JP7321956B2 - 測距装置の測定値補正方法 - Google Patents

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Description

本発明は、光の伝達時間に基づいて対象物までの距離を測定する測距装置における測定値の補正方法に関する。
光の伝達時間に基づいて対象物までの距離を測定する方式(以下、TOF法:タイム・オブ・フライト)による測距装置(以下、TOF装置とも呼ぶ)が知られる。TOF装置で取得した距離データを、2次元の距離画像として表示し、その時間変化を追跡することで、例えば人物等の移動経路を求めることができる。TOF装置の原理は、光源から出射した照射光が対象物にて反射し、受光部に戻ってくるまでの時間(光路長)を計測することで、対象物までの距離を算出するものである。その際、対象物に入射した光が入射方向に向けて反射する特性を持つ材料(いわゆる再帰性反射材)を対象物に取り付けることで、確実に対象物を検知することができる。例えば特許文献1には、天井クレーンの走行路上に居る作業者の検知のため、作業者のヘルメットに、再帰性反射材からなるマークを取り付け、作業者の認識を行うことが記載されている。
特開2019-127375号公報
TOF法による測距装置は、周囲の壁や床などに反射率が高い素材が使用された環境で使用する場合、壁や床などからの不要な反射により、光路長が長くなったように見える。これはマルチパス現象と呼ばれ、その結果、対象物までの距離が実際の距離より大きく測定され、測定誤差(距離誤差)が発生することになる。
マルチパス現象により発生する距離誤差を補正するため、前記特許文献1に記載される再帰性反射材を用いる方法が知られている。すなわち、再帰性反射材からなる反射テープを対象物に取り付け、対象物までの距離を測定することで、マルチパス現象の影響を受けずに、対象物までの正確な距離を取得することができる。そして、対象物の位置を変えながら、反射テープを取り付けたときと反射テープを外したときに得られる対象物までの距離を予め測定し、両者の関係から補正式を作成して距離誤差を補正するものである。
しかしながら補正式作成の準備作業として、反射テープを対象物(例えば床面)の所定位置(例えば距離2m、3m、・・・など)へ貼り付けること、TOF装置により反射テープまでの距離と反射テープを外したときの距離をそれぞれ測定すること、両者の測定値から補正式を作成すること、を作業者が行わねばならず、多大の作業量と作業時間を要していた。
本発明の目的は、測距装置における測定値補正のために作業者が行う準備作業を軽減し、自動的に補正式を作成する方法を提供することである。
本発明は、光の伝達時間に基づいて対象物までの距離を測定する測距装置における測定距離の補正方法であって、補正のための準備工程として、予め、測距装置から遠ざかる方向に測定空間の床面に再帰性反射材からなる反射テープが貼り付けられている状態で、反射テープに沿って測定位置をスキャンしながら、測距装置により、反射テープの内側領域までの距離Laと、それに隣接する反射テープの外側領域までの距離Lbを測定するステップと、各測定位置で得られた距離Laと距離Lbの関係から、距離Lbを距離Laに変換する補正式を作成するステップと、を備える。また、対象物までの実測工程として、測距装置で対象物までの距離を測定して実測値xを得るステップと、実測値xを補正式にて補正し、測定距離の補正値yを算出するステップと、を備える。
本発明によれば、作業者は反射テープを床面へ貼り付けるだけで自動的に補正式が作成され、作業者の作業量と作業時間が大幅に軽減される。
本実施例に係る測距装置の構成を示す図。 TOF法による距離測定の原理を説明する図。 マルチパス現象を説明する図。 準備工程での距離誤差の測定方法を説明する図。 距離誤差の測定結果の例を示す図。 補正式の作成例を説明する図。 補正式作成の手順を示すフローチャート。
以下、本発明の実施形態について説明する。本実施例の測距装置(TOF装置)は、距離測定値を補正式にて補正する機能を有しているが、さらに、補正に用いる補正式を自身で作成する機能も備えている。以下では、予め補正式を作成するための工程を「準備工程」と呼び、補正式を用いて実際の測定値の補正を行う工程を「実測工程」と呼ぶ。準備工程では、測定対象物として反射テープを用いて補正式作成用のデータを取得する。
