JPWO2019198789A1 - オブジェクト識別システム、自動車、車両用灯具、オブジェクトのクラスタリング方法 - Google Patents

オブジェクト識別システム、自動車、車両用灯具、オブジェクトのクラスタリング方法 Download PDF

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Abstract

3次元センサ20は、複数の点それぞれまでの距離を示す点群データS1を生成する。演算処理装置40は、点群データS1のうち1つのレイヤを形成する点群にもとづいてオブジェクトをクラスタリングする。

Description

本発明は、オブジェクト識別システムに関する。
自動車のセンサとして、LiDAR(Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging)、カメラ、ミリ波レーダ、超音波ソナーなどが候補として挙げられる。このなかでLiDARは、そのほかのセンサと比較して、(i)点群データによる物体認識が可能であること、(ii)アクティブセンシングであるが故の悪天候時にも高精度な検出が可能であること、(iii)広範囲の測定が可能であること、などの利点を有しており、今後、自動車のセンシングシステムにおける主流となることが期待されている。
図1は、LiDAR2を用いた測距システム1を示す図である。LiDAR2は、垂直方向にN本の解像度を有し、各レイヤL〜Lは、水平方向にΔθ度の解像度を有する。LiDAR2から出射した光は、オブジェクトOBJより反射される。LiDAR2が生成する点群データは、LiDAR2と各点pとの距離rを表す。
点群データは、オブジェクトの形状を表すため、点群データを処理することにより、オブジェクトの種類(車両、歩行者など)を判定できる。
LiDARが生成する点群データにもとづくオブジェクトの識別では、その前処理として、点群データを、オブジェクトごとに切り分けるクラスタリングが行われる。図2は、従来のクラスタリングのアルゴリズムを説明する図である。図2には、測定系を上方から見た平面図が示される。このアルゴリズムでは、点群データの中のある点(着目点という)に着目したときに、着目点を中心とした半径rの球に含まれる点を、同じクラスタに分類する。このアルゴリズムは、自動運転システム用オープンソースソフトウェアとして知られるAutowareにおいても採用されている(非特許文献1)。
この例では、同じレイヤ上の5つの点p〜pを簡略化して示しており、点p〜pがオブジェクトOBJ1上に位置し、点p,pがオブジェクトOBJ2上に位置している。点pは、点pを中心とした半径rの球に含まれており、点pは点pを中心とする半径rの球に含まれているから、点p〜pは、同一クラスタと判定される。また、点pは、点pを中心とした半径rの球に含まれているから、点p,pは、同一クラスタと判定される。点pと点pの距離はrより大きいため、点p〜pと、点p,pは異なるオブジェクトとされる。
特開2017−56935号公報 特開2009−98023号公報
自動運転ソフトウェア:Autoware、[online]、名古屋大学、インターネット<URL:https://www.pdsl.jp/fot/autoware/>
本発明者は、従来のクラスタリングアルゴリズムについて検討した結果、以下の課題を認識するに至った。
<第1の課題>
LiDARによって取得されるのは、LiDARと各点pの間の距離rであるところ、このアルゴリズムでは、点pと点pの距離を計算する必要があり、計算コストが高くなる。
また図2では、同じレイヤ上の点同士を比較しているが、異なる高さの点同士も比較する必要がある。点群データがM×N個のマトリクスで与えられる場合、2点の組み合わせは、M×N=(M×N)(M×N−1)/2であるから、測距点の数が増えると計算コストが爆発的に増加する。kd−treeなどの探索アルゴリズムを用いたとしても、処理には高速なプロセッサが必要となる。
<第2の課題>
図3(a)は、測距システム1を横から見た図である。車載あるいは交通インフラに識別システムを実装する場合、LiDARからオブジェクトまでの距離は、数m〜数百mの範囲で変化する。オブジェクトOBJ’までの距離が遠い場合、下の方のレイヤの大半はオブジェクトOBJ’ではなく地面に照射されることとなる。したがってすべての測距点を探索対象とすることは場合によっては無駄である。
<第3の課題>
図3(b)は、測距システム1を上から見た図である。図3(b)のようなケースでは、点pと点pは、同じオブジェクトOBJ2上の点であるにも関わらず、それらの距離は半径rより大きくなる。したがって点pと点pは、別クラスタ6_2,6_3と誤判定される。
