JPWO2020116035A1 - 距離情報取得装置、距離情報取得方法、およびプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、実施形態1に係る距離情報取得装置の概略構成を示すブロック図である。距離情報取得装置は、光源100と、受光装置150と、制御回路300と、信号処理回路400とを備える。
図3は、実施形態1に係る距離情報取得装置の構成の一例を示すブロック図である。図3に示される距離情報取得装置は、光源100と、イメージセンサ200と、制御回路300と、信号処理回路400と、記憶装置500と、ディスプレイ600とを備える。制御回路300は、記憶媒体310と、プロセッサ320とを備える。
以下、制御回路300の構成のより具体的な例を説明する。制御回路300は、プロセッサ320と、記憶媒体310とを備える。プロセッサ320は、投光/露光タイミング決定部322と、計時部324と、投光制御信号出力部326と、露光制御信号出力部328とを備える。記憶媒体310は、遠距離ビーム情報311と、近距離ビーム情報312と、重み情報313と、プロセッサ320が実行するコンピュータプログラム314とを格納する。
Vout1=Q1/Cfd1=N×Iph×(T0−Td)/Cfd1
Vout2=Q2/Cfd2=N×Iph×Td/Cfd2
Td={Vout2/(Vout1+Vout2)}×T0
L=1/2×C×Td=1/2×C×{Vout2/(Vout1+Vout2)}×T0
光源100の構成例を説明する。光源100は、例えば特許文献4に開示されているような、光源および符号化マスクを利用して、任意の空間パターンの光を出射する光源であり得る。あるいは、光源100は、例えば特許文献1に開示されているような、任意の空間パターンの光を出射できる光フェーズドアレイの構成を備えていてもよい。さらには、特許文献7に開示されている発光デバイスを利用してもよい。以下、光源100の構成の一例を説明する。
次に、図3に示すイメージセンサ200の構成を説明する。
信号処理回路400は、イメージセンサ200から出力された信号を処理するCPUおよび/またはGPUなどの1つ以上のプロセッサを含み得る。図3に示す信号処理回路400は、距離推定部410と、画像生成部430とを備える。距離推定部410は、イメージセンサ200から出力された信号に基づいて、各画素における距離を計算または推定する。画像生成部430は、各画素の距離情報に基づいて、距離画像を生成する。距離推定部410および画像生成部430の機能は、例えば信号処理回路400のプロセッサがコンピュータプログラムを実行することによって実現され得る。その場合、当該プロセッサが、距離推定部410および画像生成部430として機能する。これらの各機能部は、専用のハードウェアによって実現されていてもよい。
実施形態1に係る距離情報取得装置の動作を説明する。図15は、実施形態1に係る距離情報取得装置の動作の概要を示すフローチャートである。距離情報取得装置は、図15に示すステップS1100からS1400の動作を実行する。以下、各ステップの動作を説明する。
まず、制御回路300は、光源100による近距離用ビームおよび遠距離用ビームのそれぞれの投光のタイミングと、イメージセンサ200の露光のタイミングとを決定する。投光と露光のタイミングの詳細については後述する。
次に、制御回路300は、決定した投光タイミングに従って、光源100に、投光を指示する制御信号を送信する。さらに、決定した露光タイミングに従って、イメージセンサ200に、露光の開始および終了を指示する制御信号を送信する。これにより、光源100から複数の遠距離用ビームおよび複数の近距離用ビームが出射され、イメージセンサ200の各受光素子に電荷が蓄積される。本実施形態では、前述のように、2回の露光期間が設定される。イメージセンサ200は、それぞれの露光期間で各受光素子に蓄積された電荷量に応じた受光データを出力する。
次に、信号処理回路400は、ステップS1200で出力された受光データと、制御回路300の記憶媒体310に格納された重み情報313とを取得する。信号処理回路400は、取得した受光データおよび重み情報313に基づいて、全画素における距離情報を推定する。第1の露光期間と第2の露光期間のそれぞれの受光データから全画素の距離情報を求めるために、信号処理回路400は、圧縮センシングに基づく復元処理を実行する。この処理は、図3に示す距離推定部410によって実行される。
信号処理回路400は、ステップS1300で計算した各画素における距離の値を、例えば色彩のスケールに置き換えて、距離画像を生成する。なお、距離画像は、色彩のスケールに限らず、グレースケールその他の表現方法で2次元的な距離を表現してもよい。距離画像の生成は、図3に示す画像生成部430によって実行される。信号処理回路400は、距離画像を生成することなく、1つ以上の物体の距離を示すデータを生成して出力してもよい。
