JP7462096B1 - 距離画像生成装置及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】対象領域内に存在する物体までの距離を示す距離画像をリサージュ走査方式で生成する場合に、その測距精度を向上させる。【解決手段】リサージュ走査においてレーザ光の投光タイミングの時間間隔を一定とし、十分な期間にわたって走査を行うことで、距離画像の各画素に相当する領域内の複数の位置にレーザ光を投光する。画像生成部９は、距離画像の１画素に相当する領域の複数の位置に放射光を投光して得た複数の測距データを取得し、取得した複数の測距データを所定の基準でグルーピングし、各グループに属する測距データの代表値を用いて距離画像を生成する。【選択図】図１

Description

本発明は、リサージュ走査方式により対象領域をレーザ光で走査してその対象領域内に存在する物体までの距離を示す距離画像を生成する技術に関する。

リサージュ走査方式により対象領域をレーザ光で走査してその対象領域内に存在する物体までの距離を示す距離画像を生成する技術が知られている。例えば特許文献１には、パルス状のレーザ光を投光する光源部と、パルス状のレーザ光を投光するタイミングを指令する光源制御部と、二次元ガルバノミラーで構成される光走査部と、光走査部を駆動する走査駆動部と、反射したパルス状のレーザ光を受光する受光部と、パルス状のレーザ光の投光タイミングと反射光の受光タイミングとの時間差に基づいて対象物までの距離を計測する測距部とを備えた光測距装置が開示されている。

特開２０１１－１１２５８５号公報

測距部により計測された測距データは、図１３に例示するように、平面座標上の各画素について、レーザ光の投光から反射光の受光までの時間に基づいて算出された距離値と、受光した反射光の光量値とを含み、各画素に対応する距離値が、同じ画素に対応する光量値によって補正されるようになっている。

従来のリサージュ走査方式では、図１４に例示するように、対象領域内にある物体Ｏのエッジ（つまり物体Ｏの端部）に相当する部分ではレーザ光Ｌ１の一部が反射しないことがあるため、物体Ｏのエッジ以外の部分に投光されたレーザ光Ｌ２の反射光Ｌｒ２に比べて、レーザ光Ｌ１の反射光Ｌｒ１の光量値が小さくなってしまうと、その光量値に基づいて補正される距離値も小さくなってしまい、測距精度が悪化してしまうという問題がある。

また、屋外での測距時においては、例えば雨、霧、砂埃等でレーザ光の一部が反射すると、物体までの真の距離よりも小さい距離が計測されてしまい、測距精度が悪化してしまうという問題がある。

本発明は、このような問題に着目してなされたものであり、対象領域内に存在する物体までの距離を示す距離画像をリサージュ走査方式で生成する場合に、その測距精度を向上させることを目的とする。

本発明は、リサージュ走査方式で測定対象物に向けて放射光を投光して得た反射光により前記測定対象物までの距離を表す距離画像を生成する距離画像生成装置において、前記距離画像の１画素に相当する領域の複数の位置に放射光を投光して複数の測距データを取得し、取得した複数の前記測距データを各々の前記測距データの前記距離画像上の位置を中心とした所定範囲ごとにグルーピングし、各グループにおける中心位置から該グループに属する各々の前記測距データの位置までの前記距離画像上の距離に応じた重みをつけて該測距データの前記測定対象物までの距離の平均値又は中央値を代表値として用いて前記距離画像を生成する距離画像生成装置を第１の態様として提供する。第１の態様の距離画像生成装置によれば、リサージュ走査において１画素中の複数位置で測距した測距データの代表値を用いて距離画像を生成することにより、測距精度を向上させることが可能となる。また、第１の態様の距離画像生成装置によれば、各グループにおける中心位置から各測距データの位置までの距離に応じた重みをつけて平均値を算出するので、測距精度を向上させることができる。

