JP6693757B2 - Distance image generating apparatus and method - Google Patents
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Description
本発明は、光飛行時間(Time Of Flight:TOF)方式による距離画像生成装置に関する。 The present invention relates to a distance image generation device based on a time of flight (TOF) method.
ロボットビジョン等の分野において、空間の3次元情報をリアルタイムで取得する距離画像センサの重要性が高まっている。そのようなセンサの一つにTOF方式による距離画像センサ(以下、単に「TOFセンサ」という)がある。このセンサは、対象空間に変調光を照射し、面状の撮像素子で受光した反射光の位相遅延を画素ごとに検出することによって距離画像を生成する。例えば、特許文献1および2にTOFセンサが開示されている。
In the field of robot vision and the like, a distance image sensor that acquires three-dimensional spatial information in real time is becoming more important. One of such sensors is a TOF range image sensor (hereinafter, simply referred to as "TOF sensor"). This sensor generates a distance image by irradiating the target space with modulated light and detecting the phase delay of the reflected light received by the planar image sensor for each pixel. For example,
位相遅延の検出方法は多く提案されている。公知の一例を図5に基づいて説明する。 照射光の変調周期Tに対して、図5Aに示すようにT/2期間ごとに受光した反射光の光量をA0、A2、図5Bに示すように始点をT/4周期遅らせたT/2期間ごとに受光した反射光の光量をA1、A3とすると、反射光の位相のずれφdは、
φd=arctan{(A1−A3)/(A0−A2)}
で求められる。光を反射した反射面への往復に要した時間tは、t=Tφd/2π、反射面までの距離zは、z=ct/2で求められる。ここで、cは光速である。
Many methods of detecting the phase delay have been proposed. A known example will be described with reference to FIG. With respect to the modulation cycle T of the irradiation light, the light quantity of the reflected light received every T / 2 period as shown in FIG. 5A is A0 and A2, and the start point is delayed by T / 4 cycle as shown in FIG. 5B. Assuming that the amounts of reflected light received for each period are A1 and A3, the phase shift φ d of the reflected light is
φ d = arctan {(A1-A3) / (A0-A2)}
Required by. The time t required for the round trip to the reflecting surface that reflects the light is t = Tφ d / 2π, and the distance z to the reflecting surface is z = ct / 2. Here, c is the speed of light.
多くのTOFセンサでは、光量に応じてフォトダイオード(PD)で発生した電荷をPDの脇に形成した複数の蓄積部に電子的に振り分け、複数回の受光で発生した電荷をまとめて、蓄積部ごとに信号として読み取る。これにより、センサ以外の構成要素を減らすことができるので装置を小型化できる。また、複数の信号の差と比を取るだけで位相遅延が計算できるので演算負荷が軽く、高速な測定が可能となる。 In many TOF sensors, electric charges generated in a photodiode (PD) are electronically distributed to a plurality of accumulating portions formed on the sides of the PD according to the amount of light, and the electric charges generated by a plurality of light receptions are collected and accumulated. Each is read as a signal. As a result, the components other than the sensor can be reduced, and the device can be downsized. Further, since the phase delay can be calculated only by calculating the difference and ratio of a plurality of signals, the calculation load is light and high-speed measurement is possible.
現状のTOFセンサの課題は、距離情報の精度向上である。TOFセンサは電子的な処理によって距離情報を得るため、種々電子的な誤差の影響を受ける。ランダムな誤差は、同条件での受光回数を増やして平均化することで、影響を小さくできる。しかし、システマチックな誤差は平均化によって取り除くことができない。 The problem of the current TOF sensor is to improve the accuracy of distance information. Since the TOF sensor obtains distance information by electronic processing, it is affected by various electronic errors. Random errors can be less affected by increasing the number of times of light reception under the same conditions and averaging. However, systematic errors cannot be removed by averaging.
本発明は、上記を考慮してなされたものであり、TOF方式によって、より高精度な距離画像を生成可能な装置および方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide an apparatus and method capable of generating a highly accurate range image by the TOF method.
上記目的のために、本発明では、TOFセンサによる原距離画像を三角測量の原理に基づく距離情報で補正する。 For the above purpose, the present invention corrects the original range image by the TOF sensor with the range information based on the principle of triangulation.