図1は、本実施例に係る測距装置の構成を示す図である。測距装置(TOF装置)1は、実測工程の構成として、レーザダイオード(LD)や発光ダイオード(LED)などの光源から対象物にパルス光を照射する発光部11、対象物から反射したパルス光をCCDセンサやCMOSセンサなどで受光する受光部12、発光部11の点灯/消灯と発光量の制御を行う発光制御部13、受光部12の検出信号(受光データ)から対象物までの距離を計算する距離計算部14と、距離計算部14から出力される距離データを補正する距離補正部15を備え、補正に用いる補正式は予め補正式保存部16に格納されている。
さらに本実施例では、補正式保存部16に格納する補正式を作成するための準備工程として、反射テープを対象物として距離計算部14により距離データを取得する。その際、受光データ内の輝度データにより対象物の測定領域(反射テープ内側か反射テープ外側か)を判定する領域判定部17と、距離計算部14からの距離データと領域判定部17からの領域情報を用いて補正式を作成する補正式作成部18とを備える。作成した補正式は補正式保存部16に格納し、実測工程で使用する。
準備工程の詳細は後述するが、TOF装置1から遠ざかる方向に測定空間の床面に再帰性反射材からなる反射テープを貼り付ける。そして、反射テープに沿って測定位置をスキャンしながら、所定の位置で反射テープの内側領域までの距離とこれに隣接する反射テープの外側領域までの距離を測定する。補正式作成部18は、各位置での測定値を用いて、両者の差(距離誤差)を補正する補正式を作成する。これらの一連の動作は、TOF装置1に格納された補正式作成の専用プログラムにて自動的に実行する。
実測工程では、TOF装置1の距離補正部15で補正された距離データは外部処理装置2へ送られる。外部処理装置2は例えばパソコンからなり、距離補正データに基づき対象物の各部の色相を変えるカラー化処理を行って距離画像を生成し、ディスプレイに出力して表示する。また、距離データに基づき対象物の位置の変化を追跡することで、人物等の移動経路を求めることができる。
図2は、TOF法による距離測定の原理を説明する図である。TOF装置1は発光部11と受光部12を有し、発光部11から対象物3(例えば人物)に向けて距離測定用の照射光31を出射する。受光部12は、対象物3で反射された反射光32を2次元センサ12aで受光する。2次元センサ12aはCCDセンサなどの複数の画素を2次元配列したもので、各画素における受光データから2次元状の距離データを得ることができる。
対象物3は、発光部11および受光部12から距離Lだけ離れた位置に存在する。ここで、光速をcとして、発光部11が照射光31を出射してから受光部12が反射光32を受光するまでの時間差をtとすると、対象物3までの距離Lは、L=c×t/2で求められる。なお、距離計算部14の行う実用的な距離測定では、時間差tの代わりに、所定幅の照射パルスを出射し、これを2次元センサ12aの露光ゲートのタイミングをずらしながら受光し、異なるタイミングにおける受光量(蓄積量)の値から距離Lを算出するようにしている(露光ゲート方式)。
図3は、マルチパス現象を説明する図である。発光部11から出射した照射光は対象物3で反射して受光部12へ戻ってくるが、通常は最短の経路である実線30に示す光路となる。この光路の光を「直接光」と呼ぶことにする。ところが、反射率の高い材料を用いた壁や床4が周囲に存在する環境では、照射光の一部は壁や床4などで反射して、破線40に示す光路で受光部12に戻ってくる。この現象は「マルチパス現象」と呼ばれ、この光路の光を「間接光」と呼ぶことにする。間接光は、発光部11と対象物3との間、または対象物3と受光部12との間の光路が最短の直線ではなく、折れ線状になることから、間接光の光路40は直接光の光路30よりも光路長が長くなる。受光部12には、直接光と間接光とが混合されて入射するので、TOF装置1において測定される距離には誤差が発生する。
