JP2020038163A - Distance image generation device, and distance image generation method - Google Patents

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哲男 宮崎
Tetsuo Miyazaki
哲男 宮崎
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Abstract

To provide a distance measurement technique capable of enhancing the accuracy of a distance image or distance information.SOLUTION: A distance image generation device is a device for generating a distance image having a plurality of pixels: (20, 21) calculates distance to each pixel and the intensity of reflected light by receiving the reflected light when modulation light is emitted to an object; (22) calculates the intensity of disturbance light of each pixel by receiving the disturbance light when the modulation light is not emitted to the object; (23) sets a threshold determined in accordance with the intensity of the disturbance light in each pixel; and (24) compares the threshold with the intensity of the reflected light in each pixel to generate a distance image by correcting corresponding distance about a pixel in which the intensity of the reflected light falls below the threshold.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、距離画像を生成する技術に関する。   The present invention relates to a technique for generating a distance image.

距離画像を生成する技術として、例えばＴＯＦ（Time Of Flight）方式を用いるものが知られている。ＴＯＦ方式とは、一定周波数によって変調された光を対象となる物体に照射してその反射光を検出し、反射光が戻るまでの時間に基づいて距離を計測する方式である。このＴＯＦ方式のように反射光を用いて距離計測を行う場合、変調光とともに太陽光や照明等による外乱光も検出されてしまうため、それらの影響を抑えるために受光した光から変調光の成分だけを取り出すことが望まれる。これらの太陽光や外乱光による影響を抑える技術については、例えば、特許第５２７１６４３号公報（特許文献１）や特許第５４５２２００号公報（特許文献２）に記載されている。   As a technique for generating a distance image, for example, a technique using a TOF (Time Of Flight) method is known. The TOF method is a method of irradiating a target object with light modulated by a constant frequency, detecting reflected light, and measuring a distance based on a time until the reflected light returns. When distance measurement is performed using reflected light as in the TOF method, disturbance light due to sunlight or illumination is detected together with the modulated light. Therefore, the component of the modulated light from the received light is used to suppress the influence thereof. It is desired to take out only. Techniques for suppressing the effects of sunlight and disturbance light are described in, for example, Japanese Patent No. 5271463 (Patent Document 1) and Japanese Patent No. 5452200 (Patent Document 2).

上記した公知文献に記載の発明では、光ショットノイズ、暗電流ノイズ、ｋＴＣノイズによる影響については特段考慮されていなかった。ここで、光ショットノイズとは、光が受光部に入射したときに発生するノイズであり、外乱光の強度が非常に大きいときには測距精度に影響を及ぼすものである。また、暗電流ノイズやｋＴＣノイズは、光が全く受光されていなくても発生するノイズであり、変調光による反射光の強度が小さいときには測距精度に影響を及ぼすものである。   In the inventions described in the above-mentioned known documents, the effects of light shot noise, dark current noise, and kTC noise have not been particularly considered. Here, the light shot noise is noise generated when light is incident on the light receiving unit, and affects the distance measurement accuracy when the intensity of disturbance light is extremely large. Further, dark current noise and kTC noise are noises generated even when no light is received, and affect the distance measurement accuracy when the intensity of reflected light due to modulated light is small.

上記の点について、例えば特開２０１２−１５４７１９号公報（特許文献３）には、反射光の強度が距離の二乗に反比例し、かつ物体の反射率に比例することに注目し、距離と反射率に応じて受光量の閾値を変化させるという技術が記載されている。具体的には、例えば反射率３％の物体を撮影した場合の受光光量と反射率８０％の物体を撮影した場合の受光光量を、横軸を距離にしてグラフとし、実際に受光した光の光量が２つの特性線の間に挟まれる範囲内に収まるときだけ物体として認識し、それ以外の場合は物体でないと認識するものである。この原理は、反射率３％の場合の特性線（下限閾値）を下回る場合にはｋＴＣノイズ等の影響で誤検出したものとみなし、反射率８０％の場合の特性線（上限閾値）を上回る場合には光ショットノイズ等の影響で誤検出したものとみなすことと同義であるといえる。   Regarding the above points, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-154719 (Patent Document 3) focuses on the fact that the intensity of reflected light is inversely proportional to the square of distance and proportional to the reflectance of an object. A technique is described in which the threshold value of the amount of received light is changed according to the threshold value. Specifically, for example, the amount of light received when an object with a reflectance of 3% is photographed and the amount of light received when an object with a reflectivity of 80% is photographed are plotted on the horizontal axis as a distance. An object is recognized as an object only when the amount of light falls within a range sandwiched between two characteristic lines, and is recognized as not an object in other cases. According to this principle, if the characteristic line is lower than the characteristic line (lower threshold) in the case of the reflectance of 3%, it is regarded as erroneously detected due to the influence of kTC noise or the like, and exceeds the characteristic line (upper threshold) in the case of the reflectivity of 80%. In this case, it can be said that this is equivalent to that an erroneous detection is considered due to the influence of light shot noise or the like.

