JPH0246984B2 - Butsutaijohoshorisochi - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［技術分野］ 本発明は、物体上の複数の点と、本装置との複
数種の距離情報を導出する物体情報処理装置に関
する。

［従来技術］ 視覚センサを使つて環境を認識する技術は各種
研究されている。その多くは人間の視覚認識の機
能を模したもので、テレビカメラによつて得られ
る信号から環境の明暗、色彩の分布の特徴を抽出
し、これと記憶情報を対比することによつて行つ
ている。例えばカメラを用いて物体の形状、縁
線、色、濃淡等の解析をし、物体が何であるかの
判断をする方法がある。しかしながら、このよう
な方法は、積み木のような単純な物を認識するの
にも分オーダの時間を要し、リアルタイム処理は
不可能で、実用化は難しい状態であつた。又物体
までの距離分布をスリツト状の光束を投射するこ
とによつて計測する方法も提案されている（テレ
ビジヨン学会誌第34巻第３号、1980等）。さらに
超音波センサによつて環境対象物までの距離を測
定する方法も提案されている。しかし、明暗の分
布に基く方法では、環境を立体的に認識すること
が困難で、スリツト光投射による光切断法は立体
形状の認識には有効であるが計算処理すべきデー
タ量が多く比較的大きなコンピユータを使つても
１画面数十秒から数分の処理時間が必要である。
更にスリツト光を移動させることが必要であるた
め機構的に可動部を要し、精度の問題点が生じる
恐れがあり又、明るい環境を認識するためにはス
リツト光の光源に多くのエネルギを供給しなけれ
ばならないという欠点もあつた。

又、超音波センサを用いるものは、その特性
上、超音波の投射ビームを細くすることが難し
く、従つて像の分解能を、あげることができない
という問題点があつた。

［目的］ 以上の点に鑑み、本願発明は上記欠点を除去
し、物体上の複数の点と、本装置との複数種の距
離情報を導出する物体情報処理装置を提供するこ
とにある。

（実施例） 本発明は環境を距離の分布パターンとして立体
的に認識する方法で、簡易な処理回路を設置する
ことによつて、処理すべき情報量を大巾に減少さ
せることが可能で、小型コンピユータによつて短
時間にリアルタイムで必要情報を抽出するもので
あり、又機械的な可動部を使わないため測定繰返
し周期を短縮することも可能である。

更に光学的測定法であるため、超音波による方
法と比べ充分な横方向の分解能も得られるもので
ある。

次に、本願発明の適用が可能な視覚センサの説
明を行う。

第１図は視覚センサの１実施例の原理図であ
る。１０，１１はデイストーシヨンの充分少ない
レンズ、ｆはレンズの焦点距離、ｄは物体１２ま
での距離、Ｂはレンズ間距離、δは物体像の光軸
からのズレを示す。図から明らかなようにＢ／ｄ＝ δ／ｆ、従つてδ＝Bf／ｄ……である。

前記同様に第２図に示す視覚センサでは全反射
２面鏡１３、全反射鏡１４を用いて、物体像を自
己走査型センサアレイ１５（受光要素１５ａ）上
に結像するように構成している。なお、発光部を
用いて補助光を具備するようにしてもよい。自己
走査型センサは、例えばCCDアレイであり、10μ
程度の巾の多数個の微小セグメントの受光要素１
５ａから構成されている。自己走査型センサ１５
は、周知の如く上記の多数個の微小セグメントの
各受光要素１５ａで検知した物体像の各画素部分
の照度に対応した電気信号を予め決められた順序
に従つて、時系列信号として出力する機能を有す
るものである。なお、レンズ間距離を変えること
によつて測定精度を可変にしてもよく又、レンズ
は、１１の焦点距離を変えることによつて、横方
向の視野範囲を変えることができる。ここでは２
線１２′に関する走査出力が第３図ｂ（第３図ａ参
照）に示すように信号Ｓ−１，Ｓ−２の如き波形
として取り出されるため、２像に対応する信号Ｓ
−１，Ｓ−２の間隔を電気信号処理回路にて検知
し（第３図ｃ）、式を用いて物体までの距離測
定を行うものである。