本発明は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、少ない演算量でクラスタリング可能なシステム、装置、方法の提供にある。
本発明のある態様は、複数の点それぞれまでの距離を示す点群データを生成する3次元センサと、点群データのうち1つのレイヤを形成する点群にもとづいてオブジェクトをクラスタリングする演算処理装置と、を備える。
本発明によれば、少ない演算量でクラスタリングが可能となる。
LiDARを用いた測距システムを示す図である。 従来のクラスタリングのアルゴリズムを説明する図である。 図3(a)は、測距システムを横から見た図であり、図3(b)は、測距システムを上から見た図である。 実施の形態に係るオブジェクト識別システムのブロック図である。 クラスタライズを説明する図である。 水平レイヤに基づくクラスタリングの具体例を示す図である。 しきい値thと距離rの関係の一例を示す図である。 クラスタライズ部の処理の一例を示すフローチャートである。 図9(a)、(b)は、図8のフローチャートに基づくクラスタリングを説明する図である。 クラスタライズ部の処理の別の一例を示すフローチャートである。 オブジェクト識別システムを備える自動車のブロック図である。 オブジェクト識別システムを備える車両用灯具を示すブロック図である。
(実施の形態の概要)
本明細書に開示される一実施の形態は、オブジェクト識別システムに関する。オブジェクト識別システムは、複数の点それぞれまでの距離を示す点群データを生成する3次元センサと、点群データのうち1つのレイヤを形成する点群にもとづいてオブジェクトをクラスタリングする演算処理装置と、を備える。
交通に関連して識別すべきオブジェクトの多くは、地面に接してそれより上方に位置する。つまり、同じ位置に上下に2個の異なるオブジェクトが存在することは基本的には生じない。そこで、適切な高さのレイヤのみに着目してクラスタリングを行うことで、演算量を大幅に減らすことができる。
1つのレイヤは、3次元センサから実質的に水平に位置してもよい。言い換えれば、1つのレイヤは、3次元センサからの仰俯角が実質的にゼロのレイヤである。これにより、オブジェクトまでの距離に関わらず、当該レイヤの地面からの高さを実質的に一定とすることができる。また、車載用途においてヘッドライトやバンパーの高さに3次元センサを設置した場合、1つのレイヤは、人間の脚(もしくは腰)、車両のヘッドライトやバンパーの高さを横切ることになるため、識別すべきオブジェクトを確実に捉えることができる。
演算処理装置は、1つのレイヤを形成する点群のうち隣接する2点に着目したときに、各点までの距離の差がしきい値より小さいときに、2点を同一クラスタと判定してもよい。これにより、2点間の距離を演算する必要がなくなるため、演算量をさらに減らすことができる。
LiDARなどの3次元センサは、水平方向に放射状にレーザビームを放射する。あるオブジェクトがLiDARに近いとき、隣接する2本のレーザビームは、オブジェクト上の、距離が相対的に近い2点に照射され、そのオブジェクトがLiDARから遠ざかると、同じ隣接する2本のレーザビームが照射される2点の距離は遠ざかる。そこでしきい値は、距離に応じて可変とするよく、しきい値は、距離が遠いほど大きくてもよい。しきい値は、同一クラスタに含まれる点までの距離の平均値に応じていてもよい。
演算処理装置は、間隔が所定値以下の非隣接関係にある第1点と第2点に着目したときに、第1点までの距離と第2点までの距離の差がしきい値より小さいときに、第1点と第2点を同一クラスタと判定してもよい。非隣接の2点についても比較対象とすることで、ノイズの影響を抑制できる。また探索範囲を所定値をパラメータとして制限することで、演算量の増加を抑制できる。
(実施の形態)
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
図4は、実施の形態に係るオブジェクト識別システム10のブロック図である。このオブジェクト識別システム10は、自動車やバイクなどの車両に搭載される車載用であり、車両の周囲に存在するオブジェクトOBJの種類(カテゴリともいう)を判定する。
オブジェクト識別システム10は、主として3次元センサ20および演算処理装置40を備える。3次元センサ20は、前方のオブジェクトOBJの表面上の複数の点までの距離を示す点群データS1を生成する。オブジェクトOBJからの反射が測定できない点については、所定値(負、ゼロあるいは無限大)として測定される。
演算処理装置40は、点群データS1にもとづいて、オブジェクト識別システム10の前方に存在するオブジェクトOBJ1,OBJ2・・・の種類を判定する(カテゴライズ)。カテゴライズの前処理として、点群データS1を、オブジェクトOBJ1,OBJ2,…ごとのサブデータS2_1,S2_2,…に切り分ける処理が行われる(クラスタライズという)。