次に、本実施形態における各光ビームの投光および露光のタイミングの例を説明する。
次に、ステップS1200における電荷計測の動作の詳細を説明する。
制御回路300は、ステップS1100で決定された全ての露光期間での電荷計測が終了したか否かを判断する。全ての露光期間での電荷計測が終了している場合、ステップS1300に進む。全ての露光期間の電荷計測が終了していない場合、ステップS1202に進む。
制御回路300は、投光と露光とを制御するために時間の計時を開始する。
制御回路300は、ステップS1100で決定された遠距離用ビームの投光タイミングで、投光制御信号を光源100に出力する。投光制御信号は、遠距離ビーム情報311が示すビーム形状、広がり角、および光ビームの方向の情報と、ステップS1100で決定された投光のパルス時間長の情報とを含む。
光源100は、ステップS1203で出力された投光制御信号に従って、遠距離用ビームを生成して投光する。
制御回路300は、ステップS1100で決定された近距離用ビームの投光タイミングになると、投光制御信号を光源100に出力する。この投光制御信号は、近距離ビーム情報312が示すビーム形状、広がり角、および光ビームの方向の情報と、ステップS1100で決定された投光のパルス時間長の情報とを含む。
光源100は、ステップS1203で出力された投光制御信号に従って、近距離用ビームを生成して投光する。
制御回路300は、ステップS1100で決定された複数の露光期間のうち、まだ露光を行っていない1つの露光期間を選択する。制御回路300は、選択した露光期間の開始のタイミングでイメージセンサ200に露光開始信号を出力する。
イメージセンサ200は、ステップS1207で出力された露光開始信号に従って露光を開始する。
制御回路300は、ステップS1207で選択した露光期間の終了のタイミングでイメージセンサ200に露光終了信号を出力する。
イメージセンサ200は、ステップS1209で出力された露光終了信号に従って露光を終了する。
イメージセンサ200は、露光開始から露光終了までの期間に各画素に蓄積した電荷の量に応じた受光データを出力する。
制御回路300は、計時を終了する。ステップS1212の後、ステップS1201に戻る。
次に、図15におけるステップS1300の動作の詳細を説明する。ステップS1300では、信号処理回路400が、重み情報を用いて、ステップS1200で露光期間ごとに取得した受光データから、各画素の距離を推定する。
上述したように、本実施形態における距離情報取得装置は、光源100と、イメージセンサ200と、制御回路300と、信号処理回路400とを備える。光源100は、同時に複数の光ビームを異なる方向に出射することが可能な構成を備える。イメージセンサ200は、複数の受光素子を有し、指示された露光期間において各受光素子が受けた光の量に応じた受光データを出力する。制御回路300は、光源100に、複数の遠距離用ビームを含み、第1の空間分布を有する第1の光をシーンに向けて出射させる。その後、制御回路300は、光源100に、複数の近距離用ビームを含み、第2の空間分布を有する第2の光をシーンに向けて出射させる。
次に、本開示の例示的な実施形態1の変形例を説明する。
次に、本開示の例示的な実施形態2を説明する。
Y=WX (18)
まず、制御回路300は、光源100による近距離用ビームと遠距離用ビームのそれぞれの投光のタイミングと、イメージセンサ200の露光のタイミングとを決定する。
次に、制御回路300は、決定した投光タイミングに従って、光源100に、遠距離用ビームおよび近距離用ビームの投光を指示する投光制御信号を送信する。光源100は、近距離用ビームの投光と同時にイメージセンサ200に投光信号を出力する。イメージセンサ200は、投光信号に従って、タイマーカウンタ203により反射光の受光までの時間を計測する。ステップS2200の動作の詳細は、投光と露光のタイミングの詳細とあわせて後述する。
信号処理回路400は、ステップS2200で計測された時間と、制御回路300の記憶媒体310に格納された重み情報313とを取得する。取得した時間情報と重み情報とに基づいて、全画素における物体までの距離を推定する。時間情報は、圧縮センシングを用いた復元処理によって生成される。
信号処理回路400の画像生成部430は、ステップS2300で計算された各画素での距離の値を、例えば色彩のスケールに置き換えて、距離画像を生成する。なお、距離画像は、色彩のスケールに限らず、グレースケールその他の表現方法で2次元的な距離を表現してもよい。本実施形態においても、信号処理回路400は、距離画像を生成することなく、1つ以上の物体の距離を示すデータを生成して出力してもよい。
次に、本実施形態における各光ビームの投光および露光のタイミングを説明する。
次に、図23に示すステップS2200における時間計測の動作の詳細を説明する。図25は、図24に示すタイミングでの光源100の投光とイメージセンサ200の露光による時間計測の動作を示すフローチャートである。図25は、図18に示す動作と同様の動作を含む。同様の動作については同一の番号を付して説明する。