さて、ここに示す視覚センサにあつては、以上
の様な距離測定原理に基づき自己走査型センサ
（以下センサ・アレイと略称する）を用いて、２
像の相互間隔を検知せんとするものであるが、か
様な視覚センサにおいては認識しようとする物体
空間を明確にすること、換言すれば、測定視野L_S
を何らかの手段で規定すると共に、同時にもう一
方の像をとらえる視野（これを参照視野L_Rと称
する）を規定する必要がある。ここに示すセンサ
においては、像１２の結像位置近傍に測定視野を
設定し、これに対し像１２′が物体１２の距離に
従つて移動する範囲を参照視野とする。

以上の視覚センサの原理の詳細なブロツク図を
第４図に示す。１５は前述のCCD等の自己走査
型センサアレイ（測定視野相当のセル数Ｎ、参照
視野相当のセル数Ｎ＋Ｍ−１）でクロツク制御回
路２１、駆動回路２０及びシフトクロツク、転送
クロツクにより駆動され、CCDアレイ上のデー
タは量子化回路２２によつて（例えばコンパレー
タによつて所定のしきい値と比較し、大小によつ
て０，１に分ける。）量子化する。次に測定視野、
参照視野それぞれの量子化データを各々シフトレ
ジスタ２６，２７に入れ、クロツク制御回路２１
から出力したクロツクによつてシフトさせながら
ゲート２８によつて上記それぞれの量子化データ
が合致したか否かを検出し、合致数比較回路２４
によつて上記合致数をカウンタ２４−１によつて
カウントすると共にＮ個の比較終了後カウンタ２
４−１の出力信号とラツチ２４−３に入力され
る。当然ながら最初にラツチ回路２４−３はクリ
アされている。Ｎ個の値の比較をシフトレジスタ
２６，２７によつてシフトさせながら行つた後、
シフトレジスタ２７は値を１つすすめて今度は２
番目からＮ＋１番目までの値を再びシフトレジス
タ２６のＮ個の値と順に比較していく。３回目は
３番目からＮ＋２番目をシフトレジスタ２６のＮ
個と比較する。これをＭ回繰り返し、最後はＭ番
目から（Ｍ＋Ｎ−１）番目の値の比較を行う。つ
まり、Ｎ個の比較を、１つづつＭ回ずらしながら
行う。合致位置は合致位置検出回路２３において
このＮ個の比較の回数（≦Ｍ）をカウントすると
共に合致数比較回路２４のコンパレータ２４−２
のＡ＞Ｂの出力が出るごとに回数をラツチすれば
最も合致数の多かつた回数が最終的に得られ、こ
の値が合致位置に対応する。次に物体情報信号出
力回路２５においてこの合致回数即ち合致位置の
値を用い、式の関係より物体との距離が求めら
れる。その距離情報はCPU、メモリ等に出力さ
れる。

次に、視覚センサの走査方法について述べる。
第５図は視覚センサの制御ブロツク図である。３
０は視覚センサを選択走査するためのスキヤナ、
３１は距離情報等のパターンを記憶するためのメ
モリ、３２はセンサを制御すると共に演算処理等
を行うためのCPUである。

以上の説明に基づいて、本願発明適用の１実施
例について説明する。第６図は、本願発明適用の
１実施例である視覚センサの構成ブロツク図であ
る。４１，４２は対物レンズ、４３，４４，４５
は全反射鏡、４６はポジマスク、４８はネガマス
ク、４７，４９はコンデンサレンズ、４０は半透
明鏡、５１は結像レンズ、５２は１ラインの画像
を画素単位で読取るCCD等のフオトセンサであ
る。

