WO1998036238A1 - Telemetre pour l'exterieur - Google Patents

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WO1998036238A1
WO1998036238A1 PCT/JP1998/000594 JP9800594W WO9836238A1 WO 1998036238 A1 WO1998036238 A1 WO 1998036238A1 JP 9800594 W JP9800594 W JP 9800594W WO 9836238 A1 WO9836238 A1 WO 9836238A1
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laser
laser beam
minimum value
distance
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PCT/JP1998/000594
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English (en)
French (fr)
Inventor
Kazunari Shiraishi
Hitoshi Wakisako
Yoshinaga Maruyama
Kyoji Yano
Moriyuki Nakashima
Original Assignee
Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki
Kyushu Electric Power Co., Inc.
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C3/00—Measuring distances in line of sight; Optical rangefinders
    • G01C3/02—Details
    • G01C3/06—Use of electric means to obtain final indication
    • G01C3/08—Use of electric radiation detectors
    • G01C3/085—Use of electric radiation detectors with electronic parallax measurement

Definitions

  • the present invention relates to a distance measuring device used outdoors, and particularly to a distance measuring device for calculating a distance by a light section method.
  • the light cutting method is-general.
  • Figure 4 shows the configuration of an example of a conventional distance measuring device using the light section method.
  • the object to be measured 302 is irradiated with a laser beam by the laser projector 301.
  • the position of the laser projected on the CCD camera 303 changes depending on the position of the object to be measured 302 (triangulation method). ).
  • the analog video signal of the CCD camera 303 is converted into a digital signal by the AZD converter-304, and binarized by a predetermined threshold value 300. To convert to a binary image.
  • the laser position on the image can be detected. If the laser position on the image can be detected, the optical parameters (focal length, installation distance and angle-degree of the laser projector 301 and CCD camera 303) or the distance calculation unit 3 using the calibration table 309 This is a mechanism that can calculate the distance by 5 using 10.
  • the present inventor has proposed a device that performs simultaneous coordinate transformation of image information obtained from a light-receiving camera,-removes ambient light by performing a superposition process, and identifies only laser light. (Refer to Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 8-94432).
  • the present invention provides a device that can measure a distance with a low-power laser without noise even when a moving object is captured, and a background object shakes due to wind or the like.
  • the purpose is to:
  • a laser irradiating means for irradiating the measuring object with laser light in a pulse shape
  • 0 means for determining a binarization threshold from the minimum value of the difference image
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a distance measurement device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an image according to the embodiment
  • FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating an example of distance calculation according to the present invention
  • FIG. -It is a block diagram of the distance measuring device by a prior art. -Best mode for carrying out the invention
  • FIG. 1 shows the configuration of the distance measuring device.
  • 101 is a laser projector
  • 102 is an object to be measured
  • 1-03 is a CCD camera
  • 104 is an AZD converter
  • 105 is an irradiation image
  • 106 is a stop image.
  • 107 is a minimum value detection circuit
  • 1 08 is a histogram
  • 1 09 is a threshold value
  • 1-10 is a binarization processing unit
  • 1 1 1 is a labeling processing unit
  • 1 1 2 is a centroid detection unit
  • 1 1-3 are optical parameters or calibration tables
  • 114 is a distance calculation unit.
  • the object to be measured 102 is irradiated and stopped several times with the laser 0 by the laser projector 101, and in synchronization with the irradiation, the object to be measured is measured by the CCD camera 103.
  • Image 2
  • the A / D converter 104 digitizes the analog image signal and illuminates the image 100
  • - Figure 2 shows an example of an image that is captured. Images when the laser is irradiated are shown in 201 to 202, and images when the laser is stopped are shown in 203 to 204. In outdoor images, since the sunlight contains the wavelength component of the laser, even if a bandpass filter that transmits only the wavelength component of the laser is used, images other than the laser beam are also captured in the image. .
  • the difference image obtained by subtracting the image at the time of stopping from the image at the time of laser irradiation-irradiation is shown in 205-207. Laser light is observed in each-image, but disturbance occurs at the place where the image changes (bright during laser irradiation, dark at stop) during each imaging interval, that is, where there is movement-.
  • the minimum value of the difference images 205 to 207 is calculated for each pixel, the disturbance 5 is removed and only the laser beam is extracted (208).
  • the binarization threshold 1109 can be dynamically determined by the histogram 108, and the illumination change Binary image (black and white image) using the optimal threshold even in an outdoor environment with high intensity -Can be generated.
  • the “minimum value of the difference image” which is a grayscale image
  • the binary image is assigned a label with a different name to each connected component, and a cluster of white areas (prop) is extracted (labeling processing unit 11-1).
  • the position of the center of gravity of the prop that is, the position where the laser beam is projected on the CCD camera can be obtained-(centroid detection unit).
  • the following equation shows how to determine the position of the center of gravity. ⁇ )
  • the optical parameters such as the focal length of 5 and the installation distance and angle of the laser projector 101 and the CCD camera 103 according to the principle of triangulation.
  • the distance can be calculated by using a calibration table indicating the relationship between the distance and the distance (distance calculator 114). -The following is an example of distance calculation using optical parameters. An explanatory diagram of the distance meter calculation at this time is shown in FIG.
  • L Distance from the point where the laser beam emitted from the laser projector 101 crosses the optical axis of the CCD camera 103
  • the difference image between the irradiation image 201 and the stop image 203 is as shown in 205. That is, the spot of the laser beam P, the bird B, and the leaves of the street tree T shaken by the wind remain.
  • the difference image between the still image 203 and the irradiation image 202 is as shown in 206. That is, the spot of the laser beam P, the bird B, and the leaves of the street tree T shaken by the wind remain. -Next, the projection of the laser beam P is stopped, and a still image 204 is obtained. At this time, the bird B5 moves and disappears from the screen, and the leaves of the street tree T are swaying in the wind.
  • the difference image between the irradiation image 202 and the stop image 204 is as shown in 207. That is, the point of the laser beam P and the leaves of the street tree ⁇ swayed by the wind remain.
  • the minimum value image 208 is obtained. In the image 208 having the minimum value, only the point of the laser light P maintains strong luminance.
  • a low-power laser can detect only a laser beam, and can realize an outdoor distance device that is strong against a change in illuminance.
  • the present invention can be extremely effectively used as a distance measuring device for a target work required for a robot system or the like working outdoors.

