TW412632B - Outdoor range finder - Google Patents

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附件- 第87102028號專|^案 中文説明書修逋貢 h1 民〇3月 ί 五、發明説明（4 ) (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 以類比數位變換器1 0 4將類比的影像信號數位化， 且將照射時的圖像1 0 5，停止時的圖像1 0 6記憶在各 別的記憶體上。並在每次雷射之照射、停止時求取由照射 圖像1 0 5扣除停止圖像1 0 6的圖像（圖像差）、並將 這些藉著最小値檢出電路1 0 7，以每間隔各個圖素來求 得並記憶「圖像差的最小値」。 第2圖是表示所拍攝之影像例子。將雷射照射時的圖 像表示在2 0 1〜2 0 2上，將雷射停止時的圖像表示在 2 ◦ 3〜2 0 4上。而在屋外的影像，由於太陽光含著有 雷射波長成份，所以即使使用僅透過雷射波長成份的帶通 濾波器，在圖像上也能夠拍攝到雷射光以外的影像。又， 經濟部智慧財產局員工消骨合作社印製 從雷射照射時的圖像將停止時的圖像相抵了的圖像差表示 在205〜207上。在此，圖像差205爲：「照射圖 像201—停止圖像203」，圖像差206爲：「照射 圓像202-停止圖像203」，圖像差207爲：「照 射圖像202-停止圖像204」。在各圖像上雖能夠觀 測雷射光，但是，在各拍攝間隔時上會產生圖像的變化（ 雷射照射時亮、停止時則暗）的.地方，亦即在有了動作的 場所會產生干擾。且將這些圖像差205〜207的最小値依各 個圖素一算出，則可除去干擾而僅抽出雷射光（208 ) ° 以下利用圖2 — 1來詳細說明背景（天空）’鳥及雷 射照射點之關係。. 首先，針對構成圖面之各像素的値加以說明。一般在 圖像處理中是利用AD變換器來使照相機的影像信號形成 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4说格（210X297公釐） 41^632 i7 A / B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明ί ) 〔產業上之利用領域〕 本發明是有關於在屋外所使用的距離計測裝置，特別 是有關於藉用光切斷法來算出距離的距離計測裝置。 〔先行技術〕 近年來，距離計測裝置很多樣化，且取代了接觸式的 計測法之如光傳送時間計測法，兩眼立體目視法等非接觸 式的計測法廣泛地被使用。特別是在從精度面等來考量之 機器人的操作等的用途上，光切斷法的使用是很普通的。 以下，是表示由一般之光切斷法所成之計測裝置的構 成。第4圖是表示由先行之光切斷法所成之距離計測裝置 例子的構成。且藉著雷射投光器3 0 1，將雷射光照射在 被測定對象物3 0 2上。又，利用影像傳導照相機3 0 1 —拍攝了被測定對象物3 0 2，則藉著被測定對象物 3 0 2的位置在影像傳導照相機3 0 3上所投影的雷射位 置變化之（三角測量化）。而爲了求得這個雷射的位置， 將影像傳導照相機3 0 3的類比影像信號以類比數位變換 器3 0 4變換成數位信號，且藉著事先訂定的臨限値 3 0 5依照2進位電路3 0 6變換成2進位圖像。藉著將 這個2進位圖像以標籤處理部3 0 7、重心檢出部3 0 8 來執行標籤及重心檢出，則能夠執行圖像上的雷射位置之 檢出。且是若能夠檢出圖像上的雷射位置的話，則藉著光 學參數（焦點距離、雷射投光器3 0 1及影像傳導照相機 3 0 3的設置距離及角度）或校準表3 0 9以距離算出部 (請先閱讀背面之注$項再填寫本頁) d. -訂 .φ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4現格（21〇Χ297公釐） 經濟部中央標隼局員工消費合作社印製 412632 A7 _ B7五、發明説明έ ) 310來算出距離的構造。 可是，上述之原先的構成爲以投影在影像傳導照相機 3 0 3上的雷射圖像要比起圖像上之其他的地方要來得光 亮爲前提，且在屋外，會受到太陽光影響的場所，則不得 不提高雷射的輸出，故留有安全面上的問題。再者，在屋 外由於照度也繁雜地變化，所以無法事先訂定臨限値。 於是，本發明者提案了將從受光照相機所獲得的圖像 情報做了同時座標變換之後，藉著執行重合處理來除去周 圍光，並僅識別出雷射光的裝置（請參照特開平8 -94322號公報）。 