WO2013031448A1 - 物体検出装置および情報取得装置 - Google Patents

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WO2013031448A1
WO2013031448A1 PCT/JP2012/069126 JP2012069126W WO2013031448A1 WO 2013031448 A1 WO2013031448 A1 WO 2013031448A1 JP 2012069126 W JP2012069126 W JP 2012069126W WO 2013031448 A1 WO2013031448 A1 WO 2013031448A1
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WO
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optical system
dot pattern
dots
distance
pixel
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PCT/JP2012/069126
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山口　淳
山口　光隆
武藤　裕之
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三洋電機株式会社
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    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/002—Specific input/output arrangements not covered by G06F3/01 - G06F3/16
    • G06F3/005—Input arrangements through a video camera
    • G—PHYSICS
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    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
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    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/46—Indirect determination of position data
    • G01S17/48—Active triangulation systems, i.e. using the transmission and reflection of electromagnetic waves other than radio waves
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    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/89—Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging

Definitions

  • the present invention relates to an object detection apparatus that detects an object in a target area based on a state of reflected light when light is projected onto the target area, and an information acquisition apparatus suitable for use in the object detection apparatus.
  • An object detection device using light has been developed in various fields.
  • An object detection apparatus using a so-called distance image sensor can detect not only a planar image on a two-dimensional plane but also the shape and movement of the detection target object in the depth direction.
  • light in a predetermined wavelength band is projected from a laser light source or LED (Light-Emitting-Diode) onto a target area, and the reflected light is received by a light-receiving element such as a CMOS image sensor.
  • CMOS image sensor Light-Emitting-Diode
  • a distance image sensor of a type that irradiates a target region with laser light having a predetermined dot pattern reflected light from the target region of laser light having a dot pattern is received by a light receiving element. Based on the light receiving position of the dot on the light receiving element, the distance to each part of the detection target object (irradiation position of each dot on the detection target object) is detected using triangulation (for example, non-patent) Reference 1).
  • triangulation for example, non-patent
  • the projection optical system and the light receiving optical system are arranged side by side.
  • the dot light receiving position on the image sensor is normally displaced only in the direction in which the projection optical system and the light receiving optical system are arranged.
  • the distance is detected based on the movement amount of the dots in the direction in which the projection optical system and the light receiving optical system are arranged.
  • the light receiving position of the dots on the image sensor is perpendicular to the alignment direction of the projection optical system and the light receiving optical system. Deviation can occur in any direction.
  • An object is to provide an information acquisition device and an object detection device that can acquire distance information.
  • the 1st aspect of this invention is related with the information acquisition apparatus which acquires the information of a target area
  • the information acquisition device is arranged so as to be lined up with a projection optical system that projects a laser beam with a predetermined dot pattern on a target area and spaced apart by a predetermined distance from the projection optical system,
  • a light receiving optical system that captures an image of a target area with an image sensor, a reference dot pattern that is imaged by the light receiving optical system when the laser beam is irradiated on a reference surface, and an actual measurement that is acquired by imaging the target area during distance measurement
  • a distance acquisition unit that acquires a distance for the position.
  • one or both of the reference dot pattern and the actually measured dot pattern are extended in one or both of the directions perpendicular to the alignment direction of the projection optical system and the light receiving optical system. The distance is acquired using the dot pattern.
  • the second aspect of the present invention relates to an object detection apparatus.
  • the object detection apparatus according to this aspect includes the information acquisition apparatus according to the first aspect.
  • an information acquisition device capable of appropriately acquiring distance information even when the light receiving position of a dot is shifted in a direction perpendicular to the alignment direction of the projection optical system and the light receiving optical system.
  • an object detection apparatus can be provided.
  • an information acquisition device of a type that irradiates a target area with laser light having a predetermined dot pattern is exemplified.
  • FIG. 1 shows a schematic configuration of the object detection apparatus according to the present embodiment.
  • the object detection device includes an information acquisition device 1 and an information processing device 2.
  • the television 3 is controlled by a signal from the information processing device 2.
  • the information acquisition device 1 projects infrared light over the entire target area and receives the reflected light with a CMOS image sensor, whereby the distance between each part of the object in the target area (hereinafter referred to as “three-dimensional distance information”). To get.
  • the acquired three-dimensional distance information is sent to the information processing apparatus 2 via the cable 4.
  • the information processing apparatus 2 is, for example, a controller for TV control, a game machine, a personal computer, or the like.
  • the information processing device 2 detects an object in the target area based on the three-dimensional distance information received from the information acquisition device 1, and controls the television 3 based on the detection result.
  • the information processing apparatus 2 detects a person based on the received three-dimensional distance information and detects the movement of the person from the change in the three-dimensional distance information.
  • the information processing device 2 is a television control controller
  • the information processing device 2 detects the person's gesture from the received three-dimensional distance information, and outputs a control signal to the television 3 in accordance with the gesture.
  • the application program to be installed is installed.
  • the user can cause the television 3 to execute a predetermined function such as channel switching or volume up / down by making a predetermined gesture while watching the television 3.
  • the information processing device 2 when the information processing device 2 is a game machine, the information processing device 2 detects the person's movement from the received three-dimensional distance information, and displays a character on the television screen according to the detected movement.
  • An application program that operates and changes the game battle situation is installed. In this case, the user can experience a sense of realism in which he / she plays a game as a character on the television screen by making a predetermined movement while watching the television 3.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the information acquisition device 1 and the information processing device 2.
  • the information acquisition apparatus 1 includes a projection optical system 100 and a light receiving optical system 200 as a configuration of an optical unit.
  • the projection optical system 100 and the light receiving optical system 200 are arranged in the information acquisition apparatus 1 so as to be aligned in the X-axis direction.
  • the projection optical system 100 includes a laser light source 110, a collimator lens 120, a leakage mirror 130, a diffractive optical element: and (DOE Diffractive Optical Element) 140, and a FMD (FrontMonitor Diode) 150.
  • the light receiving optical system 200 includes an aperture 210, an imaging lens 220, a filter 230, and a CMOS image sensor 240.
  • the information acquisition apparatus 1 includes a CPU (Central Processing Unit) 21, a laser driving circuit 22, a PD signal processing circuit 23, an imaging signal processing circuit 24, an input / output circuit 25, A memory 26 is provided.
  • CPU Central Processing Unit
  • the laser light source 110 outputs laser light in a narrow wavelength band with a wavelength of about 830 nm in a direction away from the light receiving optical system 200 (X-axis negative direction).
  • the collimator lens 120 converts the laser light emitted from the laser light source 110 into light slightly spread from parallel light (hereinafter simply referred to as “parallel light”).
  • the leakage mirror 130 is composed of a multilayer film of dielectric thin films, and the number of layers and the thickness of the film are designed so that the reflectance is slightly lower than 100% and the transmittance is several steps smaller than the reflectance.
  • the leakage mirror 130 reflects most of the laser light incident from the collimator lens 120 side in the direction toward the DOE 140 (Z-axis direction) and transmits the remaining part in the direction toward the FMD 150 (X-axis negative direction).
  • the DOE 140 has a diffraction pattern on the incident surface. Due to the diffractive action of this diffraction pattern, the laser light incident on the DOE 140 is converted into laser light having approximately 30,000 dot patterns and is irradiated onto the target area.
  • the diffraction pattern has, for example, a structure in which a step type diffraction hologram is formed in a predetermined pattern. The diffraction hologram is adjusted in pattern and pitch so as to convert the laser light converted into parallel light by the collimator lens 120 into laser light of a dot pattern.
  • the DOE 140 irradiates the target region with the laser beam incident from the leakage mirror 130 as a laser beam having a dot pattern that spreads radially.
  • the size of each dot in the dot pattern depends on the beam size of the laser light when entering the DOE 140.
  • the FMD 150 receives the laser light transmitted through the leakage mirror 130 and outputs an electrical signal corresponding to the amount of light received.
  • the laser light reflected from the target area enters the imaging lens 220 through the aperture 210.
  • the aperture 210 stops the light from the outside so as to match the F number of the imaging lens 220.
  • the imaging lens 220 collects the light incident through the aperture 210 on the CMOS image sensor 240.
  • the filter 230 is an IR filter (Infrared Filter) that transmits light in the infrared wavelength band including the emission wavelength (about 830 nm) of the laser light source 110 and cuts the wavelength band of visible light.
  • the CMOS image sensor 240 receives the light collected by the imaging lens 220 and outputs a signal (charge) corresponding to the amount of received light to the imaging signal processing circuit 24 for each pixel.
  • the output speed of the signal is increased so that the signal (charge) of the pixel can be output to the imaging signal processing circuit 24 with high response from light reception in each pixel.
  • CPU 21 controls each unit according to a control program stored in memory 26.
  • the CPU 21 is provided with the functions of a laser control unit 21a for controlling the laser light source 110 and a distance acquisition unit 21b for generating three-dimensional distance information.
  • the laser drive circuit 22 drives the laser light source 110 according to a control signal from the CPU 21.
  • the PD signal processing circuit 23 amplifies and digitizes the voltage signal corresponding to the amount of received light output from the FMD 150 and outputs it to the CPU 21.
  • the CPU 21 determines to amplify or decrease the light amount of the laser light source 110 by processing by the laser control unit 21a.
  • the laser control unit 21 a transmits a control signal for changing the light emission amount of the laser light source 110 to the laser driving circuit 22. Thereby, the power of the laser beam emitted from the laser light source 110 is controlled to be substantially constant.
  • the imaging signal processing circuit 24 controls the CMOS image sensor 240 and sequentially takes in the signal (charge) of each pixel generated by the CMOS image sensor 240 for each line. Then, the captured signals are sequentially output to the CPU 21. Based on the signal (imaging signal) supplied from the imaging signal processing circuit 24, the CPU 21 calculates the distance from the information acquisition device 1 to each part of the detection target by processing by the distance acquisition unit 21b.
  • the input / output circuit 25 controls data communication with the information processing apparatus 2.
  • the information processing apparatus 2 includes a CPU 31, an input / output circuit 32, and a memory 33.
  • the information processing apparatus 2 has a configuration for performing communication with the television 3 and for reading information stored in an external memory such as a CD-ROM and installing it in the memory 33.
  • an external memory such as a CD-ROM
  • the configuration of these peripheral circuits is not shown for the sake of convenience.
  • the CPU 31 controls each unit according to a control program (application program) stored in the memory 33.
  • a control program application program
  • the CPU 31 is provided with the function of the object detection unit 31a for detecting an object in the image.
  • a control program is read from a CD-ROM by a drive device (not shown) and installed in the memory 33, for example.
  • the object detection unit 31a detects a person in the image and its movement from the three-dimensional distance information supplied from the information acquisition device 1. Then, a process for operating the character on the television screen according to the detected movement is executed by the control program.
  • the object detection unit 31 a detects a person in the image and its movement (gesture) from the three-dimensional distance information supplied from the information acquisition device 1. To do. Then, processing for controlling functions (channel switching, volume adjustment, etc.) of the television 3 is executed by the control program in accordance with the detected movement (gesture).
  • the input / output circuit 32 controls data communication with the information acquisition device 1.
  • FIG. 3 is a perspective view showing an installation state of the projection optical system 100 and the light receiving optical system 200.
  • the projection optical system 100 and the light receiving optical system 200 are disposed on the base plate 300.
  • the optical members constituting the projection optical system 100 are installed in the housing 100a, and the housing 100a is installed on the base plate 300. Thereby, the projection optical system 100 is arranged on the base plate 300.
  • Reference numerals 150a and 240a denote FPCs (flexible printed circuit boards) for supplying signals from the FMD 150 and the CMOS image sensor 240 to a circuit board (not shown), respectively.
  • the optical member constituting the light receiving optical system 200 is installed in the holder 200a, and this holder 200a is attached to the base plate 300 from the back surface of the base plate 300. As a result, the light receiving optical system 200 is disposed on the base plate 300.
  • the height in the Z-axis direction is higher than that of the projection optical system 100.
  • the periphery of the arrangement position of the light receiving optical system 200 is raised by one step in the Z-axis direction.
  • the positions of the exit pupil of the projection optical system 100 and the entrance pupil of the light receiving optical system 200 substantially coincide with each other in the Z-axis direction. Further, the projection optical system 100 and the light receiving optical system 200, as an imaging center of the center of projection and light receiving optical system 200 of the projection optical system 100 are arranged on a straight line parallel to the X axis, arranged at a predetermined distance in the X-axis direction Installed at.
  • the installation interval between the projection optical system 100 and the light receiving optical system 200 is set according to the distance between the information acquisition device 1 and the reference plane of the target area.
  • the distance between the reference plane and the information acquisition device 1 varies depending on how far away the target is to be detected. The closer the distance to the target to be detected is, the narrower the installation interval between the projection optical system 100 and the light receiving optical system 200 is. Conversely, as the distance to the target to be detected increases, the installation interval between the projection optical system 100 and the light receiving optical system 200 increases.
  • FIG. 4A is a diagram schematically showing the irradiation state of the laser light on the target region
  • FIG. 4B is a diagram schematically showing the light receiving state of the laser light in the CMOS image sensor 240.
  • FIG. 5B shows a flat surface (screen) in the target area and a light receiving state when a person is present in front of the screen.
  • the projection optical system 100 irradiates a target region with laser light having a dot pattern (hereinafter, the entire laser light having this pattern is referred to as “DP light”).
  • DP light the entire laser light having this pattern
  • the luminous flux region of DP light is indicated by a solid line frame.
  • dot areas elevated intensity of the laser beam by the diffraction action by the DOE 140 (hereinafter, simply referred to as "dots") are scattered according to the dot pattern due to the diffraction effect of DOE 140.
  • DP light reflected thereby is distributed on the CMOS image sensor 240 as shown in FIG.
  • the entire DP light receiving area on the CMOS image sensor 240 is indicated by a dashed frame, and the DP light receiving area incident on the imaging effective area of the CMOS image sensor 240 is indicated by a solid frame.
  • the effective imaging area of the CMOS image sensor 240 is an area where a signal is output as a sensor among areas where the CMOS image sensor 240 receives DP light, and has a size of, for example, VGA (640 pixels ⁇ 480 pixels).
  • VGA 640 pixels ⁇ 480 pixels
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a reference pattern setting method used in the distance detection method.
  • a flat reflection plane RS perpendicular to the Z-axis direction is disposed at a position at a predetermined distance Ls from the projection optical system 100.
  • the emitted DP light is reflected by the reflection plane RS and enters the CMOS image sensor 240 of the light receiving optical system 200.
  • an electrical signal for each pixel in the effective imaging area is output from the CMOS image sensor 240.
  • the output electric signal value (pixel value) for each pixel is developed on the memory 26 of FIG.