本発明は、投光タイミングの時間間隔を一定に制御して、前記距離画像の１画素に相当する領域の複数の位置に放射光を投光する距離画像生成装置を第２の態様として提供する。第２の態様の距離画像生成装置によれば、測点位置を制御せずに一定周期で走査するので、以下の第３の態様と比較して、１画素中の複数位置に投光するための制御が容易となる。

本発明は、投光タイミングの時間間隔を可変に制御して、前記距離画像の１画素に相当する領域の複数の位置に放射光を投光する距離画像生成装置を第３の態様として提供する。第３の態様の距離画像生成装置によれば、１画素中の複数位置で測距するように投光タイミングを制御するので、上記第２の態様と比較して、１画素中の複数位置に投光するのに要する時間が短くなる。

本発明は、リサージュ走査方式で測定対象物に向けて放射光を投光して得た反射光により前記測定対象物までの距離を表す距離画像を生成するコンピュータに、前記距離画像の１画素に相当する領域の数の位置に放射光を投光して複数の測距データを取得させ、取得した複数の前記測距データを各々の前記測距データの前記距離画像上の位置を中心とした所定範囲ごとにグルーピングさせ、各グループにおける中心位置から該グループに属する各々の前記測距データの位置までの前記距離画像上の距離に応じた重みをつけて該測距データの前記測定対象物までの距離の平均値又は中央値を代表値として用いて前記距離画像を生成させるためのプログラムを第４の態様として提供する。第４の態様のプログラムによれば、測距精度を向上させることが可能となる。

本発明の実施形態に係る距離画像生成装置１の構成の一例を示すブロック図。 本実施形態に係る測距部７及び画像生成部９を実現するハードウェアの構成の一例を示すブロック図。 従来のリサージュ走査を説明する図。 従来のリサージュ走査において用いるタイミングテーブルを例示する図。 従来のリサージュ走査において投光位置と距離画像の各画素との関係を例示する図。 本実施形態に係るリサージュ走査を説明する図。 本実施形態に係るリサージュ走査において用いるタイミングテーブルを例示する図。 本実施形態に係るリサージュ走査において投光位置と距離画像の各画素との関係を例示する図。 本実施形態における測距データとその代表値との関係を例示する図。 同実施形態に係る動作の一例を示すフローチャート。 変形例のリサージュ走査において投光位置と距離画像の各画素との関係を例示する図。 変形例における測距データとその代表値との関係を例示する図。 従来の測距データの構造を例示する図。 従来のリサージュ走査における問題点を説明する図。

＜実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態に係る距離画像生成装置１の構成の例を示すブロック図である。距離画像生成装置１は、パルス状のレーザ光（放射光）を投光して対象領域でリサージュ走査し、その対象領域内に存在する物体からの反射光を得てその物体までの距離を計測し、その計測結果に基づく距離画像を生成して出力する。距離画像生成装置１は、図１に示すように、電磁駆動型の光走査部２と、光走査部２を揺動駆動する走査駆動部３と、パルス状のレーザ光を投光する光源部４と、投光されたレーザ光の反射光を受光する受光部５と、レーザ光の投光タイミングを光源部４に指定する光源制御部６と、レーザ光を反射した物体までの距離を計測する測距部７と、投光タイミングを指定するデータが書き込まれたタイミングテーブル８と、測距部７による計測結果に基づいて距離画像を生成する画像生成部９と、生成された距離画像を出力（例えば表示）する出力部１０とを備える。

光走査部２は、光反射面（ミラー）を有する可動部が互いに直交する方向に揺動可能に形成されており、その可動部が揺動することによって、光反射面に入射される光（パルス状のレーザ光）を対象領域内でリサージュ走査する。このような光走査部２としては、例えば、本出願人により提案された特許第２７２２３１４号公報に記載の二次元走査型の半導体ガルバノミラーを用いることができる。

走査駆動部３は、所定の駆動周波数で光走査部２の光反射面を互いに直交する第１の方向及び第２の方向に揺動駆動させる。第１方向の揺動によって、光反射面に入射されるレーザ光が対象領域内において例えば水平方向に走査され、第２方向の揺動によって、光反射面に入射されたパルス状のレーザ光が対象領域内において例えば垂直方向に走査される。