マルチパス現象が生じた場合、間接光の光路は1つだけでなく多数存在することが多く、直接光に対する間接光の強度比も様々である。受光部12においては、直接光とこれに対し時間遅れをもつ多数の間接光とが入射する。露光ゲート方式の場合、所定のゲート期間で検出する受光量は、直接光のみの本来の受光量からずれてくるので、距離算出において誤差となって表れる。
マルチパス現象により測定誤差が生じると、対象物までの距離が実際の距離よりも大きく算出され、様々な問題が生じる。例えば、TOF装置を複数台設置して、室内での対象物(人物)の移動経路を求める場合を想定する。エレベータホールのように周辺の壁や床に反射率が高い大理石が使用されている環境では、マルチパス現象のため、各TOF装置から人物までの距離測定値に誤差が発生しやすい。その結果、距離測定値から人物の座標を定め、座標を引き継いで移動経路を追跡する場合、一人の人物の経路が2つの経路に分裂したり、TOF装置間の繋ぎ目で座標が繋がらず、経路が途切れたりするという問題が生じる。
このようなマルチパス現象に対処するため、本実施例では、TOF装置を測定環境に設置し、予め、所定の位置に対象物(反射テープ)を貼り付けて実環境で発生する距離誤差を測定する。そして、発生した距離誤差に応じて、これを補正する補正式を作成する。この準備工程の作業を自動化し、作業者の負担を軽減するようにした。以下、準備工程について詳細に説明する。
図4は、準備工程での距離誤差の測定方法を説明する図である。まず、作業者はTOF装置1を実際の使用環境に設置し、測定空間の床面には測定対象物として反射テープを貼り付ける。ここでは測定空間として室内を想定しているが、室外の場合は路面等に反射テープを貼り付ければよい。
(a)は測定環境の側面図、(b)は測定環境の平面図、(c)は反射テープを含む測定領域を示す平面図である。ここで説明のための座標軸として、TOF装置1から見た前方方向をY軸、左右方向をX軸、上下方向をZ軸とし、TOF装置1の位置を座標原点(X=Y=Z=0)とする。
(a)(b)に示すように、TOF装置1を天井に取り付け、斜め下方向を測定空間とする。その際、測定空間の床面4と側面の壁6による光反射により間接光が発生し、マルチパスの影響を受けることが想定される。そのため、TOF装置1から床面4の位置Pまでの距離は、マルチパスがないときの測定値La(実線)に対し、マルチパスの影響を受けたときの測定値Lb(破線)は大きな値となる。言い換えると、マルチパス現象により、床面4の位置Pが床面4’の位置P’に沈んだように見える。2つの測定値La,Lbの差(Lb-La)が距離誤差であるが、測定空間内の位置により間接光の発生の度合いが変化するので、距離誤差は測定位置に応じて異なってくる。
測定位置を変えながら距離誤差を効率良く測定するため、本実施例では、測定対象物として反射テープ5を用いる。反射テープ5は、入射した光を入射方向に向けて反射する特性を持つ再帰性反射材からなり、間接光が発生しにくくマルチパスの影響を受けにくい。
(b)に示すように、TOF装置1の測定方向の床面4(XY面)には、反射テープ5をY軸方向に沿って貼り付ける。反射テープ5の形状は、例えば幅が5cm、長さが10m程度のものを用いる。TOF装置1による測定範囲50は、反射テープ5を中央に含む矩形領域とし、TOF装置1からY軸上の距離が、Y1からYn(例えば2mから8m)の範囲で、反射テープ5に隣接する床面4の領域をカバーするような幅Xw(例えば1m)とする。
(c)は測定領域を拡大して示す。測定範囲50に対し測定窓51をY軸方向にスキャンしながら、Y軸上の各位置Yi(i=1、2、・・・n)における測定窓51内の領域までの距離を測定する。測定窓51の大きさは、X方向は測定範囲50の幅Xwに等しく、Y方向の幅Ywは、例えば2cmとする。測定窓51は、反射テープ5の内側の領域51aとこれに隣接する反射テープ5の外側の領域51bからなり、両方の領域から距離データが得られる。なお、測定窓51のスキャン動作は、受光部12の2次元センサ12a内の対応する画素領域を選択スキャンすることで可能である。
