの入力距離画像平面上の座標のうち、画素値（距離）が小さい方の座標を、出力距離画像平面上の座標に対応付けるようにする。その結果、画像生成装置１００は、１つの立体物に関する２つの距離画像を出力距離画像上に表示させ、立体物が出力距離画像から消失するのを防止する。なお、以下では、２つの距離画像センサのそれぞれの撮像範囲の重複領域における物体の消失を防止するこの処理を距離画像消失防止処理と称する。

図１６は、図１５の出力距離画像と、図１５の出力距離画像に距離画像消失防止処理を適用することで得られる出力距離画像との違いを表す対比図であり、図１６（Ａ）が図１５の出力画像を示し、図１６（Ｂ）が距離画像消失防止処理を適用した後の出力距離画像を示す。図１６（Ａ）における一点鎖線で囲まれる領域Ｒ１７では人物が消失しているのに対し、図１６（Ｂ）における一点鎖線で囲まれる領域Ｒ１７では人物が消失せずに表示されている。

次に、図１７及び図１８を参照しながら、画像生成装置１００が出力画像に出力距離画像を合成する処理（以下、「距離画像合成処理」とする。）について説明する。

図１７は、出力画像に出力距離画像を合成して得られる合成後出力画像の一例を示す図である。

画像生成装置１００の距離画像合成手段１２は、例えば、図１６（Ｂ）に示す出力距離画像のうち所定値以下の画素値（距離）を有する画素を抽出する。そして、距離画像合成手段１２は、その抽出画素の画素値（距離情報）を輝度値、色相値、彩度値等に変換した上で、図１４（Ｂ）に示す出力画像にその抽出画素を重畳表示させる。重畳表示される抽出画素は、例えば、距離画像センサ６からの距離に応じた色を有し、その距離が大きくなるにつれて、赤色、黄色、緑色、青色というように段階的に或いは無段階にその色を変化させる。なお、重畳表示される抽出画素は、距離画像センサ６からの距離に応じた輝度を有し、距離が大きくなるにつれて、その輝度を段階的に或いは無段階に減少させるようにしてもよい。図１７の領域ＥＸ１〜ＥＸ５は、それら抽出画素によって形成される領域であり、以下では、物体領域と称する。

また、距離画像合成手段１２は、所定数以上の隣接する抽出画素によって形成される物体領域ＥＸ１〜ＥＸ５の距離情報を出力画像上に重畳表示させてもよい。具体的には、距離画像合成手段１２は、例えば、物体領域ＥＸ１を構成する画素の画素値（距離）の最小値、最大値、平均値、中間値等を、物体領域ＥＸ１までの距離を表す代表値として出力画像上に重畳表示させる。なお、距離画像合成手段１２は、その代表値が所定値未満の場合に限りその代表値を出力画像上に重畳表示するようにしてもよい。ショベル６０に比較的近い物体、すなわち接触の可能性が比較的高い物体をより認識し易くするためである。

図１８は、出力画像に出力距離画像を合成して得られる合成後出力画像の別の一例を示す図である。

図１８では、距離画像合成手段１２は、抽出画素の色や輝度を変更して重畳表示する代わりに、図１７の物体領域ＥＸ１〜ＥＸ５のそれぞれに対応する枠ＲＦ１〜ＲＦ５を重畳表示する。なお、枠の線種は、点線、実線、破線、一点鎖線等を含め任意であり、枠の形状も、矩形、円形、楕円形、多角形を含め任意である。

また、距離画像合成手段１２は、枠ＲＦ１〜ＲＦ５のそれぞれに対応する距離情報を出力画像上に重畳表示させてもよい。具体的には、距離画像合成手段１２は、例えば、枠ＲＦ１に対応する物体領域ＥＸ１を構成する画素の画素値（距離）の最小値、最大値、平均値、中間値等を、枠ＲＦ１に対応する距離の代表値として出力画像上に重畳表示させる。なお、距離画像合成手段１２は、その代表値が所定値未満の場合に限りその代表値を出力画像上に重畳表示するようにしてもよい。ショベル６０に比較的近い物体、すなわち接触の可能性が比較的高い物体をより認識し易くするためである。

また、距離画像合成手段１２は、対応する距離情報に応じて枠の色を変化させてもよい。具体的には、距離画像合成手段１２は、その距離が大きくなるにつれて、赤色、黄色、緑色、青色というように段階的に或いは無段階に枠の色を変化させる。なお、距離画像合成手段１２は、距離が大きくなるにつれて、枠の輝度を段階的に或いは無段階に減少させるようにしてもよい。

上述のような合成後出力画像を見ることによって、ショベル６０の操作者は、ショベル６０の周囲に存在する物体の位置、及びその物体までの距離をより容易に認識することができる。また、ショベル６０の操作者は、操作者から見て死角となる領域に存在する物体の位置、及びその物体までの距離をより容易に認識することができる。