光源部４は、光走査部２の光反射面に向かってパルス状のレーザ光を投光する。光源部４は、レーザダイオード等の光源と、光源が発したレーザ光を平行光に変換するコリメータレンズ等の投光光学系とを含む。

受光部５は、光源部４から投光され、光反射面で反射走査されたレーザ光が対象領域内に存在する物体によって反射されたレーザ光（反射光）を受光して検知するものであり、例えばフォトセンサである。なお、受光部５は、反射光を直接受光するものであってもよいし、光走査部２を介して反射光を受光するものであってもよい。

光源制御部６は、投光タイミングを指定するデータが書き込まれたタイミングテーブル８を参照して、光源部４に対してレーザ光の投光タイミングを指定する。

測距部７は、光源制御部６によるレーザ光の投光タイミングと受光部５による反射光の受光タイミングとの時間差に基づいて物体の距離を計測する。具体的には、測距部７は、光源制御部６によるレーザ光の投光タイミングと、受光部５による反射光の受光タイミングとを取得し、両者の時間差（光飛行時間）に基づいて、レーザ光を反射した物体までの距離を示す測距データを算出する。さらに、この測距データには、受光部５による反射光の光量が含まれている。

画像生成部９は、測距部７によって算出された測距データに基づいて対象領域についての距離画像を生成する。距離画像は、例えば各画素において計測された距離毎に色が異なる画像、すなわち、対象領域内の存在する物体についてはその奥行き距離が反映された三次元的な画像となるように生成される。画像生成部９により生成された距離画像は、出力部１０に出力される。

出力部１０は例えばディスプレイを備えており、画像生成部９から出力された距離画像を表示する。この距離画像によって対象領域内に存在する物体を認識できることはもちろん、物体の位置、物体までの距離、物体の姿勢の変化なども検出することが可能となる。

測距部７及び画像生成部９は、図２に示すように、プロセッサ１１、メモリ１２及びストレージ１３を備えたコンピュータによって実現される。プロセッサ１１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）である。また、プロセッサ１１は、例えば、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）であってもよいし、ＦＰＧＡを含んでもよい。また、このプロセッサは、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、又は他のプログラマブル論理デバイスを有してもよい。

メモリ１２は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体であり、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable ＲＯＭ）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などの少なくとも１つによって構成されてもよい。メモリ１２は、レジスタ、キャッシュ、メインメモリ（主記憶装置）などと呼ばれてもよい。メモリ１２は、本実施形態に係る方法を実施するために実行可能なプログラム（プログラムコード）、ソフトウェアモジュールなどを保存することができる。

ストレージ１３は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体であり、例えば、光ディスク、ハードディスクドライブ、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、スマートカード、フラッシュメモリ、などの少なくとも１つによって構成されてもよい。

本実施形態に係る距離画像生成装置１の特徴の一つは、画像生成部９が、距離画像の１画素に相当する領域の複数の位置に放射光を投光して得た複数の測距データを取得し、取得した複数の測距データを所定の基準でグルーピングし、各グループに属する測距データの代表値を用いて距離画像を生成することにある。この特徴について、図３～９を参照して説明する。

図３は、従来のリサージュ走査方式に従ってレーザ光が対象領域内で走査されたときの投光位置の軌跡の一例を示している。リサージュ走査の軌跡上に位置するレーザ光の投光位置は、対象領域の位置座標である水平座標Ｘ及び垂直方向の位置座標である垂直座標Ｙで表わされる。従来においては、レーザ光の投光位置（例えばｔ１～ｔ７）は、距離画像における各画素の中心に相当する位置である。このため、レーザ光の投光位置がリサージュ走査の軌跡上に位置するいずれかの画素の中心位置となるような投光タイミングがあらかじめ計算されており、このような投光タイミングを指定するための投光タイミングの時間間隔に相当するデータが、図４に示すタイミングテーブルに書き込まれている。