  • an image including all pixel values obtained by reflection from the reflection surface RS is referred to as a “reference image”, and the reflection surface RS is referred to as a “reference surface”.
  • FIG. 5B shows a state in which the light receiving surface is seen through in the positive direction of the Z axis from the back side of the CMOS image sensor 240. The same applies to the drawings after FIG.
  • a plurality of segment areas having a predetermined size are set for the reference pattern area thus set.
  • the size of the segment area is determined in consideration of the contour extraction accuracy of the object based on the obtained distance information and the load of the calculation amount of distance detection for the CPU 21.
  • each segment area is indicated by 7 pixels ⁇ 7 pixels, and the center pixel of each segment area is indicated by a cross.
  • the segment areas are set so that adjacent segment areas are arranged at intervals of one pixel in the X-axis direction and the Y-axis direction with respect to the reference pattern area. That is, a certain segment area is set at a position shifted by one pixel with respect to a segment area adjacent to the segment area in the X-axis direction and the Y-axis direction. At this time, each segment area is dotted with dots in a unique pattern. Therefore, the pattern of pixel values in the segment area is different for each segment area. The smaller the interval between adjacent segment areas, the greater the number of segment areas included in the reference pattern area, and the resolution of distance detection in the in-plane direction (XY plane direction) of the target area is enhanced.
  • reference pattern area on the CMOS image sensor 240 information on the position of the reference pattern area on the CMOS image sensor 240, pixel values (reference patterns) of all pixels included in the reference pattern area, and segment area information set for the reference pattern area are shown in FIG. 2 memory 26. These pieces of information stored in the memory 26 are hereinafter referred to as “reference templates”.
  • the CPU 21 calculates the distance to each part of the object based on the shift amount of the dot pattern in each segment area obtained from the reference template.
  • DP light corresponding to a predetermined segment area Sn on the reference pattern is reflected by the object, and the segment area Sn. It is incident on a different region Sn ′. Since the projection optical system 100 and the light receiving optical system 200 are adjacent to each other in the X-axis direction, the displacement direction of the region Sn ′ with respect to the segment region Sn is parallel to the X-axis. In the case of FIG. 5A, since the object is located at a position closer than the distance Ls, the region Sn ′ is displaced in the positive direction of the X axis with respect to the segment region Sn. If the object is at a position farther than the distance Ls, the region Sn ′ is displaced in the negative X-axis direction with respect to the segment region Sn.
  • the distance Lr from the projection optical system 100 to the part of the object irradiated with DP light (DPn) is triangulated using the distance Ls.
  • the distance from the projection optical system 100 is calculated for the part of the object corresponding to another segment area.
  • the CMOS image sensor 240 it is detected to which position the segment region Sn of the reference template has been displaced at the time of actual measurement. This detection is performed by collating the dot pattern obtained from the DP light irradiated onto the CMOS image sensor 240 at the time of actual measurement with the dot pattern included in the segment region Sn.
  • an image made up of all the pixel values obtained from the DP light irradiated to the imaging effective area on the CMOS image sensor 240 at the time of actual measurement will be referred to as “measured image”.
  • the effective imaging area of the CMOS image sensor 240 at the time of actual measurement is, for example, the size of VGA (640 pixels ⁇ 480 pixels) as in the case of acquiring the reference image.
  • FIGS. 6A to 6E are diagrams for explaining such a distance detection method.
  • FIG. 6A is a diagram showing a reference pattern region set in a standard image on the CMOS image sensor 240
  • FIG. 6B is a diagram showing an actually measured image on the CMOS image sensor 240 at the time of actual measurement.
  • FIGS. 6C to 6E are diagrams for explaining a method for collating the dot pattern of the DP light included in the actual measurement image and the dot pattern included in the segment area of the reference template.
  • FIGS. 6A and 6B only a part of the segment areas is shown for convenience.
  • the actual image of FIG. 6 (b) for convenience, as shown in FIG. 4 (b), the are present person before the reference plane as a detection target object, that the image of the person is crowded-through It is shown.
  • a search range Ri is set for the segment area Si on the actual measurement image.
  • the search range Ri has a predetermined width in the X-axis direction.
  • the segment area Si is sent pixel by pixel in the search range Ri in the X-axis direction, and the dot pattern of the segment area Si is compared with the dot pattern on the measured image at each feed position.
  • a region corresponding to each feed position on the actually measured image is referred to as a “comparison region”.
  • a plurality of comparison areas having the same size as the segment area Si are set in the search range Ri, and the comparison areas adjacent in the X-axis direction are shifted by one pixel from each other.
  • the search range Ri is determined by the direction in which the detection target object moves away from the reference plane toward the information acquisition device 1 and the distance that can be detected in the approaching direction. In FIG. 6, there is a range of a position that is shifted by x pixels in the X-axis positive direction from a position shifted by x pixels in the X-axis negative direction from the pixel position on the actual measurement image corresponding to the pixel position of the segment region Si on the reference image.
  • the search range Ri is set.
  • the degree of matching between the dot pattern of the segment area Si stored in the reference template and the dot pattern of the DP light of the measured image is obtained at each feed position. It is done. As described above, the segment area Si is sent only in the X-axis direction within the search range Ri as described above. Normally, the dot pattern of the segment area set by the reference template is a predetermined value in the X-axis direction at the time of actual measurement. This is because the displacement occurs only within the range.
  • the dot pattern corresponding to the segment area may protrude from the actual measurement image in the X-axis direction.
  • the dot pattern corresponding to the segment area S1 is X more than the measured image.
  • Positioned in the negative axis direction since the dot pattern corresponding to the segment area is not within the effective imaging area of the CMOS image sensor 240, this area cannot be properly matched. However, since areas other than the edge region can be appropriately matched, the influence on the object distance detection is small.
  • the effective imaging area of the CMOS image sensor 240 at the time of actual measurement can be made larger than the effective imaging area of the CMOS image sensor 240 at the time of acquiring the reference image.
  • an effective imaging area is set with a size of VGA (640 pixels ⁇ 480 pixels) at the time of acquiring a reference image, it is 30 pixels larger in the X-axis positive direction and the X-axis negative direction than that when actually measured. Set the effective imaging area by size. As a result, the actually measured image becomes larger than the reference image, but the edge region can also be appropriately matched.
  • the pixel value of each pixel in the reference pattern area and the pixel value of each pixel in each segment area of the measured image are binarized and stored in the memory 26.
  • the pixel values of the reference image and the actually measured image are 8-bit gradations, among the pixel values of 0 to 255, pixels that are equal to or greater than a predetermined threshold are pixels whose pixel value is 1 and pixels that are less than the predetermined threshold are pixels
  • the value is converted to 0 and stored in the memory 26.
  • the similarity between the comparison region and the segment region Si is obtained. That is, the difference between the pixel value of each pixel in the segment area Si and the pixel value of the pixel corresponding to the comparison area is obtained.
  • a value Rsad obtained by adding the obtained difference to all the pixels in the comparison region is acquired as a value indicating the similarity.
  • FIG. 6D the value Rsad is obtained for all the comparison regions in the search range Ri for the segment region Si.
  • FIG. 6E is a graph schematically showing the magnitude of the value Rsad at each feed position in the search range Ri.
  • the minimum value Bt1 is referred to from the obtained value Rsad.
  • the second smallest value Bt2 is referred to from the obtained value Rsad. If the position of the minimum value Bt1 and the second smallest value Bt2 are two pixels or more apart and the difference value Es is less than the threshold value, the search for the segment area Si is regarded as an error.
  • the comparison area Ci corresponding to the minimum value Bt1 is determined as the movement area of the segment area Si.
  • the comparison area Ci is shifted by ⁇ pixels in the positive X-axis direction from the pixel position Si0 on the measured image at the same position as the pixel position of the segment area Si on the reference image. Detected. This is because the dot pattern of the DP light on the measured image is displaced in the X-axis positive direction from the segment area Si on the reference image by a detection target object (person) that is present at a position closer to the reference plane.
  • the dot pattern of DP light acquired during the actual measurement the displacement position of each segment region is searched, as described above, on the basis of the displacement position, by triangulation, corresponding to each segment area detection The distance to the part of the target object is obtained.
  • segment area search is performed for all the segment areas from segment area S1 to segment area Sn.
  • the dot pattern reflected at the time of actual measurement usually shifts only in the X-axis direction.
  • the light receiving position of the dot pattern may be shifted in the Y-axis direction due to the influence of the mounting position shift due to the temporal change of the CMOS image sensor 240 and the optical aberration of the DOE 140.
  • FIG. 7 is a diagram showing a situation when the mounting position of the CMOS image sensor 240 is shifted due to a change over time.
  • FIG. 7A shows an ideal state of the CMOS image sensor 240 and the reference image obtained by capturing the DP light when the reference image is acquired.
  • the CMOS image sensor 240 is mounted such that the upper and lower ends are parallel to the X axis and the left and right ends are parallel to the Y axis.
  • FIG. 7B shows a state in which the relationship between the CMOS image sensor 240 at the time of actual measurement image acquisition and the actual measurement image obtained by capturing the DP light is inappropriate due to a change over time or the like.
  • the CMOS image sensor 240 is inclined with respect to the in-plane direction of the XY plane as compared with the case of FIG.
  • the irradiation position of the DP light does not change, and when the mounting position of the CMOS image sensor 240 is inclined, the incident position of the DP light with respect to the CMOS image sensor 240 is also shifted with respect to the Y-axis direction.
  • the search for the segment area is performed as described above. Since it is shifted in the direction, matching cannot be performed normally.
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing a matching situation when the dot pattern is shifted by one pixel in the positive Y-axis direction in the comparative example.
  • the above-described distance detection method is performed using the dot pattern detected on the CMOS image sensor 240 as it is.
  • FIG. 8A is a diagram showing a dot detection situation in a segment area and a dot detection situation in a comparison area at a position corresponding to the segment area.
  • FIG. 8B is a diagram showing a matching situation when the segment area and the comparison area in FIG. 8A overlap each other, and FIG. 8C shows the segment area from the state of FIG. It is a figure which shows the matching condition when 1 pixel has shifted
  • each segment area is surrounded by a solid line and the comparison area is surrounded by a broken line.
  • pixels indicating dots included in the segment area, pixels indicating dots included in the comparison area, and pixels indicating dots matched with the dots included in the comparison area are hatched. Note that the dots included in the comparison area are reflected by an object located at the same position as the reference plane.
  • each dot is treated as an equivalent dot to other dots.
  • the dots in the comparison area corresponding to the segment area are detected with a shift of one pixel in the positive Y-axis direction. In this way, dots for 8 pixels are detected in each of the segment area and the comparison area.
  • matching processing is executed in a state where the dot pattern detected by the CMOS image sensor 240 is extended in the Y-axis direction in advance.
  • FIG. 9 is a diagram showing a flow of distance detection processing in the present embodiment.
  • FIG. 9A is a diagram showing the flow of the reference template generation process. These processes are performed by the setting person using the setting device when setting up the information acquisition device 1.
  • the DP light reflected in a state where only the reference plane is arranged is imaged to obtain a reference image (S11).
  • the setting device performs binarization processing on the reference image obtained from the CMOS image sensor 240 (S12).
  • the reference image is an image in which the presence or absence of dots is represented by 0 and 1.
  • the setting device sets the segment area on the binarized standard image and generates a reference template (S13).
  • the generated reference template is stored in an unerasable state in the memory 26 of FIG.
  • the reference template thus stored in the memory 26 is referred to by the CPU 21 when detecting the distance.
  • FIG. 9B is a diagram showing the flow of processing when detecting distance. These processes are performed by the distance acquisition unit 21b of the CPU 21 of the information acquisition device 1 when detecting the distance.
  • the DP light reflected from the target area is imaged to obtain a measured image (S21).
  • CPU21 performs the binarization process of the measurement image similarly to the reference image (S22).
  • the actual measurement image is an image in which the presence or absence of dots is expressed by 0 and 1 like the reference image.
  • the CPU 21 performs a process of extending the dot pattern of the binarized standard image included in the reference template and the binarized actual measurement image (S23).
  • FIG. 10 is a diagram showing the flow of the dot pattern extension process in S23 of FIG. 9B. The process of FIG. 10 is performed in parallel on the dot pattern of the reference image and the dot pattern of the actually measured image.
  • the CPU 21 reads the dot pattern (binarized signal) of the reference image and the actually measured image expressed by 0 and 1 into a two-dimensional array Ar of m rows ⁇ n columns (S201).
  • the direction in which the number of rows increases corresponds to the positive Y-axis direction shown in FIG. 8A, and the direction in which the number of columns increases corresponds to the positive X-axis direction shown in FIG.
  • the reference image and the actual measurement image have a VGA size and are read into a two-dimensional array of 640 rows ⁇ 480 columns.
  • the CPU 21 sets 1 to the variable i indicating the row position (S202), and sets 1 to the variable j indicating the column position (S203). Then, it is determined whether or not there is a dot in the pixel corresponding to the array Ar (i, j) (S204).
  • the array Ar (i, j) into which the reference image and the measured image are read stores a value of 0 or 1 depending on the presence or absence of a dot. When 1 is stored, a pixel corresponding to the position is stored. There are dots. In S204, it is determined whether the value of the array Ar (i, j) is 1.
  • the array Ar (i ⁇ ) in the row above the array Ar (i, j) (Y-axis negative direction) It is determined whether a dot exists in the pixel corresponding to (1, j) (S205). If there is no dot in the pixel corresponding to the array Ar (i-1, j) (S205: NO), the process proceeds to S206. If there is a dot in the pixel corresponding to the row above the array Ar (i, j) (S205: YES), the process proceeds to S207.
  • the CPU 21 sets a dot in the pixel corresponding to the position of the array Ar (i-1, j).
  • the CPU 21 determines whether or not the variable j indicating the column is the last m column (S209). When the variable j is not m (S209: NO), the CPU 21 adds 1 to the variable j (S210), and returns the process to S204. When the variable j is m (S209: YES), the CPU 21 determines whether or not the variable i indicating the row is the last n rows (S211).
  • the CPU 21 When the variable i is not n (S211: NO), the CPU 21 adds 1 to the variable i (S212), and returns the process to S203.
  • the variable i is n (S211: YES)
  • the CPU 21 stores the updated array Ar in the memory 26 as an updated dot pattern of the reference image and the actually measured image (S213).
  • the dot patterns included in the reference image and the actually measured image are extended by one pixel in the Y-axis positive direction and the Y-axis negative direction and stored in the memory 26.
  • the CPU 21 performs matching processing of the distance detection method using the reference image and the actual measurement image that are extended pixel by pixel in the Y-axis positive direction and the Y-axis negative direction by S23 (see FIG. 9B). S24).
