JPH1038559A - 距離測定方法 - Google Patents

距離測定方法

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JPH1038559A
JPH1038559A JP19588996A JP19588996A JPH1038559A JP H1038559 A JPH1038559 A JP H1038559A JP 19588996 A JP19588996 A JP 19588996A JP 19588996 A JP19588996 A JP 19588996A JP H1038559 A JPH1038559 A JP H1038559A
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JP
Japan
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lens
subject
distance
image sensor
image
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JP19588996A
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Mitsuhiro Fukuoka
三洋 福岡
Kenichi Kaita
健一 戒田
Shunichiro Oe
俊一郎 大恵
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光学的距離測定において、被写体や計測環境
に関係なく高精度で距離を測定する距離測定方法を提供
するものである。 【解決手段】 被写体1からの反射光を集光する固定さ
れたレンズ2と、前記レンズ2の像面に配置され、光軸
に沿って移動可能な前記レンズ2を介して前記被写体を
撮像するCCD3からなり、CCD3を所定の間隔幅で
移動して得られる画像系列の中の被写体の大きさ及び位
置を補正した後、所定の画像中の小領域に対して、評価
関数を計算して、その評価関数の最大値を零交差点法に
より求めることにより高精度に合焦点位置を求めて、被
写体と前記レンズ間の距離を測定することを特徴とした
ものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、結像レンズと撮像
素子を用いた距離測定方法(G03B 3/04)に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、レンズと撮像素子を用いて距離を
測定する方法として、ステレオ法と光投影法がある。ス
テレオ法は、図9において、複数のカメラ4で被写体1
を撮影した2枚以上の画像に対して、公知の両眼立体視
法の原理を用いて距離を求める方法で、まず、複数のカ
メラ4で撮影された画像より対応点を探索し、それらの
対応点が求まると、対応点の座標、複数のカメラ4の幾
何学的配置等から被写体1の形状を算出する。
【0003】また、光投影法は、図10において、被写
体1にスリット光源6よりスリット光7を照射する。ス
リット光7は、レーザ光等の高輝度の光源を用い、投影
されたスリット光7を、スリット光源6と別の方向から
のカメラ4で観測すると、被写体1の表面形状に沿って
変調されたスリット像が得られる。このスリット光7の
変形量、基線長及び変調されたスリット光5とカメラ4
の幾何学的配置から被写体1の形状を算出するものであ
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の構成では、被写体や計測環境によって計測が困難な場
合や、あるいは、不可能な場合がある。これは、ステレ
オ法では、被写体表面上のパターンによっては対応点探
索が困難であり、距離測定が不可能な場合がある。ま
た、光投影法は被写体にスリットなどの光源を投影して
距離を求める方法であるため、自然光の下で計測が難し
いという問題点がある。
【0005】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明の距離測定方法は、被写体からの反射光を集