従来の方法によれば、図５（ａ）に例示するように、対象領域において、距離画像の各画素ｇの中心位置に相当する位置Ｌｐにレーザ光を投光することが可能であるが、図５（ｂ）の斜線部で示すように、対象領域内においてレーザ光が投光されていない非投光領域ａが比較的多く存在することになる。

これに対し、図６は、本実施形態に係るリサージュ走査方式に従ってレーザ光が対象領域内で走査されたときの投光位置の軌跡の一例を示している。本実施形態では、投光タイミングの時間間隔が一定であり、レーザ光の投光位置である水平座標Ｘ及び垂直座標Ｙが予め指定されていない。つまり、図７に示すタイミングテーブル８には、一定の値となる投光タイミングの時間間隔（図７では200msec）に相当するデータのみが書き込まれている。このように、本実施形態では、投光タイミングが距離画像の各画素の位置に基づいて指定されているわけではないから、リサージュ走査を十分な期間にわたって行うことで、図８（ａ）に例示するように、距離画像の各画素ｇの複数の位置Ｌｐにレーザ光を投光することが可能となる。これにより、図８（ｂ）の斜線部で示すように、図５（ｂ）との比較において、対象領域内でレーザ光が投光されていない非投光領域ａが少なくなる。なお、距離画像の各画素の複数の位置にレーザ光を投光するためには、投光タイミングの時間間隔を、光源部４及び光源制御部６の仕様乃至性能が許す限り、できるだけ短くすることが望ましい。

画像生成部９は、上記のようにして、距離画像の１画素に相当する領域の複数の位置に放射光を投光して得た複数の測距データを所定の基準でグルーピングし、各グループに属する測距データの代表値を用いて距離画像を生成する。このグルーピングを行うときの所定の基準とは、例えば複数の測距データを画素単位でグルーピングするというものである。そして、各グループに属する測距データの代表値とは、例えば１つの画素に含まれる複数の測距データの平均値又は中央値である。図９の例では、各画素ｇの代表値は、画素ｇの各々に含まれる測距データの平均値又は中央値であるＧ＿００、Ｇ＿０１・・・、Ｇ＿１０、Ｇ＿２０・・・であることを例示している。

次に、図１０を参照して本実施形態の動作を説明する。対象領域に対するリサージュ走査が開始されると、光源制御部６はタイミングテーブル８を参照して、光源部４に対してレーザ光の投光タイミングを指定する。前述したようにレーザ光の投光タイミングは一定の時間間隔であるから、光源部４は一定の時間間隔でレーザ光を投光する。測距部７は、光源制御部６によるレーザ光の投光タイミングと受光部５による反射光の受光タイミングとの時間差、及び、反射光の光量に基づいて、レーザ光を反射した物体までの距離を示す測距データを算出する。測距部７は、距離画像の１フレーム分の測距データを生成すると、画像生成部９に出力する。

画像生成部９は、測距部７から測距データを取得すると（ステップＳ１１；測距データ有）、その測距データを、距離画像に対応する平面上に配置したリサージュ平面を生成する（ステップＳ１２）。

画像生成部９は、このリサージュ平面において複数の測距データを画素単位でグルーピングする（ステップＳ１３）。そして、画像生成部９は、或る１つのグループを処理対象として（ステップＳ１４）、そのグループに属する測距データを抽出し（ステップＳ１５）、これらの平均値（又は中央値）を算出するデータ補正処理を行う（ステップＳ１６）。これらのデータ補正処理を全グループについて行うと（ステップＳ１７，Ｓ１８）、画像生成部９の処理は終了する（ステップＳ１９）。これにより、距離画像の各画素について、その画素内における複数の測距データ（距離値及び光量値）の平均値（又は中央値）を、その画素値とすることができる。