本発明の距離画像生成装置は、対象空間に変調光を照射する第1光源と、前記対象空間を横切るビーム状またはシート状のレーザー光を照射する第2光源と、撮像部と、補正部とを有する。そして、前記撮像部は、複数の感光部がマトリクス状に配置された撮像素子を備え、前記第1光源から出射した変調光と該変調光の前記対象空間からの反射光との位相差から原距離画像を生成するとともに、前記第2光源から出射したレーザー光の前記対象空間からの反射光を含む明度画像を生成する。そして、前記補正部は、前記明度画像において前記レーザー光の反射光を記録した画素の位置に基づいて前記原距離画像の距離情報を補正して、補正された距離画像を生成する。 A range image generating device of the present invention includes a first light source that irradiates a target space with modulated light, a second light source that irradiates a beam-shaped or sheet-shaped laser beam that traverses the target space, an imaging unit, and a correction unit. Have. The image pickup unit includes an image pickup device in which a plurality of photosensitive units are arranged in a matrix, and an original image is obtained from a phase difference between the modulated light emitted from the first light source and the reflected light of the modulated light from the target space. A distance image is generated and a brightness image including the reflected light of the laser light emitted from the second light source from the target space is generated. Then, the correction unit corrects the distance information of the original distance image based on the position of the pixel in which the reflected light of the laser light is recorded in the brightness image, and generates the corrected distance image.
本発明の距離画像生成方法は、対象空間に変調光を照射し、該変調光の反射光を複数の感光部がマトリクス状に配置された撮像素子で受光して、当該反射光の位相遅延を画素ごとに検出して原距離画像を生成するステップと、前記対象空間を横切るようにビーム状またはシート状のレーザー光を照射し、前記撮像素子によって、該レーザー光の反射光を含む明度画像を生成するステップと、前記明度画像において前記レーザー光の反射光を記録した画素の位置に基づいて前記原距離画像の距離情報を補正して、補正された距離画像を生成するステップとを有する。 A range image generating method of the present invention irradiates a target space with modulated light, receives reflected light of the modulated light by an image pickup device in which a plurality of photosensitive portions are arranged in a matrix, and delays the phase of the reflected light. Generating an original distance image by detecting for each pixel, irradiating a beam-shaped or sheet-shaped laser light so as to traverse the target space, and by the image pickup device, a brightness image including reflected light of the laser light. And a step of generating the corrected distance image by correcting the distance information of the original distance image based on the position of the pixel where the reflected light of the laser light is recorded in the brightness image.
好ましくは、上記距離画像生成方法において、前記ビーム状またはシート状のレーザー光が、前記撮像素子に対する位置および角度が固定された第2光源から照射される。 Preferably, in the distance image generating method, the beam-shaped or sheet-shaped laser light is emitted from a second light source whose position and angle with respect to the image sensor are fixed.
本発明の距離画像生成装置または距離画像生成方法によれば、レーザー光の反射光を記録した画素の位置からレーザー光を反射した物体までの距離を求めて、TOF方式による原距離画像を補正できる。レーザー光の反射光による距離測定は三角測量の原理を利用しており、TOF方式の電子的な誤差の影響を受けないので、より高精度な距離画像を得ることができる。 According to the distance image generating device or the distance image generating method of the present invention, the original distance image by the TOF method can be corrected by obtaining the distance from the position of the pixel recording the reflected light of the laser light to the object reflecting the laser light. .. Distance measurement using reflected light of laser light uses the principle of triangulation and is not affected by electronic error of the TOF method, so that a more accurate distance image can be obtained.
本発明の距離画像生成装置の一実施形態を図1〜図3に基づいて説明する。 An embodiment of the distance image generation apparatus of the present invention will be described based on FIGS.