  • FIG. 11 is a diagram schematically showing a matching situation when the dot pattern is shifted by one pixel in the positive Y-axis direction in the present embodiment.
  • FIG. 11A is a diagram showing a dot distribution state when the dot pattern is stretched on the segment area and the comparison area at a position corresponding to the segment area.
  • FIG. 11B is a diagram showing a matching situation when the segment area and the comparison area overlap each other, and
  • FIG. 11C is a diagram illustrating the segment area shifted by one pixel from the state of FIG. It is a figure which shows the matching condition at the time.
  • the dots in the segment area and the comparison area are extended one pixel at a time in the Y-axis positive direction and in the Y-axis negative direction compared to the case of FIG.
  • the interval between the detected dots is one pixel, only one pixel is extended. In this manner, 19 pixels of dots are distributed in the segment area and the comparison area, respectively.
  • the dots in the segment area and the comparison area are extended pixel by pixel in the Y-axis direction. There are more dots to be matched than.
  • the comparison area since the dot pattern before stretching is shifted by one pixel in the positive Y-axis direction, the dot before stretching in the segment area and the portion of the dot that is extended by one pixel in the Y-axis positive direction with respect to this dot The dots for two pixels of the dots are matched with the dots for two pixels in the comparison area.
  • the difference value (Rsad), the difference value of the comparative example (Rsad) ( 16) It will be 36, which is considerably higher than that.
  • the dots one pixel at a time in the positive Y-axis direction and in the negative Y-axis direction at least some of the extended dots can be easily matched.
  • the dots for at least two pixels are matched.
  • the dots for at least one pixel are matched.
  • the difference value (Rsad) when the segment area overlaps the comparison area other than the corresponding comparison area. ) Becomes larger. Therefore, the difference value when the comparison area overlap corresponding segment area and to (Rsad) is relatively smaller than the difference value when the segment region is overlapped with the other comparison area (Rsad).
  • FIG. 12 is a graph showing a result of a simulation performed by the inventors of the present application to confirm the effect of the present embodiment.
  • 15 DP light dots are irradiated in a predetermined pattern in a segment area of 15 pixels ⁇ 15 pixels.
  • all dots are detected under the condition that all the dots are detected in a state shifted by one pixel in the vertical direction (Y-axis positive direction) from the position at which the reference image was acquired.
  • the difference value (Rsad) is obtained for each of the conditions (without vertical pixel deviation) detected in a state where the pixel is not displaced in the vertical direction.
  • an area corresponding to the segment area on the actual measurement image is set to a pixel deviation amount of 0, and when a matching search is performed in the range of the pixel deviation amount from ⁇ 5 to +5 in the X axis positive / negative direction from this area.
  • a difference value (Rsad) is obtained.
  • the detection target is at the same position as the reference plane.
  • FIG. 12A is a graph showing a matching result using a dot pattern in which dots are extended by one pixel in the Y-axis positive direction and the Y-axis negative direction as described above, and FIG. It is a graph which shows a matching result when not extending a dot in a Y-axis positive direction and a Y-axis negative direction like a comparative example.
  • a graph when there is a pixel shift in the vertical direction (Y-axis direction) is indicated by a solid line
  • a graph when there is no pixel shift in the vertical direction (Y-axis direction) is indicated by a broken line.
  • the horizontal axis indicates the search range in the X-axis direction as the amount of pixel shift
  • the vertical axis indicates the difference value (Rsad) at each search position.
  • the dots in the segment area and the comparison area are in the Y-axis positive direction and Y-direction at positions other than the pixel shift amount 0.
  • the difference value (Rsad) has a high value of 60 to 100. Further, at the position where the pixel shift amount is 0, all the dots are matched, and the difference value (Rsad) is 0. In this case, the minimum value of the difference value (Rsad) is 0, the smaller the difference value second (Rsad), since a substantially 60, each of the difference becomes sufficiently large, are properly matched.
  • the difference value (Rsad) is a high value of 60 to 100. Further, at the position of pixel shift amount 0, by dots of segment area and comparative area is extended by one pixel in the Y-axis positive and negative directions, at least, one part dots are matching, the difference value (Rsad) is approximately 30 It is.
  • the minimum value of the difference value (Rsad) is approximately 30, and the second smallest difference value (Rsad) is approximately 60, and each difference is sufficiently large. Therefore, it can be seen that, even when the dots are displaced in the vertical direction (Y-axis direction) during the actual measurement, the dots are properly matched.
  • the difference value (Rsad) is 20 at positions other than the pixel shift amount 0. It is a value of ⁇ 30. Further, at the position where the pixel shift amount is 0, all the dots are matched, and the difference value (Rsad) is 0. In this case, as described above, since the difference between the minimum value of the difference value (Rsad) and the second smallest difference value (Rsad) is sufficiently large, matching is appropriately performed.
  • the difference value is obtained at a position other than the pixel shift amount 0. (Rsad) has a value of 20-30. Further, at the position where the pixel shift amount is 0, the dot in the comparison area is shifted by one pixel in the vertical direction (Y-axis negative direction), so that there is almost no matching dot, and the difference value (Rsad) is approximately 30. Yes. Therefore, in the comparative example, it can be seen that when the dots are shifted in the vertical direction (Y-axis direction) during actual measurement, the dots cannot be properly matched and distance detection results in an error.
  • the dot patterns of the reference image and the actually measured image are matched in a state where they are extended in the Y-axis positive direction and the Y-axis negative direction, the light receiving position of the dot at the time of actual measurement is Even if it deviates in the Y-axis positive direction or the Y-axis negative direction, the distance can be detected appropriately.
  • the distance can be detected appropriately, so that the temperature adjusting element for the laser light source 110 and the like can be omitted.
  • the cost of the information acquisition device 1 can be reduced.
  • the dot patterns of both the reference image and the measured image are each extended by one pixel in the Y-axis positive direction and the negative direction, respectively, but only the dot pattern of the reference image or only the dot pattern of the measured image May be extended in the Y-axis direction.
  • FIG. 13 is a diagram schematically showing a matching situation in Modification 1 in which only the dot pattern of the actually measured image is extended by one pixel in the Y-axis positive direction and the Y-axis negative direction.
  • FIG. 13A is a diagram showing a dot distribution situation in the segment area of the first modification and a dot distribution situation in the comparison area at a position corresponding to the segment area.
  • FIG. 13B is a diagram showing a matching situation when the segment area overlaps the comparison area
  • FIG. 13C is a diagram when the segment area is shifted by one pixel from the state of FIG. 13B. It is a figure which shows the matching condition.
  • dots are not extended in the Y-axis direction, and dots for 8 pixels are distributed. Further, in the comparison area, as in the above embodiment, the dots are extended pixel by pixel in the Y-axis positive direction and the Y-axis negative direction, and dots for 19 pixels are distributed.
  • the difference between the minimum value of the difference value (Rsad) and the second smallest difference value (Rsad) is smaller than that in the case of FIG. , Get pretty big. Therefore, also in the case of the modification example 1, it can be seen that, even when the dots are displaced in the Y-axis direction during the actual measurement, matching is appropriately performed.
  • the dots in both the segment area and the comparison area are extended by one pixel in the Y-axis direction, even if they are shifted up to two pixels in the Y-axis positive and negative directions during measurement.
  • the dot in the comparison area is extended in the Y-axis direction, and thus the dot is shifted to one pixel in the Y-axis positive direction and the Y-axis negative direction at the time of actual measurement. But it is matched appropriately.
  • FIG. 14 is a diagram schematically showing a matching situation in the modification 2 in which only the dot pattern of the reference image is extended in the Y-axis positive direction and the Y-axis negative direction.
  • FIG. 14A is a diagram showing the dot distribution status in the segment area of the second modification and the dot distribution status in the comparison area corresponding to the segment area.
  • FIG. 14B is a diagram showing a matching situation when the segment area overlaps the comparison area
  • FIG. 14C is a diagram when the segment area is shifted by one pixel from the state of FIG. It is a figure which shows a matching condition.
  • the amount of enlargement in the Y-axis direction of the dots in the reference image or the actual measurement image may be increased.
  • the dot extension amount is greater than or equal to the number of pixels included in one side of the segment area, all dots in the segment area are extended to the pixel area limit (9 pixels) in the Y-axis direction of the segment area. The uniqueness of will be greatly lost.
  • the dot extension amount is at least smaller than the number of pixels included in one side of the segment area.
  • the number of dots generated by the DOE 140 is approximately 30,000
  • the total number of pixels of the CMOS image sensor 240 is approximately 300,000
  • the average interval between adjacent dots on the CMOS image sensor 240 is , Approximately 2.5 pixels.
  • the dots when the dots are extended in the Y-axis direction beyond the average interval between adjacent dots, the adjacent dots in the Y-axis direction interfere with each other, and the dots tend to be greatly continuous in the Y-axis direction. The uniqueness of the dot pattern is easily lost.
  • FIG. 15B when the dots are extended in the Y-axis direction beyond the average interval between adjacent dots, the adjacent dots in the Y-axis direction interfere with each other, and the dots tend to be greatly continuous in the Y-axis direction. The uniqueness of the dot pattern is easily lost.
  • FIG. 15B when the dots are extended in the Y-axis direction beyond the average interval between adjacent dots, the adjacent dots in the Y-axis direction interfere with each other, and the dots tend to be greatly continuous in the
  • the dot pattern of one or both of the reference image and the actually measured image is extended in both the Y-axis positive direction and the Y-axis negative direction. If it is stretched only in one of the positive and negative Y-axis directions, it can be matched appropriately even if the dots are shifted from either the positive or negative Y-axis direction during measurement. Can do.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating a matching situation in the third modification in which the dot pattern of the reference image is extended by one pixel in the positive direction of the Y axis and the dot pattern of the actually measured image is extended by one pixel in the negative direction of the Y axis.
  • FIG. 16A is a diagram showing a dot distribution situation in the segment area of the third modification and a dot distribution situation in the comparison area corresponding to the segment area.
  • FIG. 16B shows a matching situation when the segment area and the comparison area overlap
  • FIG. 16C shows a matching situation when the segment area is shifted by one pixel from FIG. 16B.
  • FIG. 16A is a diagram showing a dot distribution situation in the segment area of the third modification and a dot distribution situation in the comparison area corresponding to the segment area.
  • FIG. 16B shows a matching situation when the segment area and the comparison area overlap
  • FIG. 16C shows a matching situation when the segment area is shifted by one pixel from FIG. 16B.
  • dots are extended by one pixel only in the positive Y-axis direction, and dots for 14 pixels are distributed. Further, in the comparison area, dots are extended by one pixel only in the negative Y-axis direction, and dots for 14 pixels are distributed.
  • the dots in the segment area are extended by one pixel in the positive Y-axis direction (dot displacement direction during measurement).
  • all the dots are matched by extending the dots in the comparison region by one pixel in the direction opposite to the displacement direction at the time of actual measurement. Therefore, the difference value (Rsad) is 0, which is the smallest.
  • the difference value (Rsad) is 28.
  • the dot pattern of either one or both of the segment area and the comparison area is in the Y-axis positive direction or If it is extended only to one side in the negative Y-axis direction, matching can be performed appropriately.
  • the dot pattern tends to spread radially around the 0th order light due to the optical characteristics of the DOE 140.
  • the dot in the segment region at a position away from the center of the dot pattern in the Y-axis positive direction, the dot is extended in the Y-axis positive direction, and in the segment region at a position away from the Y-axis negative direction, in the Y-axis negative direction. You just need to stretch the dots. In this way, even when the dot pattern is shifted in the Y-axis direction due to the variation in the emission wavelength of the laser beam, matching can be performed appropriately.
  • the dot pattern is extended in both the Y-axis positive direction and the Y-axis negative direction as in the above embodiment.
  • the dot pattern is extended every time when measuring the distance.
  • symbol is attached
  • the CPU 21 determines whether the matching error occurrence rate exceeds a predetermined threshold (S51). .
  • the matching error occurrence rate is obtained by, for example, storing the past matching processing results for a predetermined number of times in the memory 26, obtaining the occurrence rate of each matching error, and averaging the obtained occurrence rates. Calculated.
  • the CPU 21 performs a process of extending the dot pattern of the reference image and the measured image (S23). Then, the CPU 21 performs matching processing using the reference image and the actually measured image in which the dot pattern is extended in the Y-axis direction (S24).
  • the CPU 21 proceeds to S24 without performing the dot pattern extension process. Then, the CPU 21 performs a matching process using the reference image and the actually measured image in which the dot pattern is not extended (S24).
  • the dot pattern is extended in the Y-axis direction only when a matching error continues. Therefore, in a situation where it is not necessary to stretch the dot pattern, the dot pattern stretching process is not performed, and the amount of calculation applied to the CPU 21 can be reduced.
  • the CPU 21 detects the temperature around the laser light source 110 (S61).
  • the temperature detection process is performed, for example, by reading a signal output by a temperature detection element arranged near the laser light source 110 by the CPU 21. Then, the CPU 21 determines whether or not a temperature change from a predetermined temperature set in advance exceeds a predetermined threshold (S62).
  • the CPU 21 When the temperature change exceeds the predetermined threshold (S62: YES), the CPU 21 performs a process of extending the dot pattern of the reference image and the actually measured image (S23). Then, the CPU 21 performs matching processing using the reference image and the actually measured image in which the dot pattern is extended in the Y-axis direction (S24).
  • the CPU 21 proceeds to S24 without performing the dot pattern extension process. Then, the CPU 21 performs a matching process using the reference image and the actually measured image in which the dot pattern is not extended (S24).
  • the dot pattern is stretched in the Y-axis direction only when the temperature in the vicinity of the laser light source 110 changes more than a predetermined temperature. Therefore, the enlargement process is performed only when the emission wavelength of the laser light source 110 fluctuates due to the temperature change, and in the situation where it is not necessary, the dot pattern extension process is not performed, and the amount of calculation applied to the CPU 21 is reduced. Can do.
  • whether or not the dot pattern extension process is necessary is determined only by the matching error occurrence rate and in the modification example 5 only by the temperature change, the matching error occurrence rate and the temperature of the laser light source 110 are determined. By determining both of the changes, it may be determined whether or not the dot pattern extension process is necessary.
  • the dot extension process is performed on a segment area basis during the matching process. It may be broken. This increases the amount of computation required for the dot pattern stretching process, but as shown in FIGS. 15A and 15B, even if the stretching amount in the Y-axis direction is increased, the dots outside the segment area are stretched. The influence by being able to be eliminated can be eliminated.
  • all the dots included in the reference image or the actually measured image are extended in the Y-axis direction, but only a part of the dots may be extended.