例えば対象領域内にある物体Ｏのエッジに相当する部分でレーザ光の一部が反射しなかったり、屋外で雨、霧、砂埃等の影響があったりすることで、物体からの反射光の光量が減少することがあったとしても、各画素で複数の測距データの代表値を用いることで、従来に比べて、その光量減少による測距精度の低下を抑制することが可能となる。つまり、本実施形態によれば、対象領域内に存在する物体までの距離を示す距離画像をリサージュ走査方式で生成する場合に、その測距精度を向上させることが可能となる。

＜変形例＞
以上が実施形態の説明であるが、この実施形態の内容は以下のように変形し得る。また、以下の変形例は組み合わされてもよい。

＜変形例１＞
上記実施形態において、距離画像生成装置１は、投光タイミングの時間間隔を一定に制御して、距離画像の１画素に相当する領域の複数の位置にレーザ光を投光していた。これに代えて、投光タイミングの時間間隔を可変に制御して、距離画像の１画素に相当する領域の複数の位置に放射光を投光するようにしてもよい。具体的には、１画素内においてレーザ光を投光する複数の位置を予め決めておき、レーザ光の投光位置がリサージュ走査の軌跡上に位置する画素について決められた複数の位置となるような投光タイミングを計算しておく。そして、このように計算された投光タイミングを指定するための投光タイミングの時間間隔に相当するデータをタイミングテーブル８に書き込んでおく。つまり、従来のように各画素の中心にレーザ光を投光するのと同じ要領で、各画素について決められた複数の位置にレーザ光を投光するようにすればよい。これにより、図１１に例示するように、各画素について決められた複数（例えば４つ）の投光位置に対してレーザ光が投光される。上記実施形態では、投光タイミングが距離画像の各画素の位置に基づいて指定されているわけではなかったため、リサージュ走査を十分な期間にわたって行う必要があった。これに対し、本変形例によれば、１画素中の複数位置で測距するように投光タイミングを制御するので、上記実施形態と比較して１画素中の複数位置に投光するのに要する時間が短くなるという効果を奏する。

＜変形例２＞
上記実施形態において、画像生成部９は、各々の測距データを画素単位でグルーピングしていたが、これに代えて、画像生成部９は、複数の測距データを、各々の測距データの位置を中心とした所定範囲ごとにグルーピングするようにしてもよい。図１２は、各測距データと、その測距データの位置を中心とした所定半径の円内に含まれる他の測距データとを１つのグループとしている様子を例示している。図１２の例では、投光位置Ｌｐ０を中心とした所定半径の円ｃ１内に投光位置Ｌｐ１，Ｌｐ２、Ｌｐ３が含まれている。これらの投光位置Ｌｐ０，Ｌｐ１，Ｌｐ２、Ｌｐ３に対応する測距データが１つのグループとしてグルーピングされ、その代表値がＧ＿０である。また、投光位置Ｌｐ１を中心とした所定半径の円ｃ２内に投光位置Ｌｐ０，Ｌｐ５が含まれている。これらの投光位置Ｌｐ１，Ｌｐ０，Ｌｐ５に対応する測距データが１つのグループとしてグルーピングされ、その代表値がＧ＿１である。このようなグルーピングが、各々の測距データについてなされる。上記実施形態のように各々の測距データを画素単位でグルーピングする場合は、そのグルーピングを行うための処理が容易となる。これに対し、本変形例のように、複数の測距データを各測距データの位置を中心とした所定範囲でグルーピングする場合は、そのグループ間の測距精度の差が小さくなるという効果を奏する。

＜変形例３＞
上記実施形態では、複数の測距データの代表値は平均値又は中央値であった。これに代えて、画像生成部９は、測距データの代表値を、各々のグループにおいて最大の光量値又は閾値より大きい光量値に対応する測距データを優先的に用いて決定するようにしてもよい。つまり、１つの測距データは、距離値と光量値とのセットであるから、上記のような光量値を含む測距データを優先的に用いるということである。具体的には、各々のグループにおいて最大の光量値又は閾値より大きい光量値に対応する測距データそのものを代表値とするとか、各々のグループにおいて最大の光量値又は閾値より大きい光量値に対応する測距データに重みをつけてグループ内の測距データの平均値又は中央値を算出してこれを代表値とするといった例が考えられる。これにより、図１４を用いて説明したように、物体のエッジで反射光の光量が小さくなってしまった測距データの重みが小さくなるため、物体のエッジにおける測距精度を向上させることが可能となる。