光する固定されたレンズと、そのレンズの光軸に沿って
移動可能であり、前記レンズを介して照射される前記被
写体像に応じた映像信号を発生する撮像素子からなり、
前記撮像素子を所定の間隔幅で移動して得られる前記撮
像素子上の被写体像列の前記撮像素子上の予め定められ
た領域に対応する映像信号の変化に、前記撮像素子の変
化によって起こる被写体像の大きさと位置の変化分に予
め定められた線形補間修正を施した後、その修正された
映像信号の変化に応じた評価関数を計算し、その評価関
数の変化より前記予め定められた領域における合焦点位
置を決定し、その合焦点位置における前記レンズと撮像
素子の距離に基づいて前記被写体とレンズ間の距離を算
出することを特徴としたものである。
【0006】本発明によれば、被写体や計測環境に関係
なく、高精度に被写体までの距離を計測することが可能
になる。
【0007】
【発明の実施の形態】本発明の請求項1に記載の距離測
定方法は、被写体からの反射光を集光する固定されたレ
ンズと、そのレンズの光軸に沿って移動可能であり、前
記レンズを介して照射される前記被写体像に応じた映像
信号を発生する撮像素子からなり、前記撮像素子を所定
の間隔幅で移動して得られる前記撮像素子上の被写体像
列の前記撮像素子上の予め定められた領域に対応する映
像信号の変化に、前記撮像素子の変化によって起こる被
写体像の大きさと位置の変化分に予め定められた線形補
間修正を施した後、その修正された映像信号の変化に応
じた評価関数を計算し、その評価関数の変化より前記予
め定められた領域における合焦点位置を決定し、その合
焦点位置における前記レンズと撮像素子の距離に基づい
て前記被写体とレンズ間の距離を算出することを特徴と
したものであり、被写体や計測環境に関係なく、高精度
に被写体までの距離を計測することができる。
【0008】本発明の請求項2に記載された距離測定方
法は、請求項1において、被写体からの反射光を集光す
る固定されたレンズと、そのレンズの光軸に沿って移動
可能であり、前記レンズを介して照射される前記被写体
像に応じた映像信号を発生する撮像素子からなり、前記
撮像素子を所定の間隔幅で移動して得られる前記撮像素
子上の被写体像列の変化に伴う前記撮像素子上の予め定
められた領域に対応する映像信号の変化に応じた評価関
数をそれぞれ計算し、その最大の評価関数とその最大の
評価関数に連続する前後の評価関数との差分をそれぞれ
算出し、それぞれの差分を前記最大評価関数を得た際の
前記撮像素子の位置と前後の評価関数を得た際の前記撮
像素子の位置との中間点の値とし、その両者を結ぶ線の
零交差点を求め、その零交差点を前記予め定められた領
域における前記撮像素子の合焦点位置と決定し、その合
焦点位置における前記レンズと撮像素子の距離に基づい
て前記被写体とレンズ間の距離を算出することを特徴と
したものであり、合焦点位置を正確に決定することが出
来、被写体の各部の距離を高精度で測定出来る。
【0009】本発明の請求項3に記載の距離測定方法
は、請求項1において、前記評価関数は、予め定められ
た領域を含む近傍画素の濃度値の差分の和の計算値、ま
たは、近傍画素の濃度値の勾配の計算値、または、近傍
画素の濃度値の分散の計算値より算出されることを特徴
としたものであり、被写体や計測環境に関係なく良好な
合焦点位置検出精度を得ることが出来る。
【0010】(実施の形態1)以下に、本発明の請求項
1及び請求項2及び請求項3に記載された発明の実施の
形態について、図1から図3を用いて説明する。図1
は、本発明の距離測定方法における距離計測の原理を説
明するための図であり、1は、大きさaの被写体、2は
被写体1から距離lだけ離れて位置する固定されたレン
ズ、3は前記レンズ2より、距離xだけ離れて位置する
通常CCDよりなる撮像素子(以後CCDを用いる)
で、レンズ2を固定し、CCD3を光軸に沿って一定間
隔幅で移動させながら順次画像を撮影し、画像系列を取
得し、この画像系列の中から後述する合焦点方法により
得られた合焦点位置とレンズ公式を用いて、被写体まで
の距離を測定するものである。
【0011】図1において、大きさaの被写体から焦点