  • the extension process may be performed only on the segment area and the comparison area that are likely to be shifted without performing the extension process on all the segment areas and the comparison areas.
  • the dots included in the reference image or the measured image are extended by one pixel in the Y-axis positive direction and the Y-axis negative direction, but other numbers of pixels may be used. The number of pixels may not be the same in the negative Y-axis direction.
  • the dot stretching process was performed at the time of actual measurement.
  • a dot pattern in which dots were stretched in advance was retained, and at the time of actual measurement, the dot pattern was retained in advance.
  • the matching process may be performed using the elongated dot pattern.
  • the stretched dot pattern with respect to the reference image may be held in the memory 26 together with the reference image when setting up the information acquisition apparatus 1.
  • an error is determined based on whether the difference between Rsad with the highest matching rate and Rsad with the next highest matching rate exceeds a threshold.
  • An error may be determined based on whether Rsad having the highest collation rate exceeds a predetermined threshold.
  • the pixel values of the pixels included in the segment area and the comparison area are binarized before calculating the matching rate between the segment area and the comparison area. You may match using a value as it is.
  • the pixel value obtained by the CMOS image sensor 240 is binarized as it is.
  • the pixel value is subjected to correction processing such as predetermined pixel weighting processing and background light removal processing. After performing, you may binarize.
  • the distance information is obtained using the triangulation method and stored in the memory 26.
  • the distance using the triangulation method is set.
  • the displacement amount (pixel shift amount) of the segment area may be acquired as the distance information without calculating.
  • the FMD 150 is used for the projection optical system 100, but the FMD 150 may be omitted.
  • the filter 230 is disposed to remove light in a wavelength band other than the wavelength band of the laser light irradiated to the target region.
  • light other than the laser light irradiated to the target region is used.
  • the filter 230 can be omitted.
  • the arrangement position of the aperture 210 may be between any two imaging lenses.
  • the CMOS image sensor 240 is used as the light receiving element, but a CCD image sensor can be used instead. Furthermore, the configurations of the projection optical system 100 and the light receiving optical system 200 can be changed as appropriate.
  • the information acquisition device 1 and the information processing device 2 may be integrated, or the information acquisition device 1 and the information processing device 2 may be integrated with a television, a game machine, or a personal computer.
  • DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Information acquisition apparatus 21 ... CPU (distance acquisition part) 21b ... Distance acquisition unit (distance acquisition unit) 24 ... Imaging signal processing circuit (distance acquisition unit) 26 ... Memory (storage unit) DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Projection optical system 110 ... Laser light source 120 ... Collimator lens 140 ... DOE (diffractive optical element) 200 ... Light receiving optical system

Abstract

イメージセンサ上において、投射光学系と受光光学系の並び方向に対して垂直な方向にドットの受光位置がずれた場合にも、適正に距離情報を取得可能な情報取得装置および物体検出装置を提供する。情報取得装置（１）は、投射光学系（１００）と、受光光学系（２００）と、基準画像と、実測画像とを保持するメモリ（２６）と、基準画像にセグメント領域を設定し、実測画像とセグメント領域内のドットとを照合することにより、距離を取得する距離取得部（２１ｂ）と、を備える。距離取得部は、基準画像と実測画像のいずれか一方または両方のドットが投射光学系と受光光学系の並び方向に垂直な方向の一方または両方に引き延ばされたドットパターンを用いて、距離の取得を行う。これにより、垂直な方向にドットの受光位置がずれた場合にも、適正に距離情報を取得できる。

Description

物体検出装置および情報取得装置
　本発明は、目標領域に光を投射したときの反射光の状態に基づいて目標領域内の物体を検出する物体検出装置および当該物体検出装置に用いて好適な情報取得装置に関する。
　従来、光を用いた物体検出装置が種々の分野で開発されている。いわゆる距離画像センサを用いた物体検出装置では、２次元平面上の平面的な画像のみならず、検出対象物体の奥行き方向の形状や動きを検出することができる。かかる物体検出装置では、レーザ光源やＬＥＤ（Light Emitting Diode）から、予め決められた波長帯域の光が目標領域に投射され、その反射光がＣＭＯＳイメージセンサ等の受光素子により受光される。距離画像センサとして、種々のタイプのものが知られている。
　所定のドットパターンを持つレーザ光を目標領域に照射するタイプの距離画像センサでは、ドットパターンを持つレーザ光の目標領域からの反射光が受光素子によって受光される。そして、ドットの受光素子上の受光位置に基づいて、三角測量法を用いて、検出対象物体の各部（検出対象物体上の各ドットの照射位置）までの距離が検出される（たとえば、非特許文献１）。
第１９回日本ロボット学会学術講演会（２００１年９月１８－２０日）予稿集、Ｐ１２７９－１２８０
　上記物体検出装置では、投射光学系と受光光学系が横に並ぶように配置される。この場合、通常、イメージセンサ上のドットの受光位置は、投射光学系と受光光学系の並び方向にのみ変位する。上記物体検出装置では、投射光学系と受光光学系の並び方向のドットの移動量をもとに、距離が検出される。
　しかし、イメージセンサの経時変化による取り付け位置のずれ、および光学素子の光学的な収差等の影響によって、イメージセンサ上のドットの受光位置は、投射光学系と受光光学系の並び方向に対して垂直な方向にずれが発生し得る。
　この場合、投射光学系と受光光学系の並び方向にのみドットの移動を探索すると、ドットの移動量の検出が適正に行えず、検出対象物体の各部までの距離の検出精度が劣化するとの問題が生じる。
　本発明は、この点に鑑みてなされたものであり、イメージセンサ上において、投射光学系と受光光学系の並び方向に対して垂直な方向にドットの受光位置がずれた場合にも、適正に距離情報を取得可能な情報取得装置および物体検出装置を提供することを目的とする。
　本発明の第１の態様は、光を用いて目標領域の情報を取得する情報取得装置に関する。本態様に係る情報取得装置は、目標領域に所定のドットパターンでレーザ光を投射する投射光学系と、前記投射光学系に対して所定の距離だけ横方向に離れて並ぶように配置され、前記目標領域をイメージセンサにより撮像する受光光学系と、基準面に前記レーザ光を照射したときに前記受光光学系により撮像された基準ドットパターンと、距離測定時に目標領域を撮像して取得された実測ドットパターンとを保持する記憶部と、前記基準ドットパターンにセグメント領域を設定し、前記実測ドットパターンと前記セグメント領域内のドットとを照合することにより、前記セグメント領域に対応する前記目標領域内の位置について距離を取得する距離取得部と、を備える。前記距離取得部は、前記基準ドットパターンと前記実測ドットパターンのいずれか一方または両方の前記ドットが前記投射光学系と前記受光光学系の並び方向に垂直な方向の一方または両方に引き延ばされたドットパターンを用いて、前記距離の取得を行う。
　本発明の第２の態様は、物体検出装置に関する。本態様に係る物体検出装置は、上記第１の態様に係る情報取得装置を有する。
　本発明によれば、イメージセンサ上において、投射光学系と受光光学系の並び方向に対して垂直な方向にドットの受光位置がずれた場合にも、適正に距離情報を取得可能な情報取得装置および物体検出装置を提供することができる。
　本発明の効果ないし意義は、以下に示す実施の形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下に示す実施の形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施の形態により何ら制限されるものではない。
実施の形態に係る物体検出装置の構成を示す図である。 実施の形態に係る情報取得装置と情報処理装置の構成を示す図である。 実施の形態に係る投射光学系と受光光学系の外観を示す斜視図である。 実施の形態に係る目標領域に対するレーザ光の照射状態とイメージセンサ上のレーザ光の受光状態を示す図である。 実施の形態に係る参照パターンの生成方法を説明する図である。 実施の形態に係る距離検出手法を説明する図である。 実施の形態に係るイメージセンサの取り付け位置がずれた場合の状況を示す図である。 比較例に係るＹ軸方向にドットパターンがずれた場合のマッチング状況を示す図である。 実施の形態に係る距離検出処理の流れを示す図である。 実施の形態に係るドットパターンのＹ軸方向の引き延ばし処理の流れを示す図である。 実施の形態に係るＹ軸方向にドットパターンがずれた場合のマッチング状況を示す図である。 実施の形態および比較例に係るＹ方向にドットパターンがずれた場合とずれない場合のマッチング結果を示すグラフである。 変更例１に係るＹ軸方向にドットパターンがずれた場合のマッチングの状況を示す図である。 変更例２に係るＹ軸方向にドットパターンがずれた場合のマッチングの状況を示す図である。 実施の形態および変更例に係るドットパターンの引き延ばしの影響を示す図である。 変更例３に係るＹ軸方向にドットパターンがずれた場合のマッチングの状況を示す図である。 変更例４および変更例５に係るドットパターンのＹ軸方向の引き延ばし処理の流れを示す図である。
　以下、本発明の実施の形態につき図面を参照して説明する。本実施の形態には、所定のドットパターンを持つレーザ光を目標領域に照射するタイプの情報取得装置が例示されている。
　まず、図１に本実施の形態に係る物体検出装置の概略構成を示す。図示の如く、物体検出装置は、情報取得装置１と、情報処理装置２とを備えている。テレビ３は、情報処理装置２からの信号によって制御される。
　情報取得装置１は、目標領域全体に赤外光を投射し、その反射光をＣＭＯＳイメージセンサにて受光することにより、目標領域にある物体各部の距離（以下、「３次元距離情報」という）を取得する。取得された３次元距離情報は、ケーブル４を介して情報処理装置２に送られる。
　情報処理装置２は、たとえば、テレビ制御用のコントローラやゲーム機、パーソナルコンピュータ等である。情報処理装置２は、情報取得装置１から受信した３次元距離情報に基づき、目標領域における物体を検出し、検出結果に基づきテレビ３を制御する。
　たとえば、情報処理装置２は、受信した３次元距離情報に基づき人を検出するとともに、３次元距離情報の変化から、その人の動きを検出する。たとえば、情報処理装置２がテレビ制御用のコントローラである場合、情報処理装置２には、受信した３次元距離情報からその人のジェスチャを検出するとともに、ジェスチャに応じてテレビ３に制御信号を出力するアプリケーションプログラムがインストールされている。この場合、ユーザは、テレビ３を見ながら所定のジェスチャをすることにより、チャンネル切り替えやボリュームのＵｐ／Ｄｏｗｎ等、所定の機能をテレビ３に実行させることができる。