以上の構成により、画像生成装置１００は、距離画像センサ６が撮像する入力距離画像に基づいて生成される出力距離画像を、カメラ２が撮像する入力画像に基づいて生成される出力画像上に合成する。そのため、画像生成装置１００は、ショベル６０の周囲の比較的広い範囲に存在する各物体までの距離を比較的高い分解能で測定することができる。その結果、画像生成装置１００は、信頼性の高い合成後出力画像を生成することができる。

また、カメラ２及び距離画像センサ６は、それぞれの撮像範囲がショベル６０の周囲を取り囲むように配置される。そのため、画像生成装置１００は、ショベル６０の周囲を上空から見たときの様子を表す合成後出力画像を生成することができる。その結果、ショベル６０の操作者は、ショベル６０の周囲に存在する物体の位置、及びその物体までの距離をより容易に認識することができる。

また、画像生成装置１００は、処理対象画像に対して施される画像変換処理と同じ画像変換処理を処理対象距離画像に対して施すようにする。そのため、画像生成装置１００は、出力画像平面における座標と出力距離画像平面における座標を容易に対応付けることができる。

また、画像生成装置１００は、距離画像センサ６からの距離に応じて、すなわち、ショベル６０からの距離に応じて、抽出画素又は枠の色を段階的に或いは無段階に変化させる。そのため、ショベル６０の操作者は、感覚的に接触の危険の有無を判断することができる。

次に、図１９を参照しながら、距離画像センサ６の別の配置例について説明する。なお、図１９は、ショベル６０の上面図であり、図１１に対応する。

図１９に示す実施例では、ショベル６０は、３台のカメラ２（左側方カメラ２Ｌ、右側方カメラ２Ｒ、及び後方カメラ２Ｂ）と６台の距離画像センサ６（第１左側方距離画像センサ６Ｌ１、第２左側方距離画像センサ６Ｌ２、第１右側方距離画像センサ６Ｒ１、第２右側方距離画像センサ６Ｒ２、第１後方距離画像センサ６Ｂ１、及び第２後方距離画像センサ６Ｂ２）とを備える。なお、図１９の一点鎖線で示す領域ＣＬ、ＣＲ、ＣＢは、それぞれ、左側方カメラ２Ｌ、右側方カメラ２Ｒ、後方カメラ２Ｂの撮像範囲を示す。また、図１９の点線で示す領域ＺＬ１、ＺＬ２、ＺＲ１、ＺＲ２、ＺＢ１、ＺＢ２は、それぞれ、第１左側方距離画像センサ６Ｌ１、第２左側方距離画像センサ６Ｌ２、第１右側方距離画像センサ６Ｒ１、第２右側方距離画像センサ６Ｒ２、第１後方距離画像センサ６Ｂ１、第２後方距離画像センサ６Ｂ２の撮像範囲を示す。

図１９に示すように、距離画像センサ６Ｌ１、６Ｌ２、６Ｒ１、６Ｒ２、６Ｂ１、６Ｂ２の画角は、図１１の距離画像センサよりも狭い。そのため、１台の距離画像センサの撮像範囲によっては、対応するカメラの撮像範囲を有効にカバーすることができない。

そこで、図１９の構成は、カメラの両側に１つずつ距離画像センサを取り付けることによって、２つの距離画像センサの撮像範囲によって、対応する１つのカメラの撮像範囲を有効にカバーできるようにする。なお、距離画像センサは、対応する１つのカメラの周囲に３つ以上取り付けられていてもよい。

距離画像センサ６のこの配置により、画像生成装置１００は、距離画像センサ６の画角がカメラ２の画角より狭い場合であっても、図１１に示す構成を用いた場合、すなわち距離画像センサの画角がカメラの画角とほぼ等しい場合と同様の合成後出力画像を生成することができる。なお、距離画像センサ６のこの配置が、搭載性や見映えに悪影響を与えることもない。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなしに上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述の実施例において、画像生成装置１００は、空間モデルとして円筒状の空間モデルＭＤを採用するが、多角柱等の他の柱状の形状を有する空間モデルを採用してもよく、底面及び側面の二面から構成される空間モデルを採用してもよく、或いは、側面のみを有する空間モデルを採用してもよい。

また、画像生成装置１００は、バケット、アーム、ブーム、旋回機構等の可動部材を備えながら自走するショベルに、カメラ及び距離画像センサと共に搭載され、周囲画像をその操作者に提示しながらそのショベルの移動及びそれら可動部材の操作を支援する操作支援システムを構成する。しかしながら、画像生成装置１００は、フォークリフト、アスファルトフィニッシャ等のように旋回機構を有しない作業機械、又は、産業用機械若しくは固定式クレーン等のように可動部材を有するが自走はしない作業機械に、カメラ及び距離画像センサと共に搭載され、それら作業機械の操作を支援する操作支援システムを構成してもよい。