距離fのレンズまでの距離をl、生成される像の大きさ
をzとすると、レンズ公式より、 1/l+1/x=1/f lz=ax が成立する。本発明の距離測定法は、レンズの位置を固
定しCCDを移動しながら、被写体の最も焦点の合う位
置を検出する方法を採用しているので、その位置とレン
ズ間の距離xを計測すれば、前記のレンズの公式より、
被写体とレンズ間の距離lを求めることが出来る。
【0012】次に、本発明の距離測定法に用いる合焦点
方法を説明する。図2において、図1と同一部分には同
一符号を付してあり、光軸に沿ってCCDを移動しなが
ら画像系列1〜Nから合焦点位置pを検出するための方
法を以下に説明する。 (1)SMD(Sum Modulus Difference )法 SMD法は、焦点が合っている時に撮像された画像は、
画像内のエッジ特徴が鮮明となるため、全体的に濃度差
の大きな部分が多くなる。そこで、濃度の空間微分処理
を用いて、その全体的な濃度差を評価することにより、
焦点合わせの評価基準とすることができる。今、画像上
の任意の点(i,j)における画素の濃度値をf(i,
j)とし、i方向の一次差分を Δi f(i,j)=f(i,j)−f(i−1,j) j方向の一次差分を Δj f(i,j)=f(i,j)−f(i,j−1) と定義すると、i軸に沿った近傍画素値の差分の和SM
Di は、
【0013】
【数1】
【0014】で計算される。同様にj軸に沿った近傍画
素値の差分の和SMDj は、
【0015】
【数2】
【0016】を計算し、それらの合計をSMDとし、評
価関数とするとSMDは以下のようになる。 SMD=SMDi +SMDj このSMD値が最大になる時が最も焦点の合った画像位
置となる。 (2)勾配法 つぎに、勾配法は、前述のように、焦点合わせの評価は
エッジ特徴によるところが大きい。そこで画像上の画素
の濃度値を用いて勾配を計算し、その和を評価関数とす
る。
【0017】勾配の大きさは、
【0018】
【数3】
【0019】と定義される。しかし、点(i,j)のご
く近傍の濃淡値のみを用いるため、雑音の影響を受けや
すい。そこでSobelオペレーター
【0020】
【数4】
【0021】を用い、勾配の大きさをS(i,j)を
【0022】
【数5】
【0023】と定義する。そして、評価関数として
【0024】
【数6】
【0025】を用い、この値が最大値をとるときの画像
位置が最も合焦点位置の画像とする。 (3)分散法 つぎに、分散法は、画像が“ぼけ”ていれば、小領域内
の画素値のばらつきが小さくなるため分散値は小さい。
逆に、その画像が鮮明であれば分散値は大きい。そこ
で、分散値が最大となる画像を最も焦点の合った画像位
置とする。分散値は
【0026】
【数7】
【0027】で計算され、評価関数とする。ここで、
【0028】
【数8】
【0029】である。次に、正確な焦点位置決定方法に
ついて説明する。本手法は、CCDを一定間隔幅tで移
動しながら取得された画像系列の個々の画像を小領域に
分割し、その全ての小領域に対して前述の評価関数を適
用する。図3(a)において、F(xi)は、評価関
数、xiはレンズ中心からCCDまでの距離を表し、そ
して、その評価関数F(xi)が画像系列の方向に対し
て最大値あるいは最小値をとる画像を探索し、その位置
xopt をその小領域の部分の焦点が合った位置とする。
しかし、CCDを連続でなく一定間隔で移動しているた
め、図3(a)のF(xi)に示すように、評価関数F
(xi)が最大値または最小値を取る位置が正確な焦点
位置xopt とは限らない。CCDの移動距離tを小さく
すれば、精度よくxopt を求めることが可能であるが、
画像枚数が非常に多くなり、計算量が膨大になるので、
本手法では、以下の方法を用いてxopt の近似値を求め
る。
【0030】いま、CCDの位置xiにおける焦点位置
評価関数をF(xi)とし、位置xiと位置xi+1 にお
ける評価関数の差分を求め、それを2つの位置の中間位
置yjの評価関数を図3(b)に示すΔ(yj)とす
る。すなわち yj=(xi+xi+1 )/2 Δ(yj)=F(xi)−F(xi+1 ) である。図3(b)に示すように、このΔy(yj)の