　また、たとえば、情報処理装置２がゲーム機である場合、情報処理装置２には、受信した３次元距離情報からその人の動きを検出するとともに、検出した動きに応じてテレビ画面上のキャラクタを動作させ、ゲームの対戦状況を変化させるアプリケーションプログラムがインストールされている。この場合、ユーザは、テレビ３を見ながら所定の動きをすることにより、自身がテレビ画面上のキャラクタとしてゲームの対戦を行う臨場感を味わうことができる。
　図２は、情報取得装置１と情報処理装置２の構成を示す図である。
　情報取得装置１は、光学部の構成として、投射光学系１００と受光光学系２００とを備えている。投射光学系１００と受光光学系２００は、Ｘ軸方向に並ぶように、情報取得装置１に配置される。
　投射光学系１００は、レーザ光源１１０と、コリメータレンズ１２０と、リーケージミラー１３０と、回折光学素子（ＤＯＥ：Diffractive Optical Element）１４０と、ＦＭＤ（FrontMonitor Diode）１５０とを備えている。また、受光光学系２００は、アパーチャ２１０と、撮像レンズ２２０と、フィルタ２３０と、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０とを備えている。この他、情報取得装置１は、回路部の構成として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２１と、レーザ駆動回路２２と、ＰＤ信号処理回路２３と、撮像信号処理回路２４と、入出力回路２５と、メモリ２６を備えている。
　レーザ光源１１０は、受光光学系２００から離れる方向（Ｘ軸負方向）に波長８３０ｎｍ程度の狭波長帯域のレーザ光を出力する。コリメータレンズ１２０は、レーザ光源１１０から出射されたレーザ光を平行光から僅かに広がった光（以下、単に「平行光」という）に変換する。
　リーケージミラー１３０は、誘電体薄膜の多層膜からなり、反射率が１００％よりも若干低く、透過率が反射率よりも数段小さくなるように膜の層数や膜厚が設計されている。リーケージミラー１３０は、コリメータレンズ１２０側から入射されたレーザ光の大部分をＤＯＥ１４０に向かう方向（Ｚ軸方向）に反射し、残りの一部分をＦＭＤ１５０に向かう方向（Ｘ軸負方向）に透過する。
　ＤＯＥ１４０は、入射面に回折パターンを有する。この回折パターンによる回折作用により、ＤＯＥ１４０に入射したレーザ光は、略３万個のドットパターンのレーザ光に変換されて、目標領域に照射される。回折パターンは、たとえば、ステップ型の回折ホログラムが所定のパターンで形成された構造とされる。回折ホログラムは、コリメータレンズ１２０により平行光とされたレーザ光をドットパターンのレーザ光に変換するよう、パターンとピッチが調整されている。
　ＤＯＥ１４０は、リーケージミラー１３０から入射されたレーザ光を、放射状に広がるドットパターンのレーザ光として、目標領域に照射する。ドットパターンの各ドットの大きさは、ＤＯＥ１４０に入射する際のレーザ光のビームサイズに応じたものとなる。
　ＦＭＤ１５０は、リーケージミラー１３０を透過したレーザ光を受光し、受光量に応じた電気信号を出力する。
　目標領域から反射されたレーザ光は、アパーチャ２１０を介して撮像レンズ２２０に入射する。
　アパーチャ２１０は、撮像レンズ２２０のＦナンバーに合うように、外部からの光に絞りを掛ける。撮像レンズ２２０は、アパーチャ２１０を介して入射された光をＣＭＯＳイメージセンサ２４０上に集光する。フィルタ２３０は、レーザ光源１１０の出射波長（８３０ｎｍ程度）を含む赤外の波長帯域の光を透過し、可視光の波長帯域をカットするＩＲフィルタ（Infrared Filter）である。
　ＣＭＯＳイメージセンサ２４０は、撮像レンズ２２０にて集光された光を受光して、画素毎に、受光量に応じた信号（電荷）を撮像信号処理回路２４に出力する。ここで、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０は、各画素における受光から高レスポンスでその画素の信号（電荷）を撮像信号処理回路２４に出力できるよう、信号の出力速度が高速化されている。
　ＣＰＵ２１は、メモリ２６に格納された制御プログラムに従って各部を制御する。かかる制御プログラムによって、ＣＰＵ２１には、レーザ光源１１０を制御するためのレーザ制御部２１ａと、３次元距離情報を生成するための距離取得部２１ｂの機能が付与される。
　レーザ駆動回路２２は、ＣＰＵ２１からの制御信号に応じてレーザ光源１１０を駆動する。ＰＤ信号処理回路２３は、ＦＭＤ１５０から出力された受光量に応じた電圧信号を増幅およびデジタル化してＣＰＵ２１に出力する。ＣＰＵ２１は、ＰＤ信号処理回路２３から供給される信号をもとに、レーザ制御部２１ａによる処理によって、レーザ光源１１０の光量を増幅もしくは減少させる判断を行う。レーザ光源１１０の光量を変化させる必要があると判断された場合、レーザ制御部２１ａは、レーザ光源１１０の発光量を変化させる制御信号をレーザ駆動回路２２に送信する。これにより、レーザ光源１１０から出射されるレーザ光のパワーが略一定に制御される。
　撮像信号処理回路２４は、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０を制御して、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０で生成された各画素の信号（電荷）をライン毎に順次取り込む。そして、取り込んだ信号を順次ＣＰＵ２１に出力する。ＣＰＵ２１は、撮像信号処理回路２４から供給される信号（撮像信号）をもとに、情報取得装置１から検出対象物の各部までの距離を、距離取得部２１ｂによる処理によって算出する。入出力回路２５は、情報処理装置２とのデータ通信を制御する。
　情報処理装置２は、ＣＰＵ３１と、入出力回路３２と、メモリ３３を備えている。なお、情報処理装置２には、同図に示す構成の他、テレビ３との通信を行うための構成や、ＣＤ－ＲＯＭ等の外部メモリに格納された情報を読み取ってメモリ３３にインストールするためのドライブ装置等が配されるが、便宜上、これら周辺回路の構成は図示省略されている。
　ＣＰＵ３１は、メモリ３３に格納された制御プログラム（アプリケーションプログラム）に従って各部を制御する。かかる制御プログラムによって、ＣＰＵ３１には、画像中の物体を検出するための物体検出部３１ａの機能が付与される。かかる制御プログラムは、たとえば、図示しないドライブ装置によってＣＤ－ＲＯＭから読み取られ、メモリ３３にインストールされる。
　たとえば、制御プログラムがゲームプログラムである場合、物体検出部３１ａは、情報取得装置１から供給される３次元距離情報から画像中の人およびその動きを検出する。そして、検出された動きに応じてテレビ画面上のキャラクタを動作させるための処理が制御プログラムにより実行される。
　また、制御プログラムがテレビ３の機能を制御するためのプログラムである場合、物体検出部３１ａは、情報取得装置１から供給される３次元距離情報から画像中の人およびその動き（ジェスチャ）を検出する。そして、検出された動き（ジェスチャ）に応じて、テレビ３の機能（チャンネル切り替えやボリューム調整、等）を制御するための処理が制御プログラムにより実行される。
　入出力回路３２は、情報取得装置１とのデータ通信を制御する。
　図３は、投射光学系１００と受光光学系２００の設置状態を示す斜視図である。
　投射光学系１００と受光光学系２００は、ベースプレート３００に配置される。投射光学系１００を構成する光学部材は、ハウジング１００ａに設置され、このハウジング１００ａがベースプレート３００上に設置される。これにより、投射光学系１００がベースプレート３００上に配置される。１５０ａ、２４０ａは、それぞれ、ＦＭＤ１５０、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０からの信号を回路基板（図示せず）に供給するためのＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）である。
　受光光学系２００を構成する光学部材は、ホルダ２００ａに設置され、このホルダ２００ａが、ベースプレート３００の背面からベースプレート３００に取りつけられる。これにより、受光光学系２００がベースプレート３００に配置される。なお、受光光学系２００は、Ｚ軸方向に光学部材が並ぶため、投射光学系１００と比べ、Ｚ軸方向の高さが高くなっている。ベースプレート３００は、Ｚ軸方向の高さを抑えるために、受光光学系２００の配置位置周辺がＺ軸方向に一段高くなっている。
　図３に示す設置状態において、投射光学系１００の射出瞳と受光光学系２００の入射瞳の位置は、Ｚ軸方向において、略一致する。また、投射光学系１００と受光光学系２００は、投射光学系１００の投射中心と受光光学系２００の撮像中心がＸ軸に平行な直線上に並ぶように、Ｘ軸方向に所定の距離をもって並んで設置される。
　投射光学系１００と受光光学系２００の設置間隔は、情報取得装置１と目標領域の基準面との距離に応じて、設定される。どの程度離れた目標物を検出対象とするかによって、基準面と情報取得装置１との間の距離が変わる。検出対象の目標物までの距離が近くなるほど、投射光学系１００と受光光学系２００の設置間隔は狭くなる。逆に、検出対象の目標物までの距離が遠くなるほど、投射光学系１００と受光光学系２００の設置間隔は広くなる。
　図４（ａ）は、目標領域に対するレーザ光の照射状態を模式的に示す図、図４（ｂ）は、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０におけるレーザ光の受光状態を模式的に示す図である。なお、同図（ｂ）には、便宜上、目標領域に平坦な面（スクリーン）とスクリーンの前に人物が存在するときの受光状態が示されている。
　図４（ａ）に示すように、投射光学系１００からは、ドットパターンを持ったレーザ光（以下、このパターンを持つレーザ光の全体を「ＤＰ光」という）が、目標領域に照射される。図４（ａ）には、ＤＰ光の光束領域が実線の枠によって示されている。ＤＰ光の光束中には、ＤＯＥ１４０による回折作用によってレーザ光の強度が高められたドット領域（以下、単に「ドット」という）が、ＤＯＥ１４０による回折作用によるドットパターンに従って点在している。
　目標領域に平坦な面（スクリーン）が存在すると、これにより反射されたＤＰ光は、図４（ｂ）のように、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上に分布する。
　図４（ｂ）には、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上のＤＰ光の全受光領域が破線の枠によって示され、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の撮像有効領域に入射するＤＰ光の受光領域が実線の枠によって示されている。ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の撮像有効領域は、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０がＤＰ光を受光した領域のうち、センサとして信号を出力する領域であり、たとえば、ＶＧＡ（６４０画素×４８０画素）のサイズである。また、同図（ａ）に示す目標領域上におけるＤｔ０の光は、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上では、同図（ｂ）に示すＤｔ’０の位置に入射する。スクリーンの前の人物の像は、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上では、上下左右が反転して撮像される。
　ここで、図５、図６を参照して、上記距離検出の方法を説明する。
　図５は、上記距離検出手法に用いられる参照パターンの設定方法を説明する図である。
　図５（ａ）に示すように、投射光学系１００から所定の距離Ｌｓの位置に、Ｚ軸方向に垂直な平坦な反射平面ＲＳが配置される。出射されたＤＰ光は、反射平面ＲＳによって反射され、受光光学系２００のＣＭＯＳイメージセンサ２４０に入射する。これにより、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０から、撮像有効領域内の画素毎の電気信号が出力される。出力された画素毎の電気信号の値（画素値）は、図２のメモリ２６上に展開される。以下、反射面ＲＳからの反射によって得られた全画素値からなる画像を、「基準画像」、反射面ＲＳを「基準面」と称する。そして、図５（ｂ）に示すように、基準画像上に、「参照パターン領域」が設定される。なお、図５（ｂ）には、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の背面側から受光面をＺ軸正方向に透視した状態が図示されている。図６以降の図においても同様である。
　こうして設定された参照パターン領域に対して、所定の大きさを有する複数のセグメント領域が設定される。セグメント領域の大きさは、得られる距離情報による物体の輪郭抽出精度とＣＰＵ２１に対する距離検出の演算量の負荷を考慮して決定される。
　図５（ｃ）を参照して、参照パターン領域に設定されるセグメント領域について説明する。なお、図５（ｃ）には、便宜上、各セグメント領域の大きさが７画素×７画素で示され、各セグメント領域の中央の画素が×印で示されている。
　セグメント領域は、図５（ｃ）に示すように、隣り合うセグメント領域が参照パターン領域に対してＸ軸方向およびＹ軸方向に１画素間隔で並ぶように設定される。すなわち、あるセグメント領域は、このセグメント領域のＸ軸方向およびＹ軸方向に隣り合うセグメント領域に対して１画素ずれた位置に設定される。このとき、各セグメント領域には、固有のパターンでドットが点在する。よって、セグメント領域内の画素値のパターンは、セグメント領域毎に異なっている。隣り合うセグメント領域の間隔が狭いほど、参照パターン領域内に含まれるセグメント領域の数が多くなり、目標領域の面内方向（Ｘ－Ｙ平面方向）における距離検出の分解能が高められる。
　こうして、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上における参照パターン領域の位置に関する情報と、参照パターン領域に含まれる全画素の画素値（参照パターン）と、参照パターン領域に対して設定されるセグメント領域の情報が、図２のメモリ２６に記憶される。メモリ２６に記憶されるこれらの情報を、以下、「参照テンプレート」と称する。
　図２のＣＰＵ２１は、投射光学系１００から検出対象物体の各部までの距離を算出する際に、参照テンプレートを参照する。ＣＰＵ２１は、距離を算出する際に、参照テンプレートから得られる各セグメント領域内のドットパターンのずれ量に基づいて、物体の各部までの距離を算出する。
　たとえば、図５（ａ）に示すように距離Ｌｓよりも近い位置に物体がある場合、参照パターン上の所定のセグメント領域Ｓｎに対応するＤＰ光（ＤＰｎ）は、物体によって反射され、セグメント領域Ｓｎとは異なる領域Ｓｎ’に入射する。投射光学系１００と受光光学系２００はＸ軸方向に隣り合っているため、セグメント領域Ｓｎに対する領域Ｓｎ’の変位方向はＸ軸に平行となる。図５（ａ）の場合、物体が距離Ｌｓよりも近い位置にあるため、領域Ｓｎ’は、セグメント領域Ｓｎに対してＸ軸正方向に変位する。物体が距離Ｌｓよりも遠い位置にあれば、領域Ｓｎ’は、セグメント領域Ｓｎに対してＸ軸負方向に変位する。