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Description

明 細 書
屋外用距離計測装置 技術分野
5 本発明は、 屋外で用いられる距離計測装置に関し、 特に光切断法により距離 を算出する距離計測装置に関するものである。
• 背景技術
- 近年、 距離計測装置は多様化しており、 接触式の計測法に代わり光伝搬時間0 計測法、 両眼立体視法等のような非接触式の計測法が多く使われるようになつ - た。 特に精度面などからロボットのハンドリングなどの用途では、 光切断法が - 一般的である。
- 以下、 一般的な光切断法による計測装置の構成を示す。 図 4は従来の光切断 • 法による距離計測装置例の構成を示すものである。 レーザ投光器 3 0 1によつ5 て、 被測定対象物 3 0 2にレーザ光を照射する。 C C Dカメラ 3 0 3により被 - 測定対象物 3 0 2を撮像すると、 被測定対象物 3 0 2の位置により C C Dカメ - ラ 3 0 3上に投影されるレーザの位置が変化する （三角測量法）。 このレーザ - の位置を求めるために、 C C Dカメラ 3 0 3のアナログ映像信号を AZD変換 - 器 3 0 4でデジタル信号に変換し、 あらかじめ定めた閾値 3 0 5により 2値化0 回路 3 0 6により 2値画像に変換する。 この 2値画像をラベリング処理部 3 0 - 7、 重心検出部 3 0 8でラベリング及び重心検出を行うことにより、 画像上の - レーザ位置の検出が行える。 画像上のレーザ位置が検出できれば、 光学パラメ - ータ （焦点距離、 レーザ投光器 3 0 1及び C C Dカメラ 3 0 3の設置距離と角 - 度） またはキヤリブレーショテーブル 3 0 9により距離算出部 3 1 0で距離の5 算出ができる仕組みである。
- しかしながら、 上記の従来の構成では、 C C Dカメラ 3 0 3に投影されるレ - 一ザの像が画像上の他の場所より明るいことが前提であり、 屋外において、 太 - 陽光の影響を受けるような場所では、 レーザの出力を上げざるを得ず、 安全性 - の面からも問題が残る。 また屋外では、 照度も煩雑に変化するため、 あらかじ - め閾値を定めることもできない。
- そこで、 本発明者は、 受光カメラから得られる画像情報を同時座標変換した - 後、 重ね合わせ処理を行うことによリ周囲光を除去し、 レーザ光のみを識別す 5 る装置を提案した （特開平 8— 9 4 3 2 2号公報参照）。
- ところが、 この提案でも、 動く物体が写った場合、 風等の影響で背景の物体 - が揺れる場合などは、 その画像が除去できず、 ノイズとして残ってしまってい - た。 0 発明の開示
- そこで、 本発明は、 動く物体が写った場合、 風等の影響で背景の物体が揺れ - る場合などもノイズがのることなく、 低出力のレーザで距離測定のできる装置 - を提供することを目的とする。
- この目的を達成するために本発明は、
5 測定対象物にパルス状にレーザ光を照射するレーザ照射手段と、
- 前記レーザ光の照射、 停止に同期させて、 測定対象物の画像を取り込む画像 - 読込み手段と、
- 複数回のレーザ光の照射、 停止により読み込まれる各画像間の差画像の最小 - 値を検出する手段と、
0 前記差画像の最小値から 2値化閾値を決定する手段と、
- 前記差画像の最小値を 2値化し、 レーザの受光位置を検出する手段と、 - を備えたことを特徴とするものである。
- 図面の簡単な説明
5 図 1は本発明の一実施例における距離計測装置の構成図、 図 2は本実施例に - よる映像を示す図、 図 3は本発明における距離算出の例を示す説明図、 図 4は - 従来技術による距離計測装置の構成図である。 - 発明を実施するための最良の形態