測定窓51内からの距離データを、反射テープ5の内側の領域51aまでの距離データと、反射テープ5の外側の領域51bまでの距離データとに分離する。距離データを分離するため、領域判定部17は、受光部12からの輝度データを利用して測定位置が領域51a内か、領域51b内であるかを判定する。すなわち、測定窓51内で各画素の受光量(輝度)を比較し、輝度の高い画素グループと輝度の低い画素グループとに分離する。そして、高輝度画素グループは反射テープ5の内側の領域51aに対応するものとし、各画素の距離データを平均化して測定値Laとする。一方、低輝度画素グループは反射テープ5の外側(すなわち床面4)の領域51bに対応するものとし、各画素の距離データを平均化して測定値Lbとする。
このようにして、同じ測定位置Yiにおいて、マルチパスの影響を受けない反射テープ5の内側領域51aでの測定値Laと、マルチパスの影響を受けた反射テープ5の外側領域51bでの測定値Lbとを同時に取得できるので、測定の効率が大幅に向上する。
なお、測定範囲50内において、TOF装置1からの距離(測定窓51の位置Yi)に応じて反射光の強度が変化する。測定位置が近い場合は受光部12のセンサ12aが飽和し、測定位置が遠い場合は受光不足となる。よって発光制御部13は、受光部12からの輝度データをもとに、発光部11からの照射光の強度を調整し、所定範囲の輝度レベルになるよう制御する。
図5は、距離誤差の測定結果の例を示す図である。横軸に測定位置(Y座標)を、縦軸に反射テープ内側の測定値La(〇印)と、反射テープ外側の測定値Lb(×印)とをプロットしている。反射テープ内側の測定値Laはマルチパスの影響を受けないが、反射テープ外側の測定値Lbはマルチパスの影響を受けるので、測定値Laよりも大きい値となっている。
また、マルチパスによる距離誤差(Lb-La)は一定ではなく、測定位置(Y)に応じて変化していることが分かる。これは、測定環境の影響(床や壁で反射する間接光の程度)が、測定位置によって変化することを意味している。
このようにして、マルチパスの有無に対する測定値La、Lbを取得すると、補正式作成部18は、両者の関係をもとに、補正式の作成を行う。補正式は、測定値Lbを測定値Laに変換する近似式で、最小二乗法などの公知の方法により自動的に求めることができる。
図6は、補正式の作成例を示す図である。横軸は反射テープ外側(マルチパス有)での測定値Lbで、縦軸は反射テープ内側(マルチパス無)での測定値Laであり、図5での両者の測定値を●印でプロットしている。これらの測定点を通る近似式として、2次式(y=ax+bx+c)を用いて非線形近似を行った場合を破線で示す。補正式では、変数xが測定値Lbに、変数yが測定値Laに対応している。近似式はこれに限らず、さらに高次の多項式や関数を組み込んだ式でも良い。
準備工程で作成した補正式、または補正式の係数(a,b,c)は、図1のTOF装置1内の補正式保存部16に格納しておく。そして実測工程においては、距離補正部15は、距離計算部14にて算出された距離データxを、補正式を用いて距離補正データyに補正する。これにより、マルチパス環境でも、対象物までの距離誤差を補正し、人物の移動経路などを精度良く追跡することが可能となる。
上記した補正式作成の準備工程によれば、マルチパス現象により発生する距離誤差の測定方法として、1回の測定で、マルチパス無の状態とマルチパス有の状態でのデータを取得することができる。すなわち、作業者は反射テープを床面へ貼り付けるだけで、補正式作成のための一連の準備作業を専用プログラムにより自動的に実行することができるので、作業者の負担を大幅に軽減するものとなる。
図7は、本実施例における補正式作成の手順を示すフローチャートである。補正式作成の準備として、作業者はTOF装置1を実際の使用環境に設置し、測定方向の床面には反射テープを貼り付けた状態とする。以下では、図4の符号を用いて説明する。
S101:TOF装置1を稼働させ、反射テープ5を含む測定範囲50について距離と輝度の測定を開始する。測定範囲50は、Y=Y1(2m)からYn(8m)までとし、測定間隔ΔYは例えば1mとする。距離データは受光部の2次元センサ12aの画素ごとに取得し、また各画素位置での輝度データを取得する。
S102:測定窓51を測定範囲50の起点位置(Y=Y1)に移動させる。これは2次元センサ12aの読み出し位置を選択することで行う。測定窓51の大きさは、Y方向の幅Yw(=±1cm)、X方向の幅Xw(=±0.5m)とする。