　セグメント領域Ｓｎに対する領域Ｓｎ’の変位方向と変位量をもとに、投射光学系１００からＤＰ光（ＤＰｎ）が照射された物体の部分までの距離Ｌｒが、距離Ｌｓを用いて、三角測量法に基づき算出される。同様にして、他のセグメント領域に対応する物体の部分について、投射光学系１００からの距離が算出される。かかる算出手法の詳細は、たとえば、上記非特許文献１（第１９回日本ロボット学会学術講演会（２００１年９月１８－２０日）予稿集、Ｐ１２７９－１２８０）に示されている。
　かかる距離算出では、参照テンプレートのセグメント領域Ｓｎが、実測時においてどの位置に変位したかを検出する。この検出は、実測時にＣＭＯＳイメージセンサ２４０上に照射されたＤＰ光から得られたドットパターンと、セグメント領域Ｓｎに含まれるドットパターンとを照合することによって行われる。以下、実測時にＣＭＯＳイメージセンサ２４０上の撮像有効領域に照射されたＤＰ光から得られた全画素値からなる画像を、「実測画像」と称する。実測時のＣＭＯＳイメージセンサ２４０の撮像有効領域は、基準画像取得時と同様に、たとえば、ＶＧＡ（６４０画素×４８０画素）のサイズである。
　図６（ａ）～（ｅ）は、かかる距離検出の手法を説明する図である。図６（ａ）は、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上における基準画像に設定された参照パターン領域を示す図であり、図６（ｂ）は、実測時のＣＭＯＳイメージセンサ２４０上の実測画像を示す図であり、図６（ｃ）～（ｅ）は、実測画像に含まれるＤＰ光のドットパターンと、参照テンプレートのセグメント領域に含まれるドットパターンとの照合方法を説明する図である。なお、図６（ａ）、（ｂ）は、便宜上、一部のセグメント領域のみが示されている。また、図６（ｂ）の実測画像には、便宜上、図４（ｂ）のように、検出対象物体として基準面より前に人物が存在しており、人物の像が写り込んでいることが示されている。
　図６（ａ）のセグメント領域Ｓｉの実測時における変位位置を探索する場合、図６（ｂ）に示すように、実測画像上に、セグメント領域Ｓｉに対して探索範囲Ｒｉが設定される。探索範囲Ｒｉは、Ｘ軸方向に所定の幅を持っている。セグメント領域Ｓｉが探索範囲Ｒｉにおいて１画素ずつＸ軸方向に送られ、各送り位置において、セグメント領域Ｓｉのドットパターンと実測画像上のドットパターンとが比較される。以下、実測画像上の各送り位置に対応する領域を、「比較領域」と称する。探索範囲Ｒｉには、セグメント領域Ｓｉと同じサイズの比較領域が複数設定され、Ｘ軸方向に隣り合う比較領域は互いに１画素ずれている。
　探索範囲Ｒｉは、検出対象物体が基準面よりも情報取得装置１に離れる方向、および近づく方向にどの程度の距離を検出可能な範囲とするかによって決定される。図６中では、基準画像上のセグメント領域Ｓｉの画素位置に対応する実測画像上の画素位置から、Ｘ軸負方向にｘ画素ずれた位置からＸ軸正方向にｘ画素ずれた位置の範囲が探索範囲Ｒｉに設定されている。
　比較領域においてセグメント領域ＳｉをＸ軸方向に１画素ずつ送りながら、各送り位置において、参照テンプレートに記憶されているセグメント領域Ｓｉのドットパターンと、実測画像のＤＰ光のドットパターンのマッチング度合いが求められる。このようにセグメント領域Ｓｉを探索範囲Ｒｉ内においてＸ軸方向にのみ送るのは、上記のように、通常、参照テンプレートにより設定されたセグメント領域のドットパターンは、実測時において、Ｘ軸方向の所定の範囲内でのみ変位するためである。
　なお、実測時には、検出対象物体の位置によっては、セグメント領域に対応するドットパターンが実測画像からＸ軸方向にはみ出すことが起こり得る。たとえば、参照パターン領域のＸ軸負側のセグメント領域Ｓ１に対応するドットパターンが、基準面よりも遠距離の物体に反射された場合、セグメント領域Ｓ１に対応するドットパターンは、実測画像よりもＸ軸負方向に位置づけられる。この場合、セグメント領域に対応するドットパターンは、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の撮像有効領域内にないため、この領域については、適正にマッチングすることができない。しかし、このような端の領域以外については、適正にマッチングすることができるため、物体の距離検出への影響は少ない。
　なお、端の領域についても、適正にマッチングする場合には、実測時のＣＭＯＳイメージセンサ２４０の撮像有効領域を、基準画像取得時のＣＭＯＳイメージセンサ２４０の撮像有効領域よりも、大きくすることができるものを用いればよい。たとえば、基準画像取得時において、ＶＧＡ（６４０画素×４８０画素）のサイズで撮像有効領域が設定された場合、実測時においては、それよりもＸ軸正方向およびＸ軸負方向に３０画素分大きいサイズで撮像有効領域を設定する。これにより、実測画像が基準画像よりも大きくなるが、端の領域についても、適正にマッチングすることができる。
　上記マッチング度合いの検出時には、まず、参照パターン領域の各画素の画素値と実測画像の各セグメント領域の各画素の画素値が２値化されて、メモリ２６に保持される。たとえば、基準画像および実測画像の画素値が８ビットの階調の場合、０～２５５の画素値のうち、所定の閾値以上の画素が、画素値１に、所定の閾値未満の画素が、画素値０に変換されて、メモリ２６に保持される。その後、比較領域とセグメント領域Ｓｉとの間の類似度が求められる。すなわち、セグメント領域Ｓｉの各画素の画素値と、比較領域に対応する画素の画素値との差分が求められる。そして、求めた差分を比較領域の全ての画素について加算した値Ｒｓａｄが、類似度を示す値として取得される。
　たとえば、図６（ｃ）のように、一つのセグメント領域中に、ｍ列×ｎ行の画素が含まれている場合、セグメント領域のｉ列、ｊ行の画素の画素値Ｔ（ｉ，ｊ）と、比較領域のｉ列、ｊ行の画素の画素値Ｉ（ｉ，ｊ）との差分が求められる。そして、セグメント領域の全ての画素について差分が求められ、その差分の総和により、図６（ｃ）に示す式の値Ｒｓａｄが求められる。値Ｒｓａｄが小さい程、セグメント領域と比較領域との間の類似度が高い。
　こうして、図６（ｄ）に示すように、セグメント領域Ｓｉについて、探索範囲Ｒｉの全ての比較領域に対して値Ｒｓａｄが求められる。図６（ｅ）は、探索範囲Ｒｉの各送り位置における値Ｒｓａｄの大小が模式的に示されたグラフである。セグメント領域Ｓｉについて、探索範囲Ｒｉの全ての比較領域に対して値Ｒｓａｄが求められると、まず、求めた値Ｒｓａｄの中から、最小値Ｂｔ１が参照される。次に、求めた値Ｒｓａｄの中から、２番目に小さい値Ｂｔ２が参照される。最小値Ｂｔ１と２番目に小さい値Ｂｔ２の位置が２画素以上離れた位置であり、かつ、その差分値Ｅｓが閾値未満であれば、セグメント領域Ｓｉの探索はエラーとされる。他方、差分値Ｅｓが閾値以上であれば、最小値Ｂｔ１に対応する比較領域Ｃｉが、セグメント領域Ｓｉの移動領域と判定される。たとえば、図６（ｄ）のように、比較領域Ｃｉは、基準画像上のセグメント領域Ｓｉの画素位置と同位置の実測画像上の画素位置Ｓｉ０よりもＸ軸正方向にα画素ずれた位置で検出される。これは、基準面よりも近い位置に存在する検出対象物体（人物）によって、実測画像上のＤＰ光のドットパターンが基準画像上のセグメント領域ＳｉよりもＸ軸正方向に変位したためである。
　こうして、実測時に取得されたＤＰ光のドットパターンから、各セグメント領域の変位位置が探索されると、上記のように、その変位位置に基づいて、三角測量法により、各セグメント領域に対応する検出対象物体の部位までの距離が求められる。
　このようにして、セグメント領域Ｓ１～セグメント領域Ｓｎまで全てのセグメント領域について、上記同様のセグメント領域の探索が行われる。
　ところで、上述のように、通常、実測時において反射されたドットパターンは、Ｘ軸方向のみにずれる。しかし、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の経時変化による取り付け位置のずれ、およびＤＯＥ１４０の光学的な収差等の影響によって、ドットパターンの受光位置がＹ軸方向にずれることが起こり得る。
　図７は、経時変化によって、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の取り付け位置がずれた場合の状況を示す図である。
　図７（ａ）には、基準画像取得時におけるＣＭＯＳイメージセンサ２４０と、ＤＰ光が撮像された基準画像の理想的な状態が示されている。基準画像取得時において、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０は、上下端が、Ｘ軸に対して平行、かつ、左右端が、Ｙ軸に対して平行になるように取り付けられている。
　図７（ｂ）には、実測画像取得時におけるＣＭＯＳイメージセンサ２４０と、ＤＰ光が撮像された実測画像の関係が経時変化等により不適正となった状態が示されている。実測画像取得時において、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０は、図７（ａ）の場合に比べて、ＸＹ平面の面内方向に対して傾いている。
　このように、ＤＰ光の照射位置は変わらず、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の取り付け位置が傾くと、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０に対するＤＰ光の入射位置がＹ軸方向に対してもずれることとなる。
　たとえば、図７（ｃ）に示すように、基準画像取得時において、９画素×９画素のセグメント領域Ｓ１に対して、６つのドットが入射している。実測画像取得時において、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の取り付け位置が傾いていない場合、図７（ｄ）に示すように、セグメント領域Ｓ１に対応する比較領域Ｃ１においても、同様の位置に６つのドットが入射する。しかし、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の取り付け位置が傾くと、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０に対するドットパターンの入射位置がＸ軸方向およびＹ軸方向にずれ、たとえば、比較領域Ｃ’１のように、Ｙ軸正方向に１画素ずれた位置に入射する。このような角度ずれは、Ｘ軸正方向またはＸ軸負方向に離れるほど、Ｙ軸方向のずれ量が大きくなり、端の位置において、１画素以内のずれに抑えるのは、困難である。
　このように、セグメント領域Ｓ１のドットパターンの入射位置と、セグメント領域Ｓ１に対応する比較領域Ｃ’１の入射位置がＹ軸方向にずれると、セグメント領域の探索は、上述のように、Ｘ軸方向にずらして行われるため、正常にマッチングすることができなくなる。
　図８は、比較例におけるＹ軸正方向にドットパターンが１画素ずれた場合のマッチング状況を模式的に示す図である。
　比較例では、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上に検出されたドットパターンをそのまま用いて、上記距離検出の手法が行われる。
　図８（ａ）は、セグメント領域におけるドットの検出状況、および、当該セグメント領域に対応する位置の比較領域におけるドットの検出状況を示す図である。また、図８（ｂ）は、図８（ａ）のセグメント領域と比較領域とが重なったときのマッチング状況を示す図、図８（ｃ）は、図８（ｂ）の状態からセグメント領域が１画素ずれたときのマッチング状況を示す図である。図中、それぞれ、セグメント領域が実線で囲まれ、比較領域が破線で囲まれて示されている。また、図示のごとく、セグメント領域に含まれるドットを示す画素と、比較領域に含まれるドットを示す画素と、比較領域に含まれるドットにマッチングされたドットを示す画素がハッチングで示されている。なお、比較領域に含まれるドットは、基準面と同位置にある物体によって反射されたものである。
　図８（ａ）に示すように、セグメント領域には、６つのＤＰ光のドットが入射している。６つのうち、中央の２つのＤＰ光のドットは、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上の画素をＹ軸方向に跨ぐように入射しているため、Ｙ軸方向に２画素においてドットが検出されている。なお、１つのＤＰ光のドットが２つの画素を跨ぐように入射した場合、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０から出力される信号は、１つの画素に入射した場合よりも、小さくなるが、前述したように、２値化されることによって、それぞれ、他のドットと同等のドットとして扱われる。他方、セグメント領域に対応する比較領域のドットは、Ｙ軸正方向に１画素ずれて検出されている。このように、セグメント領域と比較領域では、それぞれ、８画素分のドットが検出されている。
　図８（ｂ）を参照して、セグメント領域と比較領域とが重なった状況では、中央付近の２画素のドットのみがマッチングされている。それ以外のドットが検出された画素においては、比較領域のドットがＹ軸負方向にずれているため、マッチングされない。したがって、差分値（Ｒｓａｄ）は、１２となる。
　他方、図８（ｃ）を参照して、セグメント領域が比較領域に対して１画素ずれた状況では、全てのドットがマッチングされていない。したがって、差分値（Ｒｓａｄ）は、最も高い１６となる。
　このように、ドットがＹ軸方向にずれて検出されると、通常、マッチングされるべき図８（ｂ）の位置において、他の画素ずれ量の位置における差分値（Ｒｓａｄ）との差が大きくならず、マッチングがエラーとなりやすい。なお、比較例では、セグメント領域の中央の２つのＤＰ光のドットが、画素を跨いで入射したため、２画素分のドットがマッチングされたが、すべてのドットが画素を跨がず入射し、一つのドットもマッチングしないことも起こり得る。
　そこで、本実施の形態では、あらかじめ、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０に検出されたドットパターンをＹ軸方向に引き延ばした状態でマッチング処理を実行する。
　図９は、本実施の形態における距離検出処理の流れを示す図である。
　図９（ａ）は、参照テンプレート生成処理の流れを示す図である。これらの処理は、情報取得装置１のセットアップ時に、設定者によって設定装置を用いて行われる。
　参照テンプレート生成処理時には、まず、基準面のみが配置された状態で反射されたＤＰ光を撮像し、基準画像を取得する（Ｓ１１）。そして、設定装置は、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０から得られた基準画像の２値化処理を行う（Ｓ１２）。これにより、基準画像は、ドットの有無が０と１で表現された画像となる。そして、設定装置は、上述の如く、２値化された基準画像上に、セグメント領域が設定し、参照テンプレートを生成する（Ｓ１３）。生成された参照テンプレートは、図２のメモリ２６に消去不可能な状態で記憶される。こうしてメモリ２６に記憶された参照テンプレートは、距離検出する際にＣＰＵ２１により参照される。
　図９（ｂ）は、距離検出時の処理の流れを示す図である。これらの処理は、距離検出時に、情報取得装置１のＣＰＵ２１の距離取得部２１ｂによって行われる。
　距離検出時には、まず、目標領域から反射されたＤＰ光を撮像し、実測画像を取得する（Ｓ２１）。そして、ＣＰＵ２１は、基準画像と同様に、実測画像の２値化処理を行う（Ｓ２２）。これにより、実測画像は、基準画像同様、ドットの有無が０と１で表現された画像となる。そして、ＣＰＵ２１は、参照テンプレートに含まれる２値化された基準画像と、２値化された実測画像のドットパターンの引き延ばし処理を行う（Ｓ２３）。
　図１０は、図９（ｂ）のＳ２３におけるドットパターンの引き延ばし処理の流れを示す図である。図１０の処理は、基準画像のドットパターンと実測画像のドットパターンに対して並行して行われる。