制御回路300は、投光と露光とを制御するために時間の計時を開始する。計時は、計時部324によって行われる。
制御回路300は、ステップS1100で決定された遠距離用ビームの投光タイミングで、投光制御信号を光源100に出力する。投光制御信号は、遠距離ビーム情報311が示すビーム形状、広がり角、および光ビームの方向の情報と、ステップS1100で決定された投光のパルス時間長の情報とを含む。
光源100は、ステップS1203で出力された投光制御信号に従って、遠距離用ビームを生成して投光する。
制御回路300は、ステップS1100で決定された近距離用ビームの投光タイミングになると、投光制御信号を光源100に出力する。この投光制御信号は、近距離ビーム情報312が示すビーム形状、広がり角、および光ビームの方向の情報と、ステップS1100で決定された投光のパルス時間長の情報とを含む。
光源100は、ステップS1203で出力された投光制御信号に従って、近距離用ビームを生成して投光する。同時に、光源100は、投光信号をイメージセンサ200に出力する。
イメージセンサ200は、光源100から出力された投光信号の入力に伴い、各画素のタイマーカウンタ203の動作を開始する。
イメージセンサ200は、制御回路300の計時部324を参照し、ステップS1100で決定された露光時間の最大値が経過したか否かを判定する。ステップS2208において、最大露光時間が経過している場合は、ステップS2212に進む。最大露光時間が経過していない場合は、ステップS2209に進む。
イメージセンサ200の各受光素子202は、タイマーカウンタ動作開始後に受光したか否かを判定する。受光した場合、ステップS2210に進む。受光していない場合、ステップS2208に戻る。
イメージセンサ200の各受光素子202は、タイマーカウンタを停止する。
イメージセンサ200は、制御回路300における計時部324を参照し、露光終了タイミングになったことを確認すると、露光を終了する。タイマーカウンタを停止していない画素は値を0とし、タイマーカウンタを停止した画素は値をタイマーカウンタによって計測された時間に設定する。
図23に示すステップS2300の動作の詳細を説明する。ステップS2300では、信号処理回路400は、ステップS2200においてイメージセンサ200の画素ごとに計測された時間を、値の有無によって2値化する。すなわち、受光までの時間が計測された場合は1、時間が計測されなかった場合は0の2値にする。信号処理回路400は、重み情報313を用いて、各画素の距離を推定する。
前述の各実施形態および変形例においては、光ビームの到達距離の範囲を近距離と遠距離の2種類としたが、光ビームの到達距離の範囲を3種類以上にしてもよい。例えば、照射面における単位面積あたりのエネルギーの異なる3種類以上の光ビームを出射してもよい。
2×RLmin/c―2×RSmin/c 以上 2×RLmax/c―2×RSmax/c 以下。
露光は、近距離ビームの投光開始から2×RSmin/c時間後に開始される。
2×RLmin/c=2×RSmax/c=2×100/(3×108)≒667ns
2×RSmin/c=2×0/(3×108)=0
2×RLmin/c―2×RSmin/c=2×RLmax/c―2×RSmax/c≒667ns―0=667ns
2×RLmax/c=2×200/(3×108)≒1334ns
すなわち、遠距離用ビームの投光から、光が100mを往復する期間である667ns後に短距離用ビームが投光され、同時に露光が開始される。
2×RLmin/c=2×RSmax/c=2×100/(3×108)≒667ns
2×RSmin/c=2×0/(3×108)=0
2×RLmin/c―2×RSmin/c≒667ns―0=667ns
2×RLmax/c―2×RSmax/c≒2000ns―667ns=1333ns
2×RLmax/c=2×300/(3×108)≒2000ns
遠距離用ビームの投光から、光が100mを往復する期間である667ns以降で1333ns以前に短距離用ビームが投光され、同時に露光が開始される。一方遠距離用ビームによる測距の時間区間は667nsから2000nsである。近距離用ビームの反射光は遠距離用ビームの反射光を受光する露光区間のいずれかで受光される。
150 受光装置
200 イメージセンサ
202 受光素子
203 タイマーカウンタ
210 遠距離用ビーム
220 近距離用ビーム
230 遠距離用ビームの反射光
240 近距離用ビームの反射光
300 制御回路
310 記憶媒体
311 遠距離ビーム情報
312 近距離ビーム情報
313 重み情報
320 プロセッサ
322 投光/露光タイミング決定部
324 計時部
326 投光制御信号出力部
328 露光制御信号出力部
400 信号処理回路
410 距離推定部
430 画像生成部
500 記憶装置
600 ディスプレイ
700 発光デバイス