3次元センサ20は特に限定されないが、歩行者など凹凸の小さいオブジェクトを正確に識別したい場合には、LiDARを用いることが好ましい。LiDARの構成は特に限定されず、走査型、非走査型であるとを問わない。
演算処理装置40は、CPU(Central Processing Unit)やGPU(Graphics Processing Unit)、マイコンなどのプロセッサ(ハードウェア)と、プロセッサ(ハードウェア)が実行するソフトウェアプログラムの組み合わせで実装することができる。演算処理装置40は、複数のプロセッサの組み合わせであってもよい。
演算処理装置40は、メモリ42、クラスタライズ部44、切り出し部46、カテゴライズ部48を含む。点群データS1は、メモリ42に格納される。クラスタライズ部44は、各オブジェクトOBJが存在する水平方向の位置(範囲)を判定する。
切り出し部46は、クラスタライズ部44のクラスタライズの結果にもとづいて、点群データS1を、オブジェクトごとのサブデータS2に切り分ける。
カテゴライズ部48は、サブデータS2_1,S2_2,…それぞれについて、それに含まれるオブジェクトの種類を判定する。
図5は、クラスタライズを説明する図である。矩形S1は、3次元センサ20が生成する点群データを示す。また矩形S2_1,S2_2は、サブデータを示す。
続いて、クラスタリングについて説明する。
3次元センサ20が取得する点群データS1は、地上からの高さの異なる点群、言い換えれば3次元センサ20から見た仰俯角の異なる点群の集合とみなすことができ、同一の高さの複数の点の集合を「レイヤ」と称することとする。演算処理装置40(クラスタライズ部44)は、すべての点群データS1ではなく、点群データS1のうち、注目すべき1つのレイヤLxを形成する点群にもとづいてオブジェクトをクラスタリングする。
クラスタリングに際して注目すべき1つのレイヤLxは、3次元センサ20から実質的に水平に位置することが好ましい。以下、注目するレイヤLxを水平レイヤとも称する。水平レイヤは、言い換えれば仰俯角がゼロに近いレイヤと把握できる。これにより、オブジェクトOBJまでの距離に依存せずに、測定点の高さを一定にできる。
交通に関連して識別すべきオブジェクトOBJ(歩行者や自動車)の多くは、地面に接してそれより上方に位置する。つまり、同じ位置に上下に2個の異なるオブジェクトが存在することは基本的には生じない。そこで適切な高さのレイヤのみに着目してクラスタリングを行うことで、演算量を大幅に減らすことができる。
図6は、水平レイヤに基づくクラスタリングの具体例を示す図である。図6には、レイヤLxを形成する点群p,p,p,pのみが示される。オブジェクトOBJ1,OBJ2の形状は、図2(b)のオブジェクトOBJ1,OBJ2と同じである。
演算処理装置40(クラスタライズ部44)は、1つのレイヤLx上の点のうち隣接する2点p,pi+1に着目したときに、各点p,pi+1までの距離r,ri+1の差di,i+1=|r−ri+1|がしきい値thより小さいときに、2点p,pi+1を同一クラスタにクラスタリングする。図6の例では、点p,pが同一クラスタ6_1と判定され、点p,pが同一クラスタ6_2と判定される。
第3の課題に関連して、図6と図3(b)の対比から、実施の形態に係るクラスタリングの利点の一つが明らかになる。図3(b)に示すように点pとpの距離が所定の半径rより大きく、従来方法では、同一クラスタと判定することはできない。これに対して、図6では、点p,pと3次元センサ20の距離の差d3,4に着目するため、図3の半径rと等しいしきい値thを適用した場合であっても、2つの点p,pを同一クラスタと判定することができる。従来方式においても半径rを大きくすれば同じ結果が得られるが、大きな半径rは、異なるオブジェクト上の点を同一クラスタと誤判定する要因となる。一方、本実施の形態では、しきい値thを大きくする必要がないため、誤判定を抑制できると理解することもできる。
しきい値thは、距離rに応じて可変(スケーリング)するとよい。図7(a)は、オブジェクトまでの距離と、オブジェクト上の2点p,pの距離の差d1,2を説明する図である。あるオブジェクトOBJがLIDAR2に近い位置(図中、左側)にあるとき、隣接するレーザビームLB,LBが照射されるオブジェクトOBJ上の2点p,pまでの距離はr,rであり、それらの差d1,2は、r−rとなる。
同じオブジェクトOBJがLIDAR2から相対的に遠い位置(図中、右側)に位置する場合を考える。このとき、オブジェクトOBJのレーザビームLBの照射位置は同じ(p’=p)であるが、レーザビームLBの照射位置p’は、元の位置pからずれる(p’≠p)。