＜変形例４＞
また、画像生成部９は、測距データの代表値を、各々グループにおいて最大の測距データ又は閾値より大きい測距データを優先的に用いて決定してもよい。具体的には、各々のグループにおいて最大の測距データ又は閾値より大きい測距データそのものを代表値としてもよいし、各々のグループにおいて最大の測距データ又は閾値より大きい測距データに重みをつけてグループ内の測距データの平均値又は中央値を算出してこれを代表値としてもよい。これにより、例えば雨、霧、砂埃等でレーザ光が反射して物体までの真の距離よりも小さい距離を測距した測距データの重みが小さくなるため、屋外における測距精度を向上させることが可能となる。

＜変形例５＞
また、画像生成部９は、複数の測距データを、各々の測距データの位置を中心とした所定範囲ごとにグルーピングする場合に、各々のグループに属する測距データの平均値又は中央値を代表値とするときは、各グループにおける中心位置から各測距データの位置までの距離に応じた重みをつけて代表値を決定するようにしてもよい。これにより、測距精度を向上させることが可能となる。

＜変形例６＞
本発明は、図１０に示す各ステップをコンピュータに実行させるように記述されたプログラムとしても観念され得る。すなわち、このプログラムは、リサージュ走査方式で測定対象物に向けて放射光を投光して得た反射光により測定対象物までの距離を表す距離画像を生成するコンピュータに、距離画像の１画素に相当する領域の数の位置に放射光を投光して複数の測距データを取得させ、取得した複数の測距データを所定の基準でグルーピングさせ、各グループに属する測距データの代表値を用いて距離画像を生成させるためのプログラムである。

１…距離画像生成装置、２…光走査部、３…走査駆動部、４…光源部、５…受光部、６…光源制御部、７…測距部、８…タイミングテーブル、９…画像生成部、１０…出力部、１１…プロセッサ、１２…メモリ、１３…ストレージ、Ｏ…物体、ｇ…画素、Ｌｐ…投光位置、ａ…非投光領域。

Claims (4)

1. リサージュ走査方式で測定対象物に向けて放射光を投光して得た反射光により前記測定対象物までの距離を表す距離画像を生成する距離画像生成装置において、
   前記距離画像の１画素に相当する領域の複数の位置に放射光を投光して複数の測距データを取得し、
   取得した複数の前記測距データを各々の前記測距データの前記距離画像上の位置を中心とした所定範囲ごとにグルーピングし、
   各グループにおける中心位置から該グループに属する各々の前記測距データの位置までの前記距離画像上の距離に応じた重みをつけて該測距データの前記測定対象物までの距離の平均値又は中央値を代表値として用いて前記距離画像を生成する距離画像生成装置。
2. 投光タイミングの時間間隔を一定に制御して、前記距離画像の１画素に相当する領域の複数の位置に放射光を投光する請求項１記載の距離画像生成装置。
3. 投光タイミングの時間間隔を可変に制御して、前記距離画像の１画素に相当する領域の複数の位置に放射光を投光する請求項１記載の距離画像生成装置。
4. リサージュ走査方式で測定対象物に向けて放射光を投光して得た反射光により前記測定対象物までの距離を表す距離画像を生成するコンピュータに、
   前記距離画像の１画素に相当する領域の数の位置に放射光を投光して複数の測距データを取得させ、
   取得した複数の前記測距データを各々の前記測距データの前記距離画像上の位置を中心とした所定範囲ごとにグルーピングさせ、
   各グループにおける中心位置から該グループに属する各々の前記測距データの位置までの前記距離画像上の距離に応じた重みをつけて該測距データの前記測定対象物までの距離の平均値又は中央値を代表値として用いて前記距離画像を生成させるためのプログラム。

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