S103:現在の測定位置での輝度データを読み取り、輝度レベルが所定の範囲になるよう、発光部11の照射光強度を調整する。そのため、例えば反射テープ5の領域51aからの反射光をモニターし、発光制御部13により調整すればよい。
S104:測定窓51内の距離データと輝度データを取得する。すなわち、Y方向の幅Ywの範囲、X方向の幅Xwの範囲に含まれる各画素について取得する。
S105:測定窓51内の輝度データの分布から、これに含まれる各画素を、反射テープの内側を検出し高い輝度を示す画素グループと、反射テープの外側を検出し低い輝度を示す画素グループとに分離する。
S106:取得した距離データのうち、高輝度の画素グループの距離データを平均化してLa(Y)とし、補正式作成部18のメモリに保存する。
S107:取得した距離データのうち、低輝度の画素グループの距離データを平均化してLb(Y)とし、補正式作成部18のメモリに保存する。
S108:測定窓51の位置を測定間隔ΔY(=1m)だけ移動させる(Y=Y+ΔY)。
S109:測定窓51の位置Yが、測定範囲50の終点位置Yn(=8m)を超えたかどうかを判定する。超えていれば(Yes)、S110へ進む。超えていなければ(No)、S103に戻り上記の処理を繰り返す。
S110:S106とS107で求めたLa(Y)とLb(Y)をメモリから読み出し、同一位置Yでの両者の差が、全ての位置Yにおいて閾値未満かどうか判定する。閾値は例えば3%とする。閾値未満であれば(Yes)、S111へ進み、閾値未満でなければ(No)、S112へ進む。
S111:測定誤差は無視できるレベルであり、マルチパスの影響はないと判断して、測定値の補正は行わない。
S112:La(Y)とLb(Y)の関係から、測定値Lb(Y)を測定値La(Y)に変換するための補正式を作成する。補正式の作成は、最小二乗法などの公知の方法で自動的に行う。
S113:作成した補正式(例えばy=ax+bx+c)、またはその係数(a,b,c)を、補正式保存部16に保存する。
これで補正式作成の準備工程を終了する。その後距離補正部15は、実測工程で得られる距離実測値を、この補正式を用いて補正して出力する。
以上の説明は、1台のTOF装置について述べたが、複数台のTOF装置を設置する場合は、それぞれのTOF装置について反射テープを用いて補正式を作成すればよい。
以上のように本実施例における準備工程では、マルチパス現象により発生する距離誤差の測定方法として、作業者は反射テープを床面へ貼り付けるだけで、1回の測定でマルチパス無の状態とマルチパス有の状態でのデータを取得することができる。これにより自動的に補正式が作成され、作業者の作業量と作業時間が大幅に軽減されるものとなる。
1:測距装置(TOF装置)、
2:外部処理装置、
3:測定対象物(人物の例)、
4:床面、
5:反射テープ、
11:発光部、
12:受光部、
13:発光制御部、
14:距離計算部、
15:距離補正部、
16:補正式保存部、
17:領域判定部、
18:補正式作成部、
30:直接光、
31:照射光、
32:反射光、
40:間接光、
50:測定領域、
51:測定窓。

Claims (6)

  1. 発光部及び複数の画素を2次元配列した2次元センサを備え、前記発光部から照射光を対象物に向けて出射して前記対象物からの反射光を前記複数の画素の露光のタイミングをずらしながら前記複数の画素で受光することにより検出した異なる露光のタイミングにおける受光量の値に基づいて、画素毎に前記対象物までの距離を算出することにより、画素毎の前記対象物までの距離を測定する測距装置であって、天井に取り付けられ斜め下方向を測定空間とし、前記照射光が直接光及びこれに対し時間遅れをもつ多数の間接光として前記2次元センサに入射されるマルチパス現象が生じる環境において前記距離を測定する前記測距装置における測定距離の補正方法であって、
    補正のための準備工程として、
    予め、前記測距装置から遠ざかる方向に前記測定空間の床面に再帰性反射材からなる反射テープが貼り付けられている状態で、
    前記反射テープに沿って測定位置をスキャンしながら、前記測距装置により、前記反射テープの内側領域までの距離Laと、それに隣接する前記反射テープの外側領域までの距離Lbを測定するステップと、