つまりオブジェクトOBJがLiDARに近いとき、隣接する2本のレーザビームは、オブジェクト上の、距離が相対的に近い2点p,pに照射され、そのオブジェクトがLiDARから遠ざかると、同じ隣接する2本のレーザビームが照射される2点p、pの距離は遠ざかる。図7(b)は、オブジェクトまでの距離と、2点までの距離の差の関係を示す図である。オブジェクトOBJが遠いときの2つの点p’,p’の距離の差d1,2’は、オブジェクトOBJが近いときの2つの点p,pの距離の差d1,2より大きくなる。
つまりオブジェクトOBJまでが近いときを基準として定めたしきい値thを、遠方のオブジェクトにも適用すると、同じオブジェクト上の2点p’、p’を、異なるオブジェクトと誤判定する可能性がある。そこで図7(c)に示すように、距離rが長いほど、しきい値thを大きくとるとよい。これにより、オブジェクトまでの距離に依存せずに、正確なクラスタリングが可能となる。
しきい値thは、それまでに同一クラスタと判定されている複数の点までの距離の平均値に応じて設定してもよい。
別の実施例において、比較対象となる2点p,pi+1までの距離r,ri+1を、一方の距離r(またはそれに近い値)で除算して正規化し、正規化した距離の差分(1−r/r1+1)を、しきい値と比較してもよい。この場合のしきい値は、オブジェクトまでの距離に依存せずに一定とすることができる。
演算処理装置40は、間隔が所定値K以下である非隣接関係にある第1点pと第2点pに着目したときに、第1点pまでの距離rと第2点pまでの距離rの差di,jがしきい値thより小さいときに、第1点pと第2点pを同一クラスタとする。言い換えれば、第2点pは、第1点pから最大K個(K≪M)、離れることが許容される。Mは、3次元センサ20の水平方向の解像度である。たとえばKは、2〜5程度としてもよい。
図8は、クラスタライズ部44の処理の一例を示すフローチャートである。水平レイヤLxを形成する点群を、端から順にナンバリングする(S100)。反射(距離)の検出できない点については、番号を付与しないこととしてもよい。
続いて、変数iを初期化し(S102)、変数jを初期化する(S104)。2点p,pの距離r,rの差分di,jがしきい値thと比較される(S106)。差分di,jがしきい値thより小さいとき、点p,pは同一クラスタと判定され、クラスタキューに格納される(S108)。差分di,jがしきい値thより大きいとき、点p,pは同一クラスタと判定され、クラスタキューに格納される(S108)。なお、過去の判定の結果、2点p,pがクラスタキューに格納済みの場合、比較処理は省略することができる。
j≦i+Kのとき(S110のN)、jを1インクリメントし、第2点を次の点に移動して、処理S106に戻る。反対にj>i+Kのとき(S110のY)、iをインクリメントして第1点pをシフトし、処理S104に戻る。
図9(a)、(b)は、図8のフローチャートに基づくクラスタリングを説明する図である。図9(a)は、クラスタリングの対象となる水平レイヤを示す図であり、横軸が番号を、縦軸が距離を表す。図9(b)は、比較結果と、クラスタキューを示す図である。
この例ではK=3とした。図9(b)において破線は、比較対象がクラスタリング済みの場合に比較が省略されることを示す。図9(a)の場合、点p〜pが同一クラスタと判定され、点p,pが同一クラスタと判定される。
図8の処理において、反射(距離)の検出できない点については、番号を付与しないこととする場合、実質的に同じ距離に、複数のオブジェクト(人や自動車)が水平方向に離れて存在する状況下で、それらを同一のオブジェクトとして誤ってクラスタリングする可能性がある。この問題は以下のように解決することができる。
図10は、クラスタライズ部の処理の別の一例を示すフローチャートである。複数の点群に対して、2つのインデックスを付与する(S101)。詳しくは、反射の得られない点を含めて端から順にナンバリングし、その値を第1のインデックス(index1)とする。また反射(距離)の検出できない点を除去して、端からナンバリングし、その値を第2のインデックス(index2)とする。2つのindex1,index2の関係は保持される。
処理S102〜S112については、図8と同様であり、i,jについては第2インデックスの値を用いる。
処理S110において、j>i+Kとなると、クラスタキュー内のindex2を、index1に変換する(S116)。そして変換後において、クラスタキュー内のインデックスが連続しているとき(S118のY)、クラスタキュー内の複数のインデックスを同一オブジェクトとして出力する(S120)。変換後においてクラスタキュー内のインデックスが不連続であるとき(S118のN)、クラスタキュー内の複数のインデックスを、複数のクラスタキューに分割して出力する(S122)。
図10の処理により、実質的に同じ距離に複数のオブジェクト(人や自動車)が水平方向に離れて存在する状況下で、それらを異なるオブジェクトとして正しくクラスタリングすることが可能となる。