然而，本提案也會在拍攝了動態物體的情況下，或在 因風等的影響背景物體晃動情況下等，而無法除去其圖像 ，而殘留下了雜訊。 « 〔發明所欲解決之課題〕 於是，本發明是以可提供一個在拍攝了動態物體情況 下，或因風等的影響在背景物體搖晃的情況下等也不會殘 留雜訊，而能以低輸出的雷射來測定距離之裝置爲目的。 而爲了達成這個目的，本發明是以具備了：將雷射光 在測定對象物上做脈衝狀地照射之雷射照射方法，使前述 雷射光的照射，停止周期之 > 並將測定對象物的圖像取入 之圖像讀入方法，藉用著複數次的雷射光的照射、停止來 檢出所讀入之各圖像間之圖像差的最小値之方法，從前述 圖像差的最小値來決定2進位臨限値的方法及將前述圖像 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) Α4規格（2ΙΟΧ297公釐） -5- 412632 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明$ ) 差的最小値2進位，並檢出雷射受光位置之方法爲其特徵 〇 〔圖面之簡單說明〕 第1圖是在本項發明之一實施例子上的距離計測裝置 的構成圖。 第2圖是表示由本實施例子所成的影像圖。 第3圖是表示在本項發明上算出距離例子的說明圖。 第4圖是爲由先行技術所成之距離計測裝置的構成圖 爲執行本發明的最佳形態 將由本發明所導致的一實施例就參照圖面來說明之。 第1圖是表示距離計測裝置的構成。且圖中1 0 1是雷射 投光器、1 0 2是被測定對象物、1 0 3是影像傳導照相 機、1 0 4是類比數位變換器、1 0 5是照射圖像、 106是停止圖像、107是最小値檢出電路、108是 直方圖、109是臨限値、102是2進位處理部、 111是標籤處理部、11 2是重心檢出部、11 3是光 學參數或校準表、114是距離算出部》 本實施例子是藉著雷射投光器101·在被測定對象 物1 0 2上執行複數次的雷射之照射、停止，而且使之同 期後藉用著影像傳導照相機1 0 3來拍攝被測定對象物 —^1 .....I 1-11 nil -11 I - I l·—— ti (请先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) A4規格（210X297公釐） -6- 附件- 第87102028號專|^案 中文説明書修逋貢 h1 民〇3月 ί 五、發明説明（4 ) (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 以類比數位變換器1 0 4將類比的影像信號數位化， 且將照射時的圖像1 0 5，停止時的圖像1 0 6記憶在各 別的記憶體上。並在每次雷射之照射、停止時求取由照射 圖像1 0 5扣除停止圖像1 0 6的圖像（圖像差）、並將 這些藉著最小値檢出電路1 0 7，以每間隔各個圖素來求 得並記憶「圖像差的最小値」。 第2圖是表示所拍攝之影像例子。將雷射照射時的圖 像表示在2 0 1〜2 0 2上，將雷射停止時的圖像表示在 2 ◦ 3〜2 0 4上。而在屋外的影像，由於太陽光含著有 雷射波長成份，所以即使使用僅透過雷射波長成份的帶通 濾波器，在圖像上也能夠拍攝到雷射光以外的影像。又， 經濟部智慧財產局員工消骨合作社印製 從雷射照射時的圖像將停止時的圖像相抵了的圖像差表示 在205〜207上。在此，圖像差205爲：「照射圖 像201—停止圖像203」，圖像差206爲：「照射 圓像202-停止圖像203」，圖像差207爲：「照 射圖像202-停止圖像204」。在各圖像上雖能夠觀 測雷射光，但是，在各拍攝間隔時上會產生圖像的變化（ 雷射照射時亮、停止時則暗）的.地方，亦即在有了動作的 場所會產生干擾。且將這些圖像差205〜207的最小値依各 個圖素一算出，則可除去干擾而僅抽出雷射光（208 ) ° 以下利用圖2 — 1來詳細說明背景（天空）’鳥及雷 射照射點之關係。. 首先，針對構成圖面之各像素的値加以說明。一般在 圖像處理中是利用AD變換器來使照相機的影像信號形成 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4说格（210X297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 412632 at _B7_五、發明説明（4Ά 數位化。例如8位元之A D轉換器的情況時，値爲〇〜 2 5 5 ，物體越白亮其値越大，越黑暗其値越小。在本案 說明書圖2中所示的這些値越大，則越會顯現出白色。