　まず、ＣＰＵ２１は、０と１で表現された基準画像および実測画像のドットパターン（２値化信号）をｍ行×ｎ列の２次元配列Ａｒに読み込む（Ｓ２０１）。それぞれ、行数が大きくなる方向が、図８（ａ）に示すＹ軸正方向に相当し、列数が大きくなる方向が、図８（ａ）に示すＸ軸正方向に相当する。なお、基準画像および実測画像は、上述のごとく、ＶＧＡサイズであり、６４０行×４８０列の２次元配列に読み込まれる。
　次に、ＣＰＵ２１は、行の位置を示す変数ｉに１をセットし（Ｓ２０２）、列の位置を示す変数ｊに１をセットする（Ｓ２０３）。そして、配列Ａｒ（ｉ、ｊ）に対応する画素にドットが存在するかを判断する（Ｓ２０４）。基準画像および実測画像を読み込んだ配列Ａｒ（ｉ、ｊ）には、ドットの有無に応じて、０または１の値が格納されており、１が格納されている場合、その位置に対応する画素には、ドットが存在する。Ｓ２０４では、配列Ａｒ（ｉ、ｊ）の値が１であるかが判断される。
　配列Ａｒ（ｉ、ｊ）の位置に対応する画素にドットが存在する場合（Ｓ２０４：ＹＥＳ）、配列Ａｒ（ｉ、ｊ）の一つ上（Ｙ軸負方向）の行の配列Ａｒ（ｉ－１、ｊ）に対応する画素にドットが存在するかを判断する（Ｓ２０５）。配列Ａｒ（ｉ－１、ｊ）に対応する画素にドットが存在しない場合（Ｓ２０５：ＮＯ）、処理をＳ２０６に進める。配列Ａｒ（ｉ、ｊ）の一つ上の行に対応する画素にドットが存在する場合（Ｓ２０５：ＹＥＳ）、処理をＳ２０７に進める。
　配列Ａｒ（ｉ、ｊ）の一つ上の行に対応する画素にドットが存在しない場合（Ｓ２０５：ＮＯ）、ＣＰＵ２１は、配列Ａｒ（ｉ－１、ｊ）の位置に対応する画素にドットを設定する（Ｓ２０６）。すなわち、配列Ａｒ（ｉ－１、ｊ）に１を格納する。そして、配列Ａｒ（ｉ、ｊ）の一つ下（Ｙ軸正方向）の行の配列Ａｒ（ｉ＋１、ｊ）に対応する画素にドットが存在するかを判断する（Ｓ２０７）。
　配列Ａｒ（ｉ、ｊ）の一つ下の行の配列Ａｒ（ｉ＋１、ｊ）に対応する画素にドットが存在する場合（Ｓ２０７：ＹＥＳ）、処理をＳ２０９に進める。配列Ａｒ（ｉ、ｊ）の一つ下の行の配列Ａｒ（ｉ＋１、ｊ）に対応する画素にドットが存在しない場合（Ｓ２０７：ＮＯ）、ＣＰＵ２１は、配列Ａｒ（ｉ＋１、ｊ）の位置に対応する画素にドットを設定する（Ｓ２０８）。すなわち、配列Ａｒ（ｉ＋１、ｊ）に１を格納する。
　そして、ＣＰＵ２１は、列を示す変数ｊが最後のｍ列であるかを判断する（Ｓ２０９）。変数ｊがｍでない場合（Ｓ２０９：ＮＯ）、ＣＰＵ２１は、変数ｊに１を加算し（Ｓ２１０）、処理をＳ２０４に戻す。変数ｊがｍである場合（Ｓ２０９：ＹＥＳ）、ＣＰＵ２１は、行を示す変数ｉが最後のｎ行であるかを判断する（Ｓ２１１）。
　変数ｉがｎでない場合（Ｓ２１１：ＮＯ）、ＣＰＵ２１は、変数ｉに１を加算し（Ｓ２１２）、処理をＳ２０３に戻す。変数ｉがｎである場合（Ｓ２１１：ＹＥＳ）、ＣＰＵ２１は、更新された配列Ａｒを基準画像および実測画像の更新ドットパターンとしてメモリ２６に記憶する（Ｓ２１３）。
　このようにして、基準画像および実測画像に含まれるドットパターンがＹ軸正方向およびＹ軸負方向に１画素ずつ引き延ばされてメモリ２６に記憶される。
　図９（ｂ）に戻り、ＣＰＵ２１は、Ｓ２３によりＹ軸正方向およびＹ軸負方向に１画素ずつ引き延ばされた基準画像および実測画像を用いて、上記距離検出手法のマッチング処理を行う（Ｓ２４）。
　図１１は、本実施の形態におけるＹ軸正方向にドットパターンが１画素ずれた場合のマッチング状況を模式的に示す図である。
　図１１（ａ）は、セグメント領域と、当該セグメント領域に対応する位置の比較領域に対して上記ドットパターンの引き延ばし処理を行ったときのドットの分布状況を示す図である。また、図１１（ｂ）は、セグメント領域と当該比較領域とが重なったときのマッチング状況を示す図、図１１（ｃ）は、図１１（ｂ）の状態からセグメント領域が１画素だけずれたときのマッチング状況を示す図である。
　図１１（ａ）に示すように、セグメント領域および比較領域のドットは、図８（ａ）の場合に比べて、Ｙ軸正方向およびＹ軸負方向に１画素ずつ引き延ばされている。中央の２つのＤＰ光のドットは、検出されたドット間の間隔が１画素のため、１画素のみが引き延ばされている。このように、セグメント領域および比較領域には、それぞれ１９画素分のドットが分布している。
　図１１（ｂ）を参照して、セグメント領域と比較領域とが重なったときのマッチング状況では、セグメント領域および比較領域のドットがＹ軸方向に１画素ずつ引き延ばされることにより、比較例の場合よりも、マッチングされるドットが多い。比較領域において、引き延ばし前のドットパターンは、Ｙ軸正方向に１画素ずれているため、セグメント領域の引き延ばし前のドットと、このドットに対してＹ軸正方向に１画素延ばされた部分のドットの２画素分のドットが、比較領域の２画素分のドットとマッチングされる。他方、セグメント領域のドットのうち、引き延ばし前のドットに対してＹ軸負方向に引き延ばされたドットは、比較領域のドットとマッチングしない。したがって、図１１（ｂ）の状態では、差分値（Ｒｓａｄ）は、１０となり、比較例における差分値（Ｒｓａｄ）（＝１２）よりもやや小さくなる。
　図１１（ｃ）を参照して、セグメント領域が１画素ずれたマッチング状況では、全てのドットがマッチングされていない。セグメント領域および比較領域のドットがＹ軸正方向およびＹ軸負方向に１画素ずつ引き延ばされているため、差分値（Ｒｓａｄ）は、比較例の場合の差分値（Ｒｓａｄ）（＝１６）よりもかなり高い３６となる。
　このように、ドットがＹ軸正方向およびＹ軸負方向に１画素ずつ引き延ばされることにより、引き延ばされたドットのうち、少なくとも一部のドットがマッチングされやすくなる。たとえば、図示の如く、実測時において、ドットがＹ軸正方向またはＹ軸負方向に１画素ずれたとしても、少なくとも２画素分のドットがマッチングされる。また、実測時において、ドットがＹ軸正方向またはＹ軸負方向に２画素ずれたとしても、少なくとも１画素分のドットがマッチングされる。
　また、ドットが引き延ばされることにより、セグメント領域および比較領域内に含まれるドットの数が多くなり、セグメント領域と、これに対応する比較領域以外の比較領域とが重なったときの差分値（Ｒｓａｄ）が大きくなる。したがって、セグメント領域とこれに対応する比較領域とが重なったときの差分値（Ｒｓａｄ）が、他の比較領域にセグメント領域が重なったときの差分値（Ｒｓａｄ）よりも相対的に小さくなる。
　図１２は、本願発明者らが本実施の形態の効果を確認するシミュレーションを行った結果を示すグラフである。シミュレーションでは、基準画像取得時において、１５画素×１５画素のセグメント領域内に１５個のＤＰ光のドットが所定のパターンで照射されるとの設定となっている。またシミュレーションでは、実測時において、全てのドットが基準画像取得時の位置から縦方向（Ｙ軸正方向）に１画素ずれた状態で検出されたとの条件（縦画素ずれあり）と、全てのドットが縦方向にずれていない状態で検出された条件（縦画素ずれなし）とにおいて、それぞれ、差分値（Ｒｓａｄ）が求められている。また、シミュレーションでは、実測画像上のセグメント領域に対応する領域を画素ずれ量０とし、この領域からＸ軸正負の方向に画素ずれ量が－５～＋５の範囲でマッチングの探索を行ったときの差分値（Ｒｓａｄ）が求められている。なお、シミュレーションでは、基準面と同位置に検出対象物があることが想定されている。
　図１２（ａ）は、上記のように、Ｙ軸正方向およびＹ軸負方向に１画素分ドットが引き延ばされたドットパターンを用いたマッチング結果を示すグラフ、図１２（ｂ）は、比較例のように、Ｙ軸正方向およびＹ軸負方向にドットを引き延ばさないときのマッチング結果を示すグラフである。それぞれ、測定されたドットパターンに縦方向（Ｙ軸方向）の画素ずれがある場合のグラフが実線で示され、縦方向（Ｙ軸方向）の画素ずれがない場合のグラフが破線で示されている。横軸は、Ｘ軸方向における探索範囲を画素ずれ量として示し、縦軸は、各探索位置における差分値（Ｒｓａｄ）を示している。
　図１２（ａ）の破線グラフを参照して、縦方向（Ｙ軸方向）の画素ずれがない場合、画素ずれ量０以外の位置では、セグメント領域および比較領域のドットがＹ軸正方向およびＹ軸負方向に１画素引き延ばされることにより、差分値（Ｒｓａｄ）は、６０～１００の高い値となっている。また、画素ずれ量０の位置では、全てのドットがマッチングし、差分値（Ｒｓａｄ）は、０である。この場合、差分値（Ｒｓａｄ）の最小値は０であり、２番目に小さい差分値（Ｒｓａｄ）は、略６０となるため、それぞれの差分が十分に大きくなり、適正にマッチングされる。
　次に、図１２（ａ）の実線グラフを参照して、実測時において、ドットが縦方向（Ｙ軸負方向）に１画素ずれた場合、画素ずれ量０以外の位置では、上記同様、ドットが引き延ばされることにより、差分値（Ｒｓａｄ）は、６０～１００の高い値となっている。また、画素ずれ量０の位置では、セグメント領域および比較領域のドットがＹ軸正負方向に１画素引き延ばされることにより、少なくとも、１部のドットがマッチングし、差分値（Ｒｓａｄ）は、略３０である。この場合、差分値（Ｒｓａｄ）の最小値は略３０であり、２番目に小さい差分値（Ｒｓａｄ）は、略６０となり、それぞれの差分は、十分に大きくなっている。したがって、実測時において、ドットが縦方向（Ｙ軸方向）にずれたとしても、適正にマッチングされることがわかる。
　また、図１２（ｂ）の破線グラフを参照して、比較例において、縦方向（Ｙ軸方向）の画素ずれがない場合、画素ずれ量０以外の位置では、差分値（Ｒｓａｄ）は、２０～３０の値となっている。また、画素ずれ量０の位置では、全てのドットがマッチングし、差分値（Ｒｓａｄ）は、０である。この場合、上記同様、差分値（Ｒｓａｄ）の最小値と、２番目に小さい差分値（Ｒｓａｄ）との差が十分に大きいため、適正にマッチングされる。
　次に、図１２（ｂ）の実線グラフを参照して、比較例において、実測時にドットが縦方向（Ｙ軸負方向）に１画素ずれた場合、画素ずれ量０以外の位置では、差分値（Ｒｓａｄ）は、２０～３０の値となっている。また、画素ずれ量０の位置では、比較領域のドットが縦方向（Ｙ軸負方向）に１画素ずれることにより、ほぼマッチングされるドットはなく、差分値（Ｒｓａｄ）は、略３０となっている。したがって、比較例では、実測時において、ドットが縦方向（Ｙ軸方向）にずれた場合、適正にマッチすることができず、距離検出がエラーとなることがわかる。
　このように、本実施の形態では、実測時のドットが正規の位置から縦方向（Ｙ軸方向）にずれたとしても、ドットが縦方向（Ｙ軸方向）に引き延ばされるため、セグメント領域とこれに対応する比較領域とが重なったとき（画素ずれ量＝０）は、少なくとも、一部のドットがマッチングされ、差分値（Ｒｓａｄ）は、大きくならない。また、セグメント領域に対応しない比較領域にセグメント領域が重なったとき（画素ずれ量≠０）には、差分値（Ｒｓａｄ）がかなり大きくなる。したがって、本実施の形態では、実測時において、ドットが縦方向（Ｙ軸方向）にずれたとしても、適正にマッチング検出を行うことができる。
　以上、本実施の形態によれば、基準画像および実測画像のドットパターンがＹ軸正方向およびＹ軸負方向に引き延ばされた状態でマッチングされるため、実測時において、ドットの受光位置がＹ軸正方向またはＹ軸負方向にずれても、適正に距離を検出することができる。
　また、本実施の形態によれば、実測時におけるドットの照射位置がＹ軸方向にずれても、適正に距離を検出することができるため、レーザ光源１１０に対する温度調節素子などを省略することができ、情報取得装置１のコストダウンを図ることができる。
　以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら制限されるものではなく、また、本発明の実施の形態も上記の他に種々の変更が可能である。
　上記実施の形態では、基準画像と実測画像の両方のドットパターンを、それぞれ、Ｙ軸正方向および負方向に１画素ずつ引き延ばしたが、基準画像のドットパターンのみ、または、実測画像のドットパターンのみをＹ軸方向に引き延ばしてもよい。
　図１３は、実測画像のドットパターンのみをＹ軸正方向およびＹ軸負方向に１画素ずつ引き延ばした変更例１におけるマッチング状況を模式的に示す図である。
　図１３（ａ）は、変更例１のセグメント領域におけるドットの分布状況、および、当該セグメント領域に対応する位置の比較領域におけるドットの分布状況を示す図である。また、図１３（ｂ）は、セグメント領域が当該比較領域に重なったときのマッチング状況を示す図、図１３（ｃ）は、図１３（ｂ）の状態からセグメント領域が１画素だけずれたときのマッチング状況を示す図である。
　図１３（ａ）に示すように、セグメント領域では、ドットがＹ軸方向に引き延ばされず、８画素分のドットが分布している。また、比較領域では、上記実施の形態同様、ドットがＹ軸正方向およびＹ軸負方向に１画素ずつ引き延ばされ、１９画素分のドットが分布している。
　図１３（ｂ）を参照して、セグメント領域が当該比較領域に重なったときのマッチング状況では、比較領域のみのドットがＹ軸方向に引き延ばされることにより、比較領域のドットのうち、引き延ばし前のドットに対してＹ軸正方向に１画素引き延ばされた部分のドットがマッチングされる。他方、その反対方向に引き延ばされたドットは、逆にマッチングがとれなくなる。したがって、差分値（Ｒｓａｄ）は、１１となり、比較例、および図１１の場合の差分値（Ｒｓａｄ）（＝１２）よりも１だけ小さくなる。
　しかし、図１３（ｃ）に示すように、上記の実施の形態と同様、画素ずれ量１の位置のマッチング状況では、全てのドットがマッチングされず、差分値（Ｒｓａｄ）は、上記比較例の場合差分値（Ｒｓａｄ）（＝１６）よりも大きい２７となる。
　このように、本変更例では、差分値（Ｒｓａｄ）の最小値と、２番目に小さい差分値（Ｒｓａｄ）との差は、図１１の場合よりも小さくなるものの、比較例の場合に比べると、かなり大きくなる。したがって、変更例１の場合においても、実測時に、ドットがＹ軸方向にずれても、適正にマッチングされることがわかる。
　上記実施の形態の場合は、セグメント領域および比較領域の両方のドットがＹ軸方向に１画素分引き延ばされたため、実測時にＹ軸正方向および負方向に２画素までずれたとしても、適正にマッチングされたが、変更例１の場合、比較領域のドットのみがＹ軸方向に引き延ばされているため、実測時に、ドットがＹ軸正方向およびＹ軸負方向に１画素までずれたとしても、適正にマッチングされる。
　図１４は、基準画像のドットパターンのみをＹ軸正方向およびＹ軸負方向に引き延ばした変更例２におけるマッチング状況を模式的に示す図である。
　図１４（ａ）は、変更例２のセグメント領域におけるドットの分布状況、および、当該セグメント領域に対応する比較領域におけるドットの分布状況を示す図である。また、図１４（ｂ）は、セグメント領域が当該比較領域に重なったときのマッチング状況を示す図、図１４（ｃ）は、図１４（ｂ）の状態からセグメント領域が１画素ずれたときのマッチング状況を示す図である。
　図示の如く、変更例２の場合、上記変更例１の場合と、逆に引き延ばされた方向のドットがマッチングされ、同様の効果が得られることがわかる。
　変更例２の場合も、変更例１の場合と同様に、実測時に、ドットがＹ軸正方向およびＹ軸負方向に１画素までずれたとしても、適正にマッチングされる。
　このように、実測時におけるドットのＹ軸方向のずれの許容量が小さければ、変更例１または２のように、基準画像または実測画像の片方のみのドットを引き延ばしたとしても、上記実施の形態と同様の効果が得られることがわかる。
　しかし、上記実施の形態のように、基準画像および実測画像の両方のドットを引き延ばしたほうが、実測時におけるドットのＹ軸方向のずれの許容量を大きくでき、より好適である。