図11は、オブジェクト識別システム10を備える自動車のブロック図である。自動車100は、前照灯102L,102Rを備える。オブジェクト識別システム10のうち、少なくとも3次元センサ20は、前照灯102L,102Rの少なくとも一方に内蔵される。前照灯102は、車体の最も先端に位置しており、周囲のオブジェクトを検出する上で、3次元センサ20の設置箇所として最も有利である。演算処理装置40については、前照灯102に内蔵してもよいし、車両側に設けてもよい。たとえば演算処理装置40のうち、中間データの生成は前照灯102の内部で行い、最終データの生成は車両側に委ねてもよい。
図12は、オブジェクト識別システム10を備える車両用灯具200を示すブロック図である。車両用灯具200は、光源202、点灯回路204、光学系206を備える。さらに車両用灯具200には、3次元センサ20および演算処理装置40が設けられる。演算処理装置40が検出したオブジェクトOBJに関する情報は、車両ECU104に送信される。車両ECUは、この情報にもとづいて、自動運転を行ってもよい。
また、演算処理装置40が検出したオブジェクトOBJに関する情報は、車両用灯具200の配光制御に利用してもよい。具体的には、灯具ECU208は、演算処理装置40が生成するオブジェクトOBJの種類とその位置に関する情報にもとづいて、適切な配光パターンを生成する。点灯回路204および光学系206は、灯具ECU208が生成した配光パターンが得られるように動作する。
実施の形態では、車載用のオブジェクト識別システム10を説明したが本発明の適用はその限りでなく、たとえば信号機や交通標識、そのほかの交通インフラに固定的に設置され、定点観測する用途にも適用可能である。
(変形例)
実施の形態では、3次元センサ20からの仰俯角がゼロの水平レイヤLxにもとづくクラスタリングを説明したが、着目すべき1本のレイヤは、それに限定されず、水平レイヤより1本上、あるいは1本下のレイヤにもとづいてクラスタリングを行ってもよい。
実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
本発明は、オブジェクト識別システムに関する。
10 オブジェクト識別システム
20 3次元センサ
40 演算処理装置
42 メモリ
44 クラスタライズ部
46 切り出し部
48 カテゴライズ部
S1 点群データ
100 自動車
102 前照灯
104 車両ECU
200 車両用灯具
202 光源
204 点灯回路
206 光学系
208 灯具ECU

Claims (10)

  1. 複数の点それぞれまでの距離を示す点群データを生成する3次元センサと、
    前記点群データのうち1つのレイヤを形成する点群にもとづいてオブジェクトをクラスタリングする演算処理装置と、
    を備えることを特徴とするオブジェクト識別システム。
  2. 前記1つのレイヤは、前記3次元センサから実質的に水平に位置することを特徴とする請求項1に記載のオブジェクト識別システム。
  3. 前記演算処理装置は、前記1つのレイヤを形成する点群のうち隣接する2点に着目したときに、各点までの距離の差がしきい値より小さいときに、2点を同一クラスタと判定することを特徴とする請求項1または2に記載のオブジェクト識別システム。
  4. 前記演算処理装置は、間隔が所定値以下の非隣接関係にある第1点と第2点に着目したときに、前記第1点までの距離と前記第2点までの距離の差がしきい値より小さいときに、前記第1点と前記第2点を同一クラスタと判定することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のオブジェクト識別システム。
  5. 前記しきい値は、前記距離に応じて可変であることを特徴とする請求項3または4に記載のオブジェクト識別システム。
  6. 前記しきい値は、同一クラスタに含まれる点までの距離の平均値に応じていることを特徴とする請求項5に記載のオブジェクト識別システム。
  7. 請求項1から6のいずれかに記載のオブジェクト識別システムを備えることを特徴とする自動車。
  8. 前記3次元センサは、前照灯に内蔵されることを特徴とする請求項7に記載の自動車。
  9. 請求項1から6のいずれかに記載のオブジェクト識別システムを備えることを特徴とする車両用灯具。
  10. オブジェクトをクラスタリングする方法であって、
    3次元センサによって点群データを生成するステップと、
    前記点群データのうち1つのレイヤ上の点群にもとづいてオブジェクトをクラスタリングするステップと、
    を備えることを特徴とする方法。
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