但 在由於圖像差及其最小値的圖像中値會形成負數，呈黑色 顯示而無法與零値區別，因此在圖2_1中是以境界線來 表示各領域。 首先，各領域的値爲：雷射的照射點爲2 0 0，背景 (天空）爲1 00，鳥爲20。在此，圖2 — 1中的號碼 並非是供以說明圖的號碼，而是表示這些像素的値。並且 ，在攝取照射圖像2 0 1 ，停止圖像2 0 3及照射圖像 202時之圖面中的鳥位置爲a ，b ，（由右至左）。 在此，針對圖像差2 0 5加以說明。圖像差2 0 5爲 照射圖像20 1_停止圖像203。例如，背景的値爲 100-100=0雷射光的領域爲200-100= 100。又，鳥a的領域爲20-1=-80，鳥b的領 域爲1 00-20 = 80。由於鳥a的領域形成負數，因 此圖2之圖像差呈黑色顯示而無法與背景區別- 其次，圖像差2 0 6爲照射圖像2 0 2 -停止圖像 203。同樣的，背景値爲100 — 100 = 0，雷射光 的領域爲200 — 100=100。又，鳥b的領域爲 100 — 20 = 80，鳥 c 的領域爲 20 - 100 = -8 0。由於鳥c的領域形成負數，因此圖2之圖像差 206呈黑色顯示而無法與背景區別。 其次，圖像差2 0 7爲照射圖像2 0 2 —停止圖像 (請先閱讀背面之注$項再填寫本頁) 本紙張尺度通用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 412632 b7 五、發明説明 204。同樣的，背景値爲100-100 = 0，雷射光 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 的領域爲2 ◦ 0 ~ 1 0 0 = 1 0 0.。又’鳥c的τ>頁域爲 2 0 — 1 0 〇 = — 8 0。由於鳥c的領域形成負數’因此 圖之圖像差2 0 7呈黑色顯示而無法與背景區域。 根據這些圖像差而計算之圖像差的最小値2 0 8 ’是 採用各圖像差205，206，207相同位置的像素値 中最小者。例如，就背景而言，由於兩個圖像差皆爲0 ’ 因此採用0。就雷射光的領域而言，由於三個圖像差皆爲 100 *因此採用100。又，就鳥a的領域而言1由於 圖像差205爲—80，圖像差206 ，207爲0 ’因 此採用—80。就鳥b的領域而言，由於圖像差205 ’ 206爲80，圖像差207爲0，因此採用0。又’由 於圖中與背景同値，因此以虛線來表示其輸廓。其次’就 鳥c的領域而言，由於圖像差205爲0，圖像差206 ，207爲—80，因此採用-80。在圖2之208的 圖面中，由於這些負數的領域是呈黑色顯示，因此僅有具 備1 0 0的値之雷射的照射點被明示。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 由於這個「圖像差的最小値」的數據不是1位元（ b i t )而是具有深淡程度等級的之故，所以能夠藉著直 方圖1 0 8來將2進位臨限値1 0 9做動態地決定’且即 使在照度變化強烈的屋外環境下使用最適當的臨限値就能 夠生成2進位圖像（黑白圖像）。亦即藉著將濃淡圖像之 「圖像差的最小値」從其臨限値將高能級（明亮）的圖像 變換成白色，並將低能級（黑暗的）的圖像變換成黑色來 本紙張尺度逋用中國國家橾準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 412632 A7 B7五、發明説明6 ) 生成僅有白色與黑色的圖像（2進位圖像）（2進位電路 110)。並將其2進位圖像對著個個連結成份來分配不 同名字的標籤，並執行白色領域的訊號組的抽出（標籤處 理部1 1 0 )。藉著求得其訊號組之各圖像的位置，則可 以求出其訊號組的重心位置亦即雷射光投影在影像傳導照 相機上的位置（重心檢出部）。求出其重心位置的方法如 下式： (X > y )=重心位置 (X K，y k ):屬於訊號組之圖像位置 N:屬於訊號組的圖素數 若能檢出這個位置的話，依據3角測量的原理藉著使 用光學參數（焦點距離，雷射投光器1 0 1及影像傳導照 相機10 3的設置距離與角度等），或著使用表示在影像 傳導照相機上之投影位置與距離之關係的校準表則可算出 距離（距離算出部1 1 4)。以下是表示使用了光學參數 時之距離的計算例。並將這時之距離計算的說明圖示於第 3圖。 