• 本発明による一実施例を図面を参照して説明する。 図 1は距離計測装置の構 - 成を示すものである。 図中 1 0 1はレーザ投光器、 1 0 2は被測定対象物、 1 - 0 3は C C Dカメラ、 1 0 4は AZ D変換器、 1 0 5は照射画像、 1 0 6は停 5 止画像、 1 0 7は最小値検出回路、 1 0 8はヒストグラム、 1 0 9は閾値、 1 - 1 0は 2値化処理部、 1 1 1はラベリング処理部、 1 1 2は重心検出部、 1 1 - 3は光学パラメ一タまたはキャリブレーションテーブル、 1 1 4は距離算出部 - である。
- 本実施例では、 レーザ投光器 1 0 1によって、 被測定対象物 1 0 2にレーザ0 の照射、 停止を複数回行い、 それに同期させて C C Dカメラ 1 0 3により被測 - 定対象物 1 0 2を撮像する。
- A/ D変換器 1 0 4でアナ口グの映像信号をデジタル化し、 照射時画像 1 0
• 5、 停止時の画像 1 0 6を別々のメモリに記憶する。 レ一ザの照射、 停止ごと - に照射画像 1 0 5から停止画像 1 0 6を差し引いた画像 （差画像） を求め、 そ5 れらを最小値検出回路 1 0 7により 「差画像の最小値」 を各画素おきに求め記 - 憶、する。
- 図 2に撮像される映像例を示す。 レーザ照射時の画像を 2 0 1〜 2 0 2に、 - レーザ停止時の画像を 2 0 3〜 2 0 4に示す。 屋外での映像では、 レーザの波 - 長成分を太陽光が含んでいるため、 レーザの波長成分のみを透過するバンドパ0 スフィルタを用いても、 画像にはレーザ光以外の映像も撮像される。 レ一ザ照 - 射時の画像から停止時の画像を差し引いた差画像を 2 0 5〜2 0 7に示す。 各 - 画像にはレーザ光が観測されるが、 各撮像間隔時に画像の変化 （レーザ照射時 - に明、 停止時に暗） が起こった場所、 すなわち動きのあった場所に外乱を生じ - る。 これらの差画像 2 0 5〜 2 0 7の最小値を各画素ごとに算出すると、 外乱5 は除去されレーザ光のみが抽出される （2 0 8 )。
- この 「差画像の最小値」 のデータは 1ビットではなく階調を持っているため • ヒストグラム 1 0 8により 2値化閾値 1 0 9を動的に決定することができ、 照 - 度変化の強い屋外環境下においても最適な閾値を用いて 2値画像 （白黒画像） - を生成することができる。 すなわち濃淡画像である 「差画像の最小値」 をその - 閾値より高いレベル （明るい） の画素を白へ、 低いレベル （暗い） の画素を黒 - へ変換することにより白と黒のみの画像 （2値画像） を生成する （2値化回路 - 1 1 0)。 その 2値画像を各々の連結成分に対して異なった名前のラベルを割 5 リ当て、 白の領域の固まり （プロップ） の抽出を行う （ラベリング処理部 1 1 - 1 )。 そのプロップの各画素の位置を求めることにより、 そのプロップの重心 • 位置すなわちレーザ光が C C Dカメラ上に投影される位置を求めることができ - る （重心検出部）。 その重心位置の求め方を次式に示す。 ΥΚ)
Figure imgf000006_0001
- ( χ , y j ： 心 ¾
- (χκ, y K) ： プロップに属する画素の位置
- N ： プロップに属する画素数
- この位置を検出できれば、 3角測量の原理によって光学パラメータ （焦点距5 離、 レーザ投光器 1 0 1及び CCDカメラ 1 03の設置距離と角度など） を用 - いるか、 CCDカメラ上への投影位置と距離との関係を示すキヤリブレ一ショ - ンテーブルを用いるか等により距離の算出が可能となる （距離算出部 1 14)。 - 以下に光学パラメータを用いたときの距離の計算例を示す。 このときの距離計 - 算の説明図を図 3に示す。