零交差点位置を求め、これを近似的にxopt とすること
により、高精度に合焦点位置を求めることが出来る。
【0031】すなわち、CCDを所定の間隔幅で移動し
て得られる前記CCD上の被写体像列の変化に伴う前記
CCD上の予め定められた小領域に対応する映像信号の
変化に応じた評価関数をそれぞれ計算し、その最大の評
価関数とその最大の評価関数に連続する前後の評価関数
との差分をそれぞれ算出し、それぞれの差分を前記最大
評価関数を得た際の前記CCDの位置と前後の評価関数
を得た際の前記撮像素子の位置との中間点の値とし、そ
の両者を結ぶ線の零交差点を求め、その零交差点を前記
予め定められた領域における前記CCDの合焦点位置と
決定し、その合焦点位置における前記レンズとCCDの
距離に基づいて前記被写体とレンズ間の距離を算出する
ことにより合焦点位置を正確に決定することが出来、被
写体の各部の距離を高精度で測定出来る。
【0032】次に、画像系列の補正法について説明す
る。CCD上に投影される被写体の像の大きさとその位
置はCCDの位置xによって異なってくる。すなわち、
図4において、被写体の大きさをa、被写体とレンズと
の距離をl、レンズとCCDとの距離x0での像の大き
さをz1、以降tだけレンズから離れていく時の像の大
きさをz2、z3とすると lz1=ax0 lz2=a(x0+t) lz3=a(x0+2t) が成立する。すなわち、 z1:z2:z3=x0:(x0+t):(x0+2
t) であり、画像位置x0とCCDの移動間隔tから、各位
置での画像の拡大または縮小倍率を計算することが出来
る。このようにして得られた倍率を用いて、線形補間に
より、各位置での画像において、被写体が画像上の同じ
位置に、しかも同じ大きさに写るように補正を行うこと
が出来、各位置での画像において合焦点位置を求めるこ
とが出来るとともに、各位置での距離を正確に算出する
ことが出来る。
【0033】次に、本発明の距離測定法を用いた三次元
立体物の距離測定法についてSMDを利用した例を説明
する。図5において、1は被写体である円錐体、CCD
3は説明を簡単にするため、POS1、POS2、PO
S3の3つの位置で得られる画像に前述した画像の大き
さの補正を行った後の画像系列を用い、得られた画像系
列を図6に示す。図6から分かるようにPOS1では、
合焦点位置は円錐の下部に近い部のF1であり、POS
2では、円錐の中間部F2、POS3では、円錐の中心
部F3である。
【0034】図7、図8は、図6の円錐体の3枚の撮影
画像より、SMD法により、濃度の空間微分値を計算し
て模式的に示した図であり、画像上の任意に分割された
小領域の画素(i,j)に着目し、その画素点(i,
j)の近傍画素の差分の和を計算したものである。そし
て、画像系列の個々の画像の小領域に対し、前記差分の
和を計算し、その全ての小領域に対して計算された差分
の和を示したもので、POS1では円錐の下部に相当す
る部分の差分の和の値が大きく、POS2では中間部、
POS3では中心部で値が大きくなる。従って、実際の
測定では、CCDの移動距離を微小にして画像枚数を多
くすることにより、合焦点位置での距離測定を正確に行
うことが出来る。
【0035】この際に、本距離測定法の特徴であるCC
D移動に伴って画像中の被写体の大きさと位置を補正
し、合焦点位置を正確に得るために零交差位置を求める
方法を用いることにより、高精細な距離測定法を実現す
るものである。具体的には、図5において、高さ50m
m、底面の直径32mmの円錐体を、レンズの中心位置
と被写体間の距離577mmの位置に設置し、CCD素
子を0.03mmの間隔で平行移動しながら、画像を撮
影し、画像の大きさの補正を行った後、40枚からなる
画像系列を作成し、近傍画素として10×10の画素を
用いたSMD法に線形補間と零交差点を用いて合焦点を
求めて、距離測定を行った結果、円錐体の高さとして、
49.996mmと精度の良い値を得ることが出来た。
【0036】もちろん、小領域の大きさ及び近傍画素数
の決め方は、被写体の空間的分解能の大きさを考慮する
必要があることは当然である。
【0037】
【発明の効果】以上のように、本発明の距離測定方法に