図1において、本実施形態の距離画像生成装置10は、第1光源11、第2光源12、撮像部13、制御部16および補正部18を有する。
In FIG. 1, the range image generation device 10 of the present embodiment includes a first light source 11, a
第1光源11は、測定しようとする対象空間全体に、変調光を照射する。変調される光の波長は、後述する撮像素子14が感知できる波長であれば特に限定されないが、照射光が目立たないように近赤外線が好適に用いられる。変調光は、高周波でパルス状や正弦波状に強度変調されている。変調周波数が高いほど距離解像度が上がるので好ましい。変調周波数は、製造技術等の制限から、典型的には数MHz〜10MHz程度に抑えられている。変調される光は、このような高周波数での変調が可能なLED光やレーザー光を用いる。
The first light source 11 irradiates the entire target space to be measured with modulated light. The wavelength of the modulated light is not particularly limited as long as it is a wavelength that can be sensed by the
撮像部13は、撮像素子14と画像生成部15を有する。対象空間からの光は、レンズ等によって、撮像素子に集光される。好ましくは、撮像素子の前面に、第1光源から照射される変調光を通すバンドパスフィルターを配置する。これにより環境光の影響を抑えることができる。
The
撮像素子14は、感光部であるフォトダイオード(PD)がマトリクス状に配置され、各PDが距離画像の各画素に対応している。PDで発生した電荷は、PDの脇に形成された複数の蓄積部に振り分けられ、蓄積部には複数回の受光で発生した電荷が蓄積される。蓄積された電荷は、各PDの各蓄積部ごとに、信号として画像生成部に転送される。
In the
画像生成部15は、PDから転送された信号を演算処理して、第1光源から出射した変調光と、撮像素子が受光したその反射光との位相差から、画素ごとに距離情報を持った原距離画像を生成する。また、画像生成部は、画素ごとの受光強度からなる明度画像を生成する。
The
第2光源12は、ビーム状またはシート状のレーザー光を、対象空間を横切るように、すなわち撮像部13の視野を横切るように照射する。シート状のレーザー光を照射するには、ビーム状のレーザーをスキャンするのではなく、ラインレーザーを用いるのが好ましい。ラインレーザーは、シリンドリカルレンズを通過させるなどして、レーザービームをシート状に広げる。これによりスキャンのための時間が不要になる。レーザー光の波長は、撮像素子14が感知できる波長であれば特に限定されない。撮像素子の前面にバンドパスフィルターを配置した場合は、そのフィルターを通過する波長とする。レーザー光の波長は、例えば、第1光源11から照射される変調光と同じ波長とすることができる。
The
ここで、第2光源12の撮像素子14に対する位置および角度は、対象空間の距離や広がりに応じて調整可能であってもよいが、少なくとも同一対象空間に対する一連の測定の間に変化しないように固定されている。
Here, the position and angle of the second
制御部16は、距離画像生成装置10全体を制御する。例えば、測定の開始と終了、第1光源と第2光源のオンオフ、第1光源の変調、第1光源と撮像部の同期、撮像素子の電荷振り分けと蓄積部からの信号読み出しなどを制御する。
The
補正部18は、撮像部13から原距離画像と明度画像を受け取る。第2光源からレーザー光を照射中に生成された明度画像には、そのレーザー光の対象空間からの反射光が写っている。図2を参照して、第2光源12からビーム状のレーザー光31を照射する場合は、対象空間21内の物体(対象物)22表面からの反射光33が撮像素子14に受光され、明度画像上に点として写る。図3を参照して、第2光源12からシート状のレーザー光41を照射する場合は、その反射光が明度画像上に線状に写る。補正部は反射光が記録された画素の位置から、レーザー光を反射した物体表面までの距離を求める。補正部は、このようにして求めた距離に基づいて原距離画像を補正する。補正された距離画像は、適当なフォーマットで、イーサネット(登録商標)規格等に従って外部に出力される。
The
なお、以上の各部は必ずしも物理的に分離していなくてもよい。例えば、補正部が画像生成部と一体に構成されて、撮像部に組み込まれていてもよい。 It should be noted that the above-mentioned parts do not necessarily have to be physically separated. For example, the correction unit may be configured integrally with the image generation unit and incorporated in the imaging unit.
次に、本発明の距離画像生成方法の一実施形態を図4に基づいて説明する。 Next, an embodiment of the distance image generation method of the present invention will be described with reference to FIG.
図4において、本実施形態の距離画像生成方法は、上記距離画像生成装置を用いて実施され、原距離画像生成ステップS1と、明度画像生成ステップS2と、原距離画像補正ステップS3からなる。原距離画像生成ステップS1と明度画像生成ステップS2は、どちらを先に実施してもよい。 In FIG. 4, the distance image generating method of the present embodiment is performed using the distance image generating apparatus described above, and includes an original distance image generating step S1, a brightness image generating step S2, and an original distance image correcting step S3. Either the original distance image generating step S1 or the brightness image generating step S2 may be performed first.
原距離画像生成ステップS1は公知のTOFセンサと同じ方法を用いることができる。例えば次のとおりである。まず、第1光源から対象空間全体に変調光を照射する。変調光を照射しながら、制御部の制御に従って、撮像部が変調光の変調周期と同期を取って撮像素子の電子シャッターを開閉し、画素ごとに異なるタイミングで蓄積された電荷量を信号に変換して、画像生成部に転送する。画像生成部は、撮像素子からの複数の信号を演算処理して、原距離画像を生成する。なお、原距離画像生成ステップにおいて、好ましくは、第2光源は消灯する。原距離画像生成時のバックグラウンドノイズを減らすためである。 The original distance image generation step S1 can use the same method as a known TOF sensor. For example: First, modulated light is emitted from the first light source to the entire target space. While irradiating the modulated light, the imaging unit opens and closes the electronic shutter of the image sensor in synchronization with the modulation cycle of the modulated light according to the control of the control unit, and converts the charge amount accumulated at each pixel into a signal at a different timing. Then, it is transferred to the image generation unit. The image generation unit arithmetically processes a plurality of signals from the image sensor to generate an original distance image. In the original distance image generation step, the second light source is preferably turned off. This is to reduce background noise when generating the original range image.