    各測定位置で得られた前記距離Laと前記距離Lbの関係から、前記距離Lbを前記距離Laに変換する補正式を作成するステップと、を備え、
    前記対象物までの実測工程として、
    前記測距装置で前記対象物までの距離を測定して実測値xを得るステップと、
    前記実測値xを前記補正式にて補正し、測定距離の補正値yを算出するステップと、
    を備えることを特徴とする測定距離の補正方法。
  2. 請求項1に記載の測定距離の補正方法において
    前記準備工程における距離測定は、前記反射テープの内側領域とそれに隣接する前記反射テープの外側領域を含む測定窓をスキャンしながら、前記測定窓からの反射光を前記複数の画素で受光することで行い、
    各画素が受光した輝度データを比較して、輝度の高い領域は前記反射テープの内側領域であり、輝度の低い領域は前記反射テープの外側領域であると判定し、
    輝度の高い領域の各画素の距離データ、および輝度の低い領域の各画素のデータをそれぞれ平均して、前記距離Laと前記距離Lbとすることを特徴とする測定距離の補正方法。
  3. 請求項2に記載の測定距離の補正方法において、
    前記準備工程における距離測定では、
    前記測定窓からの反射光の輝度データが所定の範囲になるように、照射光の強度を調整することを特徴とする測定距離の補正方法。
  4. 請求項1に記載の測定距離の補正方法において、
    前記準備工程における距離測定の結果、各測定位置で得られた前記距離Laと前記距離Lbの差が閾値未満の場合は、前記補正式を作成せず、
    前記実測工程では、前記実測値xを補正せずにそのまま用いることを特徴とする測定距離の補正方法。
  5. 天井に取り付けられ斜め下方向を測定空間とし、2次元センサを備え、対象物に向けて出射された照射光が直接光及びこれに対し時間遅れをもつ多数の間接光として前記2次元センサに入射されるマルチパス現象が生じる環境において前記対象物までの距離を測定する測距装置において、
    前記対象物に向けて前記照射光を出射する発光部と、
    複数の画素を2次元配列した前記2次元センサであって、前記対象物からの反射光を前記複数の画素の露光のタイミングをずらしながら前記複数の画素で受光することにより異なる露光のタイミングにおける受光量を検出する前記2次元センサと、
    前記発光部を制御する発光制御部と、
    前記2次元センサにて検出した前記異なる露光のタイミングにおける受光量の値に基づき画素毎に前記対象物までの距離を算出する距離計算部と、
    前記距離計算部で算出した距離を補正式を用いて補正する距離補正部と、
    前記補正式を格納する補正式保存部と、
    前記補正式を作成する補正式作成部と、を備え、
    前記補正式作成部は、
    予め、前記測距装置から遠ざかる方向の床面に再帰性反射材からなる反射テープが貼り付けられている前記測定空間において、
    前記反射テープに沿って測定位置をスキャンしながら、前記距離計算部により、前記反射テープの内側領域までの距離Laと、それに隣接する前記反射テープの外側領域までの距離Lbを測定し、
    各測定位置で得られた前記距離Laと前記距離Lbの関係から、前記距離Lbを前記距離Laに変換する補正式を作成することを特徴とする測距装置。
  6. 請求項5に記載の測距装置において
    前記補正式作成部における距離測定は、前記反射テープの内側領域とそれに隣接する前記反射テープの外側領域を含む測定窓をスキャンしながら、前記測定窓からの反射光を前記2次元センサ前記複数の画素で受光することで行い、
    各画素が受光した輝度データを比較して、輝度の高い領域は前記反射テープの内側領域であり、輝度の低い領域は前記反射テープの外側領域であると判定する領域判定部を有し、
    輝度の高い領域の各画素の距離データ、および輝度の低い領域の各画素のデータをそれぞれ平均して、前記距離Laと前記距離Lbとすることを特徴とする測距装置。
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