Claims (14)
- 光源と、
複数の受光素子を備える受光装置と、
前記光源および前記受光装置を制御する制御回路であって、
前記光源に、第1の空間分布を有する第1の光をシーンに向けて出射させ、その後、第2の空間分布を有する第2の光を前記シーンに向けて出射させ、
前記受光装置の前記複数の受光素子の少なくとも一部に、前記第1の光によって生じた前記シーンからの第1の反射光、および前記第2の光によって生じた前記シーンからの第2の反射光を、同一の露光期間内に検出させる、制御回路と、
前記受光装置の前記複数の受光素子から出力された受光データに基づいて、前記第1の反射光および前記第2の反射光に由来する距離データを生成して出力する信号処理回路と、を備える距離情報取得装置。 - 前記第2の空間分布は、前記第1の空間分布とは異なる、請求項1に記載の距離情報取得装置。
- 前記受光装置における前記複数の受光素子の前記少なくとも一部は、前記第1の反射光を受光し前記第2の反射光を受光しない複数の第1の受光素子と、前記第2の反射光を受光し前記第1の反射光を受光しない複数の第2の受光素子と、を含み、
前記複数の受光素子は、前記第1の反射光および第2の反射光のいずれも受光しない複数の第3の受光素子をさらに含み、
前記信号処理回路は、前記受光データに基づいて、前記複数の第3の受光素子に対応する複数の画素の位置における距離情報を推定することにより、前記距離データを生成する、請求項1または2に記載の距離情報取得装置。 - 前記信号処理回路は、予め設定された重み情報を用いて、前記受光データから、前記距離データを生成する、請求項1から3のいずれかに記載の距離情報取得装置。
- 前記重み情報は、前記第1の空間分布および前記第2の空間分布に基づいて定められる、請求項4に記載の距離情報取得装置。
- 前記第2の光の放射強度は、前記第1の光の放射強度よりも低い、請求項1から5のいずれかに記載の距離情報取得装置。
- 前記第1の光は、互いに出射方向の異なる複数の第1の光ビームを含み、
前記第2の光は、互いに出射方向の異なる複数の第2の光ビームを含む、請求項1から6のいずれかに記載の距離情報取得装置。 - 前記第2の光の到達距離は、前記第1の光の到達距離よりも短い、請求項1から7のいずれかに記載の距離情報取得装置。
- 前記光源から離れた照射面における前記第2の光の単位面積あたりのエネルギーは、前記照射面における前記第1の光の単位面積あたりのエネルギーよりも低い、請求項1から7のいずれかに記載の距離情報取得装置。
- 前記第1の光は第1の波長を有し、
前記第2の光は第2の波長を有し、
前記第2の波長の大気中の吸収率は、前記第1の波長の大気中の吸収率よりも高い、請求項7に記載の距離情報取得装置。 - 前記制御回路は、
前記光源に、第3の空間分布を有する第3の光を、前記第2の光の出射後に前記シーンに向けて出射させ、
前記受光装置に、前記第3の光によって生じた前記シーンからの第3の反射光を、前記同一の露光期間内に検出させ、
前記第3の光の到達距離は、前記第2の光の到達距離よりも短い、
請求項8に記載の距離情報取得装置。 - 前記露光期間は、
前記シーンにおける、前記受光装置から第1の距離だけ離れた位置で生じた前記第1の反射光の一部が前記受光装置に到達する時点を含まず、
前記受光装置から前記第1の距離よりも長い第2の距離だけ離れた位置で生じた前記第1の反射光の他の一部が前記受光装置に到達する時点を含み、
前記受光装置から前記第1の距離だけ離れた位置で生じた前記第2の反射光の一部が前記受光装置に到達する時点を含む、請求項1から11のいずれかに記載の距離情報取得装置。 - 距離情報取得方法であって、
光源に、第1の空間分布を有する第1の光をシーンに向けて出射させ、その後、第2の空間分布を有する第2の光を前記シーンに向けて出射させることと、
受光装置の複数の受光素子の少なくとも一部に、前記第1の光によって生じた前記シーンからの第1の反射光、および前記第2の光によって生じた前記シーンからの第2の反射光を、同一の露光期間内に検出させることと、
前記受光装置の前記複数の受光素子から出力された受光データに基づいて、前記第1の反射光および前記第2の反射光に由来する距離データを生成して出力することと、を含む距離情報取得方法。 - コンピュータに、
光源に、第1の空間分布を有する第1の光をシーンに向けて出射させ、その後、第2の空間分布を有する第2の光を前記シーンに向けて出射させることと、
受光装置の複数の受光素子の少なくとも一部に、前記第1の光によって生じた前記シーンからの第1の反射光、および前記第2の光によって生じた前記シーンからの第2の反射光を、同一の露光期間内に検出させることと、
受光装置の前記複数の受光素子から出力された受光データに基づいて、前記第1の反射光および前記第2の反射光に由来する距離データを生成して出力することと、を実行させる、プログラム。
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