　実測時におけるドットのＹ軸方向のずれの許容量をさらに大きくするには、基準画像または実測画像のドットのＹ軸方向の引き延ばし量を大きくすればよいが、図１５（ａ）に示すように、ドットの引き延ばし量をセグメント領域の一辺に含まれる画素の数以上にすると、セグメント領域内の全てのドットがセグメント領域のＹ軸方向の画素数限界（９画素）まで引き延ばされ、ドットパターンのユニーク性が大きく失われることとなる。また、セグメント領域外のドットが大きく引き延ばされることによって、さらにドットパターンのユニーク性が失われる。したがって、ドットの引き延ばし量は、少なくとも、セグメント領域の一辺に含まれる画素の数よりも小さいほうが望ましい。
　さらに、上記実施の形態では、ＤＯＥ１４０によって生成されるドットの数は略３万個、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の総画素数は略３０万であり、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上の隣り合うドットの平均間隔は、略２．５画素となっている。図１５（ｂ）のように、隣り合うドットの平均間隔以上にドットをＹ軸方向に引き延ばすと、Ｙ軸方向に隣り合うドットがそれぞれ干渉し合い、Ｙ軸方向に大きく連続したドットとなりやすく、ドットパターンのユニーク性が失われやすい。図１５（ｂ）では、中央の２つのＤＰ光のドットの他に、Ｘ軸負方向の境界に近い２つのＤＰ光のドットが、セグメント領域のＹ軸方向の画素数限界（９画素）まで引き延ばされている。したがって、ドットのＹ軸方向の引き延ばし量は、Ｙ軸方向に隣り合うドットの平均間隔よりも小さい方がさらに望ましい。
　また、上記実施の形態および変更例１、２では、基準画像および実測画像のいずれか一方もしくは両方のドットパターンが、Ｙ軸正方向およびＹ軸負方向の両方に引き延ばされたが、Ｙ軸正方向またはＹ軸負方向の片方のみに引き延ばされれば、少なくとも、実測時に、Ｙ軸正方向またはＹ軸負方向のいずれか一方に対して、ドットがずれても、適正にマッチングすることができる。
　図１６は、基準画像のドットパターンを、Ｙ軸正方向に１画素、実測画像のドットパターンを、Ｙ軸負方向に１画素引き延ばした変更例３におけるマッチング状況を示す図である。
　図１６（ａ）は、変更例３のセグメント領域におけるドットの分布状況、および、当該セグメント領域に対応する比較領域におけるドットの分布状況を示す図である。また、図１６（ｂ）は、セグメント領域と比較領域が重なったときのマッチング状況を示す図、図１６（ｃ）は、図１６（ｂ）からセグメント領域が１画素ずれたときのマッチング状況を示す図である。
　図１６（ａ）に示すように、セグメント領域では、ドットがＹ軸正方向にのみ１画素分引き延ばされ、１４画素分のドットが分布している。また、比較領域では、ドットがＹ軸負方向にのみ１画素分引き伸ばされ、１４画素分のドットが分布している。
　図１６（ｂ）を参照して、セグメント領域と比較領域とが重なったときのマッチング状況では、セグメント領域のドットがＹ軸正方向（実測時のドットのずれ方向）に１画素分引き延ばされ、逆に、比較領域のドットが実測時のずれ方向と反対の方向に１画素分引き延ばされることにより、全てのドットがマッチングされる。したがって、差分値（Ｒｓａｄ）は、０となり、最も小さくなる。
　図１６（ｃ）を参照して、セグメント領域が１画素ずれたときのマッチング状況では、上記同様、全てのドットがマッチングされていない。セグメント領域および比較領域のドットがＹ軸正方向またはＹ軸負方向に引き延ばされているため、差分値（Ｒｓａｄ）は、２８となる。
　したがって、変更例３の場合、実測時にずれた方向にドットパターンを引き延ばされているため、適正にマッチングすることができる。
　実測時のドットパターンのＹ軸方向のずれの方向に傾向がある場合は、このように、セグメント領域および比較領域のいずれか一方もしくは両方のドットパターンが、かかる傾向に応じてＹ軸正方向またはＹ軸負方向の一方のみに引き延ばされれば、適正にマッチングすることができる。
　たとえば、レーザ光の出射波長が変動すると、ＤＯＥ１４０の光学特性によって、０次光を中心にドットパターンが放射状に広がる傾向がある。このような場合、ドットパターンの中心からＹ軸正方向に離れた位置のセグメント領域では、Ｙ軸正方向にドットを引き延ばし、Ｙ軸負方向に離れた位置のセグメント領域では、Ｙ軸負方向にドットを引き延ばせばよい。こうすると、レーザ光の出射波長変動によって、ドットパターンがＹ軸方向にずれた場合にも、適正にマッチングすることができる。
　しかし、レーザ光の出射波長変動の他、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の取り付け位置のずれの発生等を考慮すると、Ｙ軸正方向もしくはＹ軸負方向のどちらに変化するかを完全に把握するのは困難である。したがって、上記実施の形態のように、ドットパターンがＹ軸正方向およびＹ軸負方向の両方に引き延ばされたほうが望ましい。
　また、上記実施の形態では、距離測定時において、毎回ドットパターンを引き延ばしたが、上述のように、通常、Ｙ軸方向のずれは発生しない。したがって、図１７（ａ）の変更例４、図１７（ｂ）の変更例５に示すように、マッチングのエラー発生率や温度変化を契機にドットパターンの引き延ばし処理を実施するか否かが判断されてもよい。なお、図中、上記実施の形態における図９（ｂ）と同様の処理については、同一の符号が付されており、詳細な説明は省略する。
　図１７（ａ）を参照して、変更例４の場合、実測画像の２値化処理後（Ｓ２２）、ＣＰＵ２１は、マッチングのエラー発生率が所定の閾値を超えているかを判断する（Ｓ５１）。マッチングのエラー発生率は、たとえば、所定の回数分、過去のマッチング処理の結果を、メモリ２６に保持しておき、各回のマッチングエラーの発生率を求め、求めた発生率を平均化することによって算出される。
　マッチングのエラー発生率が所定の閾値を超えている場合（Ｓ５１：ＹＥＳ）、ＣＰＵ２１は、基準画像および実測画像のドットパターンの引き延ばし処理を行う（Ｓ２３）。そして、ＣＰＵ２１は、ドットパターンがＹ軸方向に引き延ばされた基準画像および実測画像を用いて、マッチング処理を行う（Ｓ２４）。
　マッチングのエラー発生率が所定の閾値を超えていない場合（Ｓ５１：ＮＯ）、ＣＰＵ２１は、ドットパターンの引き延ばし処理を行わず、処理をＳ２４に進める。そして、ＣＰＵ２１は、ドットパターンが引き延ばされていない基準画像および実測画像を用いて、マッチング処理を行う（Ｓ２４）。
　このように、変更例４では、マッチングのエラーが続いた場合のみ、ドットパターンのＹ軸方向の引き延ばし処理が行われる。したがって、ドットパターンの引き延ばしの必要のない状況においては、ドットパターンの引き延ばし処理が行われず、ＣＰＵ２１にかかる演算量を軽減することができる。
　また、図１７（ｂ）を参照して、変更例５の場合、実測画像の２値化処理後（Ｓ２２）、ＣＰＵ２１は、レーザ光源１１０の周辺の温度を検出する（Ｓ６１）。温度検出処理は、たとえば、ＣＰＵ２１により、レーザ光源１１０の近傍に配置された温度検出素子によって出力された信号を読み込むことによって行われる。そして、ＣＰＵ２１は、あらかじめ設定された所定の温度からの温度変化が所定の閾値を超えているかを判断する（Ｓ６２）。
　温度変化が所定の閾値を超えている場合（Ｓ６２：ＹＥＳ）、ＣＰＵ２１は、基準画像および実測画像のドットパターンの引き延ばし処理を行う（Ｓ２３）。そして、ＣＰＵ２１は、ドットパターンがＹ軸方向に引き延ばされた基準画像および実測画像を用いて、マッチング処理を行う（Ｓ２４）。
　温度変化が所定の閾値を超えていない場合（Ｓ６２：ＮＯ）、ＣＰＵ２１は、ドットパターンの引き延ばし処理を行わず、処理をＳ２４に進める。そして、ＣＰＵ２１は、ドットパターンが引き延ばされていない基準画像および実測画像を用いて、マッチング処理を行う（Ｓ２４）。
　このように、変更例５では、レーザ光源１１０の近傍の温度が、所定の温度より大きく変化した場合にのみ、ドットパターンのＹ軸方向の引き延ばし処理が行われる。したがって、温度変化によって、レーザ光源１１０の出射波長が変動した場合にのみ、引き延ばし処理が行われ、必要のない状況においては、ドットパターンの引き延ばし処理が行われず、ＣＰＵ２１にかかる演算量を軽減することができる。
　さらに、変更例４では、マッチングのエラー発生率のみ、変更例５では、温度変化のみによって、ドットパターンの引き延ばし処理の要否が判断されたが、マッチングのエラー発生率と、レーザ光源１１０の温度変化の両方を判断して、ドットパターンの引き延ばし処理の要否が判断されてもよい。
　また、上記実施の形態では、マッチング処理の前に、基準画像および実測画像の全てのドットについて、一括で引き延ばし処理が行われたが、マッチング処理時において、セグメント領域単位でドットの引き延ばし処理が行われてもよい。こうすると、ドットパターンの引き延ばし処理にかかる演算量が増大するが、図１５（ａ）、（ｂ）のように、Ｙ軸方向の引き延ばし量を大きくしても、セグメント領域外のドットが引き延ばされることによる影響をなくすことができる。
　また、上記実施の形態では、基準画像もしくは実測画像に含まれる全てのドットについて、Ｙ軸方向に引き延ばされたが、一部分のドットのみが引き延ばされてもよい。また、全てのセグメント領域および比較領域に対して引き延ばし処理を行わず、ずれが生じ易いセグメント領域と比較領域に対してのみ引き延ばし処理を行っても良い。
　また、上記実施の形態では、基準画像もしくは実測画像に含まれるドットがＹ軸正方向およびＹ軸負方向に１画素ずつ引き延ばされたが、その他の画素数でもよく、Ｙ軸正方向とＹ軸負方向で同じ画素数でなくてもよい。
　また、上記実施の形態および各変更例では、実測時にドットの引き延ばし処理を行ったが、実測に先立って、予めドットが引き延ばされたドットパターンを保持しておき、実測時には、予め保持した、引き延ばされたドットパターンを用いてマッチング処理を行っても良い。この場合、基準画像に対する引き伸ばされたドットパターンは、情報取得装置１のセットアップ時に、基準画像とともにメモリ２６に保持されても良い。
　また、上記実施の形態では、距離検出のエラー判定として、最も照合率の高いＲｓａｄと、その次に照合率が高いＲｓａｄとの差分が閾値を超えているかに基づいて、エラーが判定されたが、最も照合率の高いＲｓａｄが所定の閾値を超えているかに基づいて、エラーが判定されてもよい。
　また、上記実施の形態では、セグメント領域と比較領域のマッチング率を算出する前に、セグメント領域と比較領域に含まれる画素の画素値を２値化したが、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０によって得られた画素値をそのまま用いて、マッチングしてもよい。また、上記実施の形態では、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０によって得られた画素値をそのまま２値化したが、画素値について、所定の画素の重みづけ処理、および背景光の除去処理、等の補正処理を行った後に、２値化してもよい。
　また、上記実施の形態では、三角測量法を用いて距離情報が求められ、メモリ２６に記憶されたが、物体の輪郭抽出を主目的とするような場合は、三角測量法を用いた距離を演算せずに、セグメント領域の変位量（画素ずれ量）が距離情報として取得されてもよい。
　また、上記実施の形態では、投射光学系１００に、ＦＭＤ１５０が用いられたが、ＦＭＤ１５０は省略されてもよい。
　また、上記実施の形態では、目標領域に照射されるレーザ光の波長帯以外の波長帯の光を除去するためにフィルタ２３０を配したが、たとえば、目標領域に照射されるレーザ光以外の光の信号成分を、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０から出力される信号から除去する回路構成が配されるような場合には、フィルタ２３０を省略することができる。また、アパーチャ２１０の配置位置は、何れか２つの撮像レンズの間であってもよい。
　また、上記実施の形態では、受光素子として、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０を用いたが、これに替えて、ＣＣＤイメージセンサを用いることもできる。さらに、投射光学系１００および受光光学系２００の構成も、適宜変更可能である。また、情報取得装置１と情報処理装置２は一体化されてもよいし、情報取得装置１と情報処理装置２がテレビやゲーム機、パーソナルコンピュータと一体化されてもよい。
　本発明の実施の形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。
　　　　　１　…　情報取得装置
　　　　２１　…　ＣＰＵ（距離取得部）
　　　２１ｂ　…　距離取得部（距離取得部）
　　　　２４　…　撮像信号処理回路（距離取得部）
　　　　２６　…　メモリ（記憶部）
　　　１００　…　投射光学系
　　　１１０　…　レーザ光源
　　　１２０　…　コリメータレンズ
　　　１４０　…　ＤＯＥ（回折光学素子）
　　　２００　…　受光光学系

Claims (7)

  1. 　光を用いて目標領域の情報を取得する情報取得装置において、
    　目標領域に所定のドットパターンでレーザ光を投射する投射光学系と、
    　前記投射光学系に対して所定の距離だけ横方向に離れて並ぶように配置され、前記目標領域をイメージセンサにより撮像する受光光学系と、
    　基準面に前記レーザ光を照射したときに前記受光光学系により撮像された基準ドットパターンと、距離測定時に目標領域を撮像して取得された実測ドットパターンとを保持する記憶部と、
    　前記基準ドットパターンにセグメント領域を設定し、前記実測ドットパターンと前記セグメント領域内のドットとを照合することにより、前記セグメント領域に対応する前記目標領域内の位置について距離を取得する距離取得部と、を備え、
    　前記距離取得部は、前記基準ドットパターンと前記実測ドットパターンのいずれか一方または両方の前記ドットが前記投射光学系と前記受光光学系の並び方向に垂直な方向の一方または両方に引き延ばされたドットパターンを用いて、前記距離の取得を行う、
    ことを特徴とする情報取得装置。
  2. 　請求項１に記載の情報取得装置において、
    　前記距離取得部は、前記基準ドットパターンおよび前記実測ドットパターンの両方の前記ドットが引き延ばされたドットパターンを用いて、前記距離の取得を行う、
    ことを特徴とする情報取得装置。
  3. 　請求項１または２に記載の情報取得装置において、
    　前記距離取得部は、前記ドットを前記投射光学系と前記受光光学系の並び方向に垂直な方向の両方に引き延ばされたドットパターンを用いて、前記距離の取得を行う、
    ことを特徴とする情報取得装置。
  4. 　請求項１ないし３の何れか一項に記載の情報取得装置において、
    　前記ドットの引き延ばし量は、１画素以上であって、前記セグメント領域の一辺に含まれる画素の数以下である、
    ことを特徴とする情報取得装置。
  5. 　請求項１ないし３の何れか一項に記載の情報取得装置において、
    　前記ドットの引き延ばし量は、１画素以上であって、前記投射光学系と前記受光光学系の並び方向に垂直な方向に隣り合う前記ドットの平均間隔に対応する画素の数以下である、
    ことを特徴とする情報取得装置。
  6. 　請求項１ないし５の何れか一項に記載の情報取得装置において、
    　前記投射光学系は、レーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザ光が入射するコリメータレンズと、前記コリメータレンズを透過した前記レーザ光を回折によりドットパターンの光に変換する回折光学素子と、を備える、
    ことを特徴とする情報取得装置。
  7. 　請求項１ないし６の何れか一項に記載の情報取得装置を有する物体検出装置。
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