明度画像生成ステップS2では、まず第2光源から、対象空間を横切るようにレーザー光を照射する。次いで、レーザー光を照射しながら、適当な時間間隔で対象空間からの光を撮像素子に受光して、明度画像を生成する。画像生成部は、原距離画像生成ステップS1でいずれかのタイミングで蓄積された電荷量に基づく信号を利用して明度画像を生成してもよい。第2光源から照射されるレーザー光は変調されておらず、第1光源の変調周期とは無関係だからである。なお、明度画像生成ステップにおいて、好ましくは、第1光源は消灯する。明度画像生成時のバックグラウンドノイズを減らすためである。 In the brightness image generation step S2, first, a laser light is emitted from the second light source so as to cross the target space. Next, while irradiating the laser light, the light from the target space is received by the image sensor at appropriate time intervals, and a brightness image is generated. The image generation unit may generate the brightness image by using the signal based on the charge amount accumulated at any timing in the original distance image generation step S1. This is because the laser light emitted from the second light source is not modulated and has nothing to do with the modulation cycle of the first light source. In the brightness image generation step, the first light source is preferably turned off. This is to reduce background noise when generating a brightness image.
第2光源から照射するレーザー光は、ビーム状でもシート状でもよい。ビーム状のレーザー光を照射すれば、エネルギー消費を少なくできる。その一方で、ビームが物体表面の角や段差部分に当たって、反射光が明度画像上で明瞭に判別できないことがあり得る。シート状のレーザー光を照射すれば、その反射光が明度画像上に線状に写るので、その線上の複数の点の距離情報を利用することができる。 The laser light emitted from the second light source may be beam-shaped or sheet-shaped. Energy consumption can be reduced by irradiating a beam-shaped laser beam. On the other hand, the beam may hit a corner or a step of the surface of the object, and the reflected light may not be clearly discriminated on the brightness image. When the sheet-shaped laser light is irradiated, the reflected light is linearly reflected on the brightness image, so that it is possible to use the distance information of a plurality of points on the line.
第2光源は、撮像素子と分離可能に構成して、明度画像生成ステップS2を実施する度に適当な位置にセットしてもよい。ただしその場合は、第2光源の位置およびレーザー光の出射方向を都度校正する必要がある。好ましくは、第2光源の撮像素子に対する位置および角度が一定であるように、両者が一体化している。両者を一体化させるには、両者を共通の筐体に納めてもよいし、別々の筐体に納めたのちに機械的に結合してもよい。これにより、煩雑な校正作業が不要になる。 The second light source may be configured to be separable from the image sensor and set to an appropriate position each time the brightness image generating step S2 is performed. However, in that case, it is necessary to calibrate the position of the second light source and the emitting direction of the laser light each time. Preferably, the two are integrated so that the position and angle of the second light source with respect to the image sensor are constant. In order to integrate both, they may be housed in a common housing, or they may be housed in separate housings and then mechanically coupled. This eliminates the need for complicated calibration work.
原距離画像補正ステップS3では、明度画像に基づいて原距離画像を補正する。明度画像によれば、レーザー光の反射光が記録された画素の位置から、当該画素に写った物体表面までの距離が一意に定まる。原距離画像の補正方法は特に限定されない。例えば、明度画像から求めた距離をzL、原距離画像の同じ画素の距離情報をzTとして、原距離画像のすべての画素の距離情報にzL−zTを加えたり、zL/zTを掛けたりすることができる。この方法は、原距離画像に含まれる、電子的な要因によるシステマチックな誤差の除去に特に有効である。また、原距離画像と明度画像が同じ撮像素子を用いて生成されるので、両画像に視差がないし、ステレオ視法のように2つの画像の誤対応が生じることもない。 In the original range image correction step S3, the original range image is corrected based on the brightness image. According to the brightness image, the distance from the position of the pixel where the reflected light of the laser light is recorded to the object surface reflected in the pixel is uniquely determined. The method of correcting the original distance image is not particularly limited. For example, assuming that the distance obtained from the brightness image is z L and the distance information of the same pixel of the original distance image is z T , z L −z T is added to the distance information of all pixels of the original distance image, or z L / z You can multiply by T. This method is particularly effective for removing systematic errors due to electronic factors contained in the original range image. Further, since the original distance image and the brightness image are generated using the same image sensor, there is no parallax between the two images, and there is no erroneous correspondence between the two images as in the stereoscopic vision method.