また、上述の実施例において、距離画像合成手段１２は、出力距離画像を生成した上で、生成した出力距離画像を出力画像に合成する。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。距離画像合成手段１２は、例えば、入力画像と入力距離画像とを合成して合成後入力画像を生成し、距離画像に関する情報が重畳表示された合成後処理対象画像を生成した上で、合成後出力画像を生成してもよい。また、距離画像合成手段１２は、例えば、処理対象画像と処理対象距離画像とを合成して合成後処理対象画像を生成した上で、合成後出力画像を生成してもよい。

１・・・制御部 ２・・・カメラ ２Ｌ・・・左側方カメラ ２Ｒ・・右側方カメラ ２Ｂ・・後方カメラ ３・・・入力部 ４・・・記憶部 ５・・・表示部 ６・・・距離画像センサ ６Ｌ・・・左側方距離画像センサ ６Ｒ・・・右側方距離画像センサ ６Ｂ・・・後方距離画像センサ １０・・・座標対応付け手段 １１・・・画像生成手段 １２・・・距離画像合成手段 ４０・・・入力画像・空間モデル対応マップ ４１・・・空間モデル・処理対象画像対応マップ ４２・・・処理対象画像・出力画像対応マップ ６０・・・ショベル ６１・・・下部走行体 ６２・・・旋回機構 ６３・・・上部旋回体 ６４・・・キャブ １００・・・画像生成装置

Claims (4)

1. 作業機械に取り付けられる複数の距離画像センサのそれぞれが撮像した入力距離画像が位置する入力距離画像平面における座標と、出力距離画像平面における座標とを対応付けて出力距離画像を生成し、且つ、前記作業機械に取り付けられる複数のカメラのそれぞれが撮像した入力画像が位置する入力画像平面における座標と、出力画像平面における座標とを対応付けて出力画像を生成し、且つ、前記出力距離画像と前記出力画像とを合成して得られる表示画像を表示装置に表示する作業機械用周辺監視装置であって、
   前記複数の距離画像センサのうちの２つの距離画像センサのそれぞれの撮像範囲が重複する領域に対応する前記２つの距離画像センサのそれぞれの入力距離画像の領域における互いに対応する画素の、距離を表す画素の値のうちの小さい方の値を選択し、前記出力距離画像における対応する画素に関連付け、該小さい方の値が関連付けられた画素を含む前記出力距離画像と前記出力画像とを合成して前記表示画像を得る、
   作業機械用周辺監視装置。
2. 作業機械に取り付けられる距離画像センサが撮像した入力距離画像が位置する入力距離画像平面における座標と、出力距離画像平面における座標とを対応付けて出力距離画像を生成し、且つ、前記作業機械に取り付けられるカメラが撮像した入力画像が位置する入力画像平面における座標と、出力画像平面における座標とを対応付けて出力画像を生成し、且つ、前記出力距離画像と前記出力画像とを合成して得られる表示画像を表示装置に表示する作業機械用周辺監視装置であって、
   前記出力距離画像は、前記出力画像における前記作業機械の周りの障害物の画像の領域に重畳表示されるように合成され、
   前記障害物の画像の領域に重畳表示された前記出力距離画像の表示態様は、前記作業機械からの距離に応じて変化する、
   作業機械用周辺監視装置。
3. 作業機械に取り付けられる距離画像センサが撮像した入力距離画像が位置する入力距離画像平面における座標と、出力距離画像平面における座標とを対応付けて出力距離画像を生成し、且つ、前記作業機械に取り付けられるカメラが撮像した入力画像が位置する入力画像平面における座標と、出力画像平面における座標とを対応付けて出力画像を生成し、且つ、前記出力距離画像と前記出力画像とを合成して得られる表示画像を表示装置に表示する作業機械用周辺監視装置であって、
   前記出力距離画像は、前記作業機械の周りの障害物の画像として前記出力画像に合成され、
   前記障害物の画像の表示態様は、前記作業機械からの距離に応じて変化し、
   前記距離画像センサは、前記作業機械に複数取り付けられ、
   前記作業機械用周辺監視装置は、複数の入力距離画像に基づいて１つの前記出力距離画像を生成し、
   複数の距離画像センサのうちの２つの距離画像センサのそれぞれの撮像範囲が重複する領域に対応する前記２つの距離画像センサのそれぞれの入力距離画像の領域における互いに対応する画素の、距離を表す画素の値のうちの小さい方の値を選択し、前記出力距離画像における対応する画素に関連付け、該小さい方の値が関連付けられた画素を含む前記出力距離画像と前記出力画像とを合成して前記表示画像を得る、
   作業機械用周辺監視装置。
4. 前記出力距離画像は、視点変換処理が施された距離画像である、
   請求項１乃至３の何れか一項に記載の作業機械用周辺監視装置。