よれば、ステレオ法のように被写体パターンにより対応
点が困難な場合においてもパターンの種類に影響を受け
ず、また光を投影しないため自然光の下でも正確な合焦
点位置を決定することが出来、高精度な距離測定を可能
にする距離測定方法を提供出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の距離測定方法の原理を模式的に示す図
【図2】本発明の距離測定方法における焦点位置探索の
原理を模式的に示す図
【図3】本発明の実施の形態に使用される零交差点によ
る焦点位置決定法を示す図
【図4】本発明の実施の形態による距離測定方法を示す
【図5】本発明の実施の形態の距離測定方法による円錐
体の距離測定の配置図
【図6】本発明の実施の形態の距離測定方法による円錐
体の距離測定時の評価関数を示す図
【図7】本発明の実施の形態の距離測定方法による評価
関数を得るための近傍画素を示す図
【図8】本発明の実施の形態の距離測定方法によるCC
Dの各位置における評価関数を示す図
【図9】従来の距離測定方法であるステレオ法を示す図
【図10】従来の距離測定方法である実施の形態の光投
影法を示す図
【符号の説明】
1 被写体 2 レンズ 3 撮像素子(CCD) 4 カメラ 5 カメラの視野 6 スリット光投影装置 7 スリット光

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被写体からの反射光を集光する固定され
    たレンズと、そのレンズの光軸に沿って移動可能であ
    り、前記レンズを介して照射される前記被写体像に応じ
    た映像信号を発生する撮像素子からなり、前記撮像素子
    を所定の間隔幅で移動して得られる前記撮像素子上の被
    写体像列の前記撮像素子上の予め定められた領域に対応
    する映像信号の変化に、前記撮像素子の変化によって起
    こる被写体像の大きさと位置の変化分に予め定められた
    線形補間修正を施した後、その修正された映像信号の変
    化に応じた評価関数を計算し、その評価関数の変化より
    前記予め定められた領域における合焦点位置を決定し、
    その合焦点位置における前記レンズと撮像素子の距離に
    基づいて前記被写体とレンズ間の距離を算出することを
    特徴とする距離測定方法。
  2. 【請求項2】 被写体からの反射光を集光する固定され
    たレンズと、そのレンズの光軸に沿って移動可能であ
    り、前記レンズを介して照射される前記被写体像に応じ
    た映像信号を発生する撮像素子からなり、前記撮像素子
    を所定の間隔幅で移動して得られる前記撮像素子上の被
    写体像列の変化に伴う前記撮像素子上の予め定められた
    領域に対応する映像信号の変化に応じた評価関数をそれ
    ぞれ計算し、その最大の評価関数とその最大の評価関数
    に連続する前後の評価関数との差分をそれぞれ算出し、
    それぞれの差分を前記最大評価関数を得た際の前記撮像
    素子の位置と前後の評価関数を得た際の前記撮像素子の
    位置との中間点の値とし、その両者を結ぶ線の零交差点
    を求め、その零交差点を前記予め定められた領域におけ
    る前記撮像素子の合焦点位置と決定し、その合焦点位置
    における前記レンズと撮像素子の距離に基づいて前記被
    写体とレンズ間の距離を算出することを特徴とする距離
    測定方法。
  3. 【請求項3】 前記評価関数は、予め定められた領域を
    含む近傍画素の濃度値の差分の和の計算値、または、近
    傍画素の濃度値の勾配の計算値、または、近傍画素の濃
    度値の分散の計算値より算出されることを特徴とする請
    求項1記載の距離測定方法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007526457A (ja) * 2004-03-01 2007-09-13 イアティア イメージング プロプライアタリー リミティド 深度情報を含む画像の生成方法と装置
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