上記構成において、認識すべき環境の像は所定
の間隔をおいて設けた対物レンズ４１，４２を介
して、それぞれマスク４６，４８の近傍に結像す
る。マスク４６は第７−１図にその一部を拡大し
て示したように、例えば透明なガラス板の上にモ
ザイク状に不透明部分４６ｂを設けたものであ
る。マスク４８は第７−２図に示したようにマス
ク４６の透明部４６ａと不透明部４６ｂを反転さ
せたもので、４８ａは透明部、４８ｂは不透明部
である。

第８図は、前記第６図に示した視覚センサの模
式図である。６０は環境（物体）像である。なお
ここでは簡単に２次元で説明したが、実際は３次
元の物体である。又、４１，４２は前述の対物レ
ンズ、以下同様に４３，４４，４５は全反射鏡、
４６はポジマスク、４８はネガマスク、４０は半
透明鏡、５１は結像レンズ、５２は１ラインの画
像を画素単位で読みとるフオトセンサである
CCD（第８図では３ライン）及びCCD上にレンズ
５１によつて結像される物体像である。なおフオ
トセンサはCCDである必要はなく、又、面状セ
ンサであつてもよく、ライン数もこれに限る必要
はない。なお、マスク４６及び４８は、両者の透
明部と不透明部が合うように構成しておく。更に
物体像は、レンズ４１からの像とレンズ４２から
の像は同一部分（本実施例ではＢとＤがCCD５
２上に、それぞれ２個存在している。）を含み、
走査線方向にずれて結像するように構成する。そ
の結果フオトセンサ５２上にはレンズ４１，４２
からの両光路を経た像が重なることなく交互に並
べられる。そしてフオトセンサ５２上の走査線の
方向と交互に並べられるモザイクマスクの配列方
向を合わせることによつて、フオトセンサの同一
走査線上にレンズ４１，４２による両光路からの
同一物体像を例えば第８図のＢ又はＤの様に隣接
して投影することができる。なお、物体像は複数
の走査線上に投影されてもよい。そして、以上の
様にして得られた隣接する同一物体像について、
第１図〜第４図に示した距離測定の原理に基づい
て距離情報を検知することができる。

次に、フオトセンサ５２であるCCDの説明を
する。第９図は、CCD上に投影される像の一部
を示す図で、それぞれ６１−１，６１−２，６１
−３，６１−４のブロツクが第２図〜第４図にお
いて、説明したセンサアレイ１５にそれぞれ相当
するものである。第９図においては、CCD５２
上に物体像「Ｂ」が、走査線４本にまたがつて投
影される例を示したが、その数は、読取り精度、
速度等によつて何本であつてもよい。なお６１−
５は第３図、第４図において説明した測定視野
で、６１−６は参照視野に相当する。本実施例で
は、測定視野６１−５は32ビツト、参照視野６１
−６は94ビツトである。よつて分割数は６２であ
るが、この分割数は距離測定精度によつて、任意
に可変となるよう構成すればよい。又、面CCD
５２の大きさはＹ方向6.6mm、Ｘ方向8.8mmで、走
査ラインはＸ方向757ライン、Ｙ方向245ラインで
構成されている。なおこの構成に限る必要はな
い。又、第９図にはＸ方向、Ｙ方向にそれぞれ６
１−１，６１−２，６１−３，６１−４，６２−
１と同様の不図示のブロツクが多数存在してい
る。

次に上記複数のブロツクを有するCCD５２に
おける走査の切換制御の説明を行う。第４図にお
いて説明したように、１ブロツクにおける距離情
報を得るためには、Ｎ×Ｍ個のクロツクが必要で
ある。そして、このクロツク数をカウントして第
４図のクロツク制御回路２１により、走査すべき
ブロツクを、例えば第９図の６１−１から６２−
１に更に６１−２に切換えるというように、所定
のエリアについてスキヤンするよう切換制御す
る。