なお、以上の方法において、原距離画像と明度画像のSN比向上等のために、適宜他の画像を利用してもよい。例えば、距離情報を測定しようとする物体のない状態で対象空間を撮像した背景画像を利用して物体だけの距離画像を抽出してもよい。 In the above method, other images may be appropriately used in order to improve the SN ratio of the original distance image and the brightness image. For example, the distance image of only the object may be extracted by using the background image obtained by capturing the target space in the absence of the object whose distance information is to be measured.
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made within the scope of the technical idea thereof.
例えば、複数の第2光源を用いてもよい。例えば、2つのラインレーザーを、互いのシート状光が交差するように配置して用いてもよい。その場合は、2つの第2光源を順次切り替えて明度画像を生成することで、より広い範囲で明度画像による距離情報が利用できる。 For example, a plurality of second light sources may be used. For example, two line lasers may be arranged and used so that the sheet-like lights intersect each other. In that case, by sequentially switching the two second light sources to generate the brightness image, the distance information based on the brightness image can be used in a wider range.
10 距離画像生成装置
11 第1光源
12 第2光源
13 撮像部
14 撮像素子
15 画像生成部
16 制御部
17 入力部
18 補正部
19 出力部
21 対象空間
22 物体(対象物)
31 ビーム状レーザー光
33 ビーム状レーザー光の反射光
41 シート状レーザー光
10 Range Image Generation Device 11
31 beam-shaped
Claims (5)
前記第1光源とは別に設けられ、前記対象空間を横切るビーム状またはシート状であって、変調されていないレーザー光を照射する第2光源と、
複数の感光部がマトリクス状に配置された撮像素子を備え、前記第1光源から出射した変調光と該変調光の前記対象空間からの反射光との位相差から原距離画像を生成するとともに、前記第2光源から出射したレーザー光の前記対象空間からの反射光を含む明度画像を生成する撮像部と、
前記明度画像において前記レーザー光の反射光を記録した画素の位置に基づいて前記原距離画像の距離情報を補正して、補正された距離画像を生成する補正部と、
を有する距離画像生成装置。 A first light source for emitting modulated light that spreads over the entire target space;
A second light source which is provided separately from the first light source and which is in the form of a beam or a sheet that crosses the target space and emits unmodulated laser light;
A plurality of photosensitive units are provided with an image sensor arranged in a matrix, and an original distance image is generated from a phase difference between the modulated light emitted from the first light source and the reflected light from the target space of the modulated light, An imaging unit that generates a brightness image including reflected light of the laser light emitted from the second light source from the target space;
A correction unit that corrects the distance information of the original distance image based on the position of a pixel in which the reflected light of the laser light is recorded in the brightness image, and that generates a corrected distance image,
Distance image generating device having.
請求項1に記載の距離画像生成装置。 The position and angle of the second light source with respect to the image sensor are fixed,
The distance image generation device according to claim 1 .
請求項1または2に記載の距離画像生成装置。 The first light source and the second light source are not illuminated at the same time,
The range image generating device according to claim 1 .
前記対象空間を横切るように、ビーム状またはシート状で変調されていないレーザー光であって、前記変調光と異なる光を照射し、前記撮像素子によって、該レーザー光の反射光を含む明度画像を生成するステップと、
前記明度画像において前記レーザー光の反射光を記録した画素の位置に基づいて前記原距離画像の距離情報を補正して、補正された距離画像を生成するステップと、
を有する距離画像生成方法。 The modulated light that spreads over the entire target space is emitted, the reflected light of the modulated light is received by the image sensor in which a plurality of photosensitive parts are arranged in a matrix, and the phase delay of the reflected light is detected for each pixel to obtain the original light. Generating a range image,
A laser beam that is not modulated in a beam shape or a sheet shape so as to traverse the target space, and is irradiated with light different from the modulated light, and a brightness image including reflected light of the laser light is emitted by the imaging device. The step of generating
Correcting the distance information of the original distance image based on the position of the pixel in which the reflected light of the laser light is recorded in the brightness image, and generating a corrected distance image,
And a range image generating method.
請求項4に記載の距離画像生成方法。 The beam-shaped or sheet-shaped laser light is emitted from a second light source whose position and angle with respect to the image sensor are fixed.
The distance image generating method according to claim 4 .
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