0 D (FL-Dxh)
1 -
DF+Lx h
1 ： レーザ投光器 1 0 1から対象物 1 02までの距離
L ： レーザ投光器 1 0 1から出たレ一ザ光が CCDカメラ 1 03の光軸と交 わる点までの距離
5 X ： レーザ光が CCDカメラ 1 03上に投影される画像上での位置 （プロッ ブの重心位置）
h ：画素サイズ
D ： レーザ投光器 1 0 1— CCDカメラ 1 03間の距離 - 図 2を用いて、 被測定対象物を屋外に架線された電線とした場合の本発明の - 作用を説明する。
- 電線 L (説明のため、 若干太く描いている） の背景には街路樹 Tがあり、 鳥 - Bが飛んでおり、 電線 Lの所定の箇所に図 1に示したレーザ投光器 1 0 1によ 5 つて、 レーザ光 Pを投射している。 この様子を示すのが照射画像 2 0 1である。 - 次に、 レーザ光 Pの投射を中止して、 停止画像 2 0 3を得る。 このとき鳥 B - は移動しており、 街路樹 Tの葉も風で揺れている。
• したがって、 照射画像 2 0 1と停止画像 2 0 3の差画像は 2 0 5のようにな - る。 すなわち、 レーザ光 Pの点、 鳥 B、 風で揺れた街路樹 Tの葉の部分が残る。
0 次に、 レーザ光 Pの投射を再開して、 停止画像 2 0 2を得る。 このとき鳥 B - は移動しており、 街路樹 Tの葉も風で揺れている。
- したがって、 停止画像 2 0 3と照射画像 2 0 2の差画像は 2 0 6のようにな - る。 すなわち、 レーザ光 Pの点、 鳥 B、 風で揺れた街路樹 Tの葉の部分が残る。 - 次に、 レーザ光 Pの投射を中止して、 停止画像 2 0 4を得る。 このとき鳥 B5 は移動して画面から消えており、 街路樹 Tの葉も風で揺れている。
- したがって、 照射画像 2 0 2と停止画像 2 0 4の差画像は 2 0 7のようにな - る。 すなわち、 レーザ光 Pの点、 風で揺れた街路樹 τの葉の部分が残る。 - 最後に、 差画像 2 0 5， 2 0 6 , 2 0 7の最小値 （各画素は濃淡値が入って - いる） を求めると最小値の画像 2 0 8となる。 最小値の画像 2 0 8では、 レ一0 ザ光 Pの点のみが強い輝度を保っている。
- これにより、 太陽光による背景がノイズとならず、 レーザ光の照射点のみを - 抽出できたことになる。
- 以上のような本発明では、 低出力のレーザでもレーザ光のみを検出でき、 照 - 度の変化にも強レ、屋外用距離装置を実現できる。
5
- 産業上の利用可能性
- 本発明は、 屋外で作業するロボットシステム等に必要な対象ワークの距離測 - 定装置として極めて有効に利用することができる。

Claims

- 請 求 の 範 囲
- 1 . 測定対象物にパルス状にレーザ光を照射するレーザ照射手段と、
- 前記レーザ光の照射、 停止に同期させて、 測定対象物の画像を取り込む画像
- 読込み手段と、
5 複数回のレーザ光の照射、 停止により読み込まれる各画像間の差画像の最小 - 値を検出する手段と、
- 前記差画像の最小値から 2値化閾値を決定する手段と、
- 前記差画像の最小値を 2値化し、 レーザの受光位置を検出する手段と、 - を備えたことを特徴とする屋外用距離計測装置。
0
5
0
5
PCT/JP1998/000594 1997-02-14 1998-02-12 Telemetre pour l'exterieur WO1998036238A1 (fr)

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