次に以上の視覚センサを用いたロボツトのシス
テムブロツク図を第１０図に示す。５２は前述の
フオトセンサ（CCD）、７０はＡ／Ｄ変換器、７
１はスイツチング回路で、上記CCD５２のセン
サブロツクを選択し、視覚センサブロツク処理回
路７２において、物体の距離情報を得るものであ
る。検知された距離情報は７３のRAM上に距離
パターンとして書き込まれる。３２はCPUで、
７４はマツプメモリである。マツプメモリ７４
は、過去の距離パターン又は指令用のマツプが格
納されており、マツプメモリ７４上の距離パター
ンと現在の距離パターンとを比較し、最適のアー
ム制御、移動制御等を行うものである。なお
CPU３２は、複数のプロセツサを有し、各種デ
ータをそれぞれプロセツサで同時、並行的に処理
する非ノイマン系のコンピユータであつてもよ
い。又、外部からの指令信号を受けるためのター
ミナルを有していてもよい。更に、移動の方向、
速度、距離等のセンサ、あるいは演算処理部から
のデータと上記距離パターンからの情報に基づい
て駆動制御７５、アーム制御７６を行うようにし
ている。

前記実施例では視覚センサブロツク処理回路を
複数並置した例を示したが、これは処理時間と
CCD走査時間との整合をとるためのもので距離
算出処理の高速化、又はCCD走査速度の調整に
よつては複数並置しなくても良い。又、Ａ／Ｄコ
ンバータ７０とスイツチング回路７１との順序が
逆であつてもよい。

又、距離情報が得られるため高速の飛翔物を正
確に避けたり捕捉したり、自動車等において障害
物を避けるためのセンサとして使用したりするこ
ともできる。その他用途はこれに限る必要はな
い。

以上説明したように、機械的に移動する部分を
使わずに、視野内の環境対象物までの距離の分布
を、超音波測定に比べて特に横方向に高い分解能
をもつて測定することができ、又二つの光路を通
つた同一対象物の像がフオトセンサ上に隣接して
結ばれるので、これまでステレオ法（TV学会誌
第34巻第３号、1980P211）で対応点の照応が困
難とされていた問題が解決する。さらに演算処理
を並列に行うことも可能で非ノイマン系のコンピ
ユータを搭載することもでき、又ロボツトに必要
な高速処理も可能になる。以上、詳述したように
距離の分布を計測することは対象を立体的に認識
する上に有効で、特にロボツトの眼、盲人の歩行
補助具用センサ等に実用可能である。

以上詳述したように、簡単な回路構成で環境を
距離のパターンとして立体的に認識することが可
能な物体情報処理装置を提供することが可能とな
つた。

［効果］ 以上詳述した様に、本発明により、物体上の複
数の点と、本装置との複数種の距離情報を導出す
る物体情報処理装置を提供することが可能となつ
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は、視覚センサの原理を示す図である。
第２図は、視覚センサの構成を示す図である。第
３図は、視覚センサの距離信号を示す図である。
第４図は、視覚センサの詳細なブロツク図を示す
図である。第５図は、視覚センサの走査方法を示
す図である。第６図は、本発明適用の１実施例で
ある視覚センサの構成ブロツク図である。第７−
１図は、マスク４６の説明図である。第７−２図
は、マスク４８の説明図である。第８図は、視覚
センサの模式図である。第９図は、フオトセンサ
５２上の走査ブロツクの説明図である。第１０図
は、ロボツトのシステムブロツク図である。 ２１はクロツク制御回路、４６，４８はマス
ク、３２はCPU、７２は視覚センサブロツク処
理回路、５２は視覚センサ、７３は距離パターン
用RAM。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 物体上の複数の点からの光情報を参照視野と
   測定視野の為の複数の光路を経て、結像面上に結
   像させる為の光伝導手段、 前記光伝導手段による前記光路内に設けられ、
   光学的に複数の領域の分割を行なう領域分割手
   段、 前記領域分割手段によつて分割される前記複数
   の領域を、前記参照視野及び前記測定視野の組の
   複数として、前記結像面上に形成する形成手段、 前記形成手段によつて得られる前記参照視野及
   び測定視野の領域に結像される、物体上の複数の
   点の各々からの光情報に基づいて、前記物体上の
   複数の点と本装置との複数種の距離情報を導出す
   る導出手段、 とを有したことを特徴とする物体情報処理装置。