D (FL-Dxh) 1 = ~~DF + Lxh I :從雷射投光器1 0 1至對象物1 0 2上的距離 L :從雷射投光器1 0 1出來的雷射光至與影像傳導 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 2ί)7公釐} -8- 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 4iC6〇2 a7 B7五、發明説明$ ) 照相機1 Ο 3之光軸交差點爲止的距離。 X :雷射光在投影在影像傳導照相機1 〇 3上之圖像 上的位置（訊號組的重心位置） h :圖素尺寸 D :雷射投光器1 Ο 1 -影像傳導照相機1 0 3間的 距離 使用第2圖，來說明將被測定對象物做爲架線在屋外 之電線的情況下之本項發明的作用。 電線L (爲了說明|多少畫得較粗）的背景上有大街 兩旁的樹T，並有鳥乃在飛著，且藉用在電線L的規定處 上如第1圖所示的雷射投光器1 0 1 ，來投射著雷射光P 。而表示這個情況的是照射圖像2 Ο 1。接下來，中止了 雷射光P的投射，而獲得停止圖像2 0 3。這時鳥B移動 著且大街兩旁的樹T的葉子也隨風搖動。 因此，照射圖像2 Ο 1與停止圖像2 0 3的圖像差如 205般。亦即，留下了雷射光P的點，鳥B，隨風搖動 之大街兩旁的樹T的葉子部分。 接下來，再打開雷射光P的投射，而獲得停止圖像 2 0 2。這時鳥B移動著，大街兩旁的樹T的葉子也隨風 搖動。 因此|停止圖像2 0 3與照射圖像2 0 2的圖像差如 206般。亦即，留下了雷射光P的圖、鳥B、因風搖動 之大街兩旁的樹T之葉子部份。 接下來，中止了雷射光P的投射，而後獲得了停止圖 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4現格（210X 297公釐） 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 412632 at __B7____五、發明説明f ) 像2 Ο 4。這時鳥B移動後從畫面消失，而大街兩旁的樹 T的葉子也隨風搖動。 因此，照射圖像2 0 2與停止圖像2 0 4的圖像差 2 0 7 般。 亦即，留下了雷射光P的點，因風搖動之大街兩旁的 樹T之葉子的部份。 最後，一求得了圖像差205，206，207的最 小値（各圖素有濃淡値）則變成了最小値之圖像2 0 8。 而最小値的圖像2 0 8 <有僅限雷射光P的點具有強烈的 輝度。 藉此，由太陽光所導致的背景不會成爲干擾·而成爲 僅能夠抽出雷射光的照射點。 如上述的本項發明，即使是低輸出的雷射也可僅檢出 雷射光，並.且實現了即使是照度變化強烈也可使用的屋外 用距離裝置。 〔產業上之利用領域〕 本項發明是能夠非常有效地利用在做爲在屋外作業之 機器人系統等上其必要工作的距離測定裝置。 〔圖號說明〕 1 0 3 :影像傳導照相機 1 0 4 :類比數位變換器 1 0 7 :最小値檢出電路 ----„------裝-------訂----^---線 {請先S讀背面之：1意^^再填寫本1) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS >A4規格（210 X 297公釐） -10- 經濟部中央標準局員工消費合作社印聚 4ί£6〇2 Α7 Α7 Β7五、發明説明$ ) 1 1 Ο : 2進位處理部 1 0 9 :臨限値 1 0 8 :直方圖 1 1 1 :標籤處理部 1 1 2 :重心檢出部 1 1 4 :距離算出部 1 1 3 :光學參數或校準表 2 Ο 1 :照射圖像 2 0 2 :照射圖像 2 0 3 :停止圖像 2 0 4 :停止圖像 2 0 8 :圖像差最小値 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4^格（210X297公釐） -11 -

Claims (1)

1. B8 C8 D8 41^632 、申請專利範圍 1 . ~種屋外用距離計測裝置，其特徵爲：具有 將脈衝狀的雷射光照射在測定對象物上的雷射照射方 法， 使前述雷射光的照射、停止同期後，將測定對象物之 圖像拿入之圖像讀入方法， 藉用著複數次的雷射光的照射、停止來檢出所讀入之 各圖像間之圖像差的最小値之方法 從前述圖像差的最小値來決定2進位臨限値之方法， 將前述圖像差的最小値2進位，並檢出雷射受光位置 的方法。 锖 先 閱 讀 背 面 之 注 意 事 項 再 % % 本 頁 訂 經濟部中央標隼局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -12-