しかし、上記の技術を適用した場合には、測距できる物体の距離や反射率が制限されてしまうという点で改良の余地がある。また、外乱光と反射光の区別がないので、閾値処理としては不十分であり、その点でも改良の余地がある。   However, when the above technique is applied, there is room for improvement in that the distance and reflectivity of an object that can be measured are limited. Further, since there is no distinction between disturbance light and reflected light, threshold processing is insufficient, and there is still room for improvement in that respect.

特許第５２７１６４３号公報Japanese Patent No. 5271643 特許第５４５２２００号公報Japanese Patent No. 5452200 特開２０１２−１５４７１９号公報JP 2012-154719 A

本発明に係る具体的態様は、距離画像ないし距離情報の精度を高めることが可能な測距技術を提供することを目的の１つとする。   A specific mode according to the present invention has an object to provide a distance measurement technique capable of improving the accuracy of a distance image or distance information.

［１］本発明に係る一態様の距離画像生成装置は、（ａ）複数の画素を有する距離画像を生成するための装置であって、（ｂ）対象物へ変調光が照射されたときの反射光を受光することにより当該各画素ごとの距離及び当該反射光の強度を求め、（ｃ）前記対象物へ前記変調光が照射されないときの外乱光を受光することにより当該各画素ごとの当該外乱光の強度を求め、（ｄ）前記外乱光の強度に応じて定まる閾値を前記各画素ごとに設定し、（ｅ）前記各画素ごとに当該閾値と前記反射光の強度を比較し、当該反射光の強度が当該閾値を下回った画素に対応する前記距離を補正して前記距離画像を生成する、距離画像生成装置である。
［２］本発明に係る一態様の距離画像生成方法は、（ａ）複数の画素を有する距離画像を生成するための方法であって、（ｂ）対象物へ変調光が照射されたときの反射光を受光することにより当該各画素ごとの距離及び当該反射光の強度を求めるステップと、（ｃ）前記対象物へ前記変調光が照射されないときの外乱光を受光することにより当該各画素ごとの当該外乱光の強度を求めるステップと、（ｄ）前記外乱光の強度に応じて定まる閾値を前記各画素ごとに設定するステップと、（ｅ）前記各画素ごとに当該閾値と前記反射光の強度を比較し、当該反射光の強度が当該閾値を下回った画素に対応する前記距離を補正して前記距離画像を生成するステップと、を含む、距離画像生成方法である。 [1] A distance image generating device according to one embodiment of the present invention is a device for (a) generating a distance image having a plurality of pixels, and (b) generating a distance image when an object is irradiated with modulated light. The distance of each pixel and the intensity of the reflected light are obtained by receiving the reflected light, and (c) the disturbance light when the modulated light is not applied to the object is received by the pixel. Determining the intensity of the disturbance light, (d) setting a threshold value determined according to the intensity of the disturbance light for each of the pixels, and (e) comparing the threshold value with the intensity of the reflected light for each of the pixels. A distance image generation device that generates the distance image by correcting the distance corresponding to a pixel whose reflected light intensity is lower than the threshold.
[2] The distance image generation method according to one aspect of the present invention is a method for (a) generating a distance image having a plurality of pixels, and (b) generating a distance image when a target is irradiated with modulated light. Calculating the distance of each pixel and the intensity of the reflected light by receiving the reflected light; and (c) receiving the disturbance light when the object is not irradiated with the modulated light. Determining the intensity of the disturbance light, (d) setting a threshold determined according to the intensity of the disturbance light for each of the pixels, and (e) determining the threshold and the reflection light for each of the pixels. Comparing the intensities and correcting the distance corresponding to the pixels for which the intensity of the reflected light is lower than the threshold to generate the distance image.

上記構成によれば、距離画像ないし距離情報の精度を高めることが可能な測距技術が得られる。   According to the above configuration, a distance measurement technique capable of improving the accuracy of the distance image or the distance information can be obtained.

図１は、一実施形態の距離画像生成装置の構成を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a range image generation device according to an embodiment. 図２は、受光部に備わる受光素子の構成について説明するための図である。FIG. 2 is a diagram for describing a configuration of a light receiving element provided in the light receiving unit. 図３は、閾値関数の内容について説明するための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining the contents of the threshold function. 図４は、閾値関数の具体例について説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for describing a specific example of the threshold function. 図５は、ノイズ強度Ｉnoiseの発生確率分布を説明するための図である。FIG. 5 is a diagram for explaining an occurrence probability distribution of the noise intensity I noise . 図６は、距離画像生成装置の動作手順を示すフローチャートである。FIG. 6 is a flowchart illustrating an operation procedure of the range image generation device.

図１は、一実施形態の距離画像生成装置の構成を示すブロック図である。図示の距離画像生成装置１は、ＴＯＦ方式を用いて、対象物２に対して変調光を照射し、それによって生じる反射光（以下、「変調反射光」という。）に基づいて対象物２との間の距離を示す距離画像を生成するためのものである。ここでいう距離画像とは、対象物２の表面との間の距離を示す情報を画像化したものである。この距離画像（距離情報）は、図示しない上位装置へ出力される。この距離画像生成装置１は、光源部１０、受光部１１、測距モード制御部１２、制御部１３およびメモリ１４を含んで構成されている。なお、本実施形態における測距モード制御部１２および制御部１３が本発明における「制御部」に対応する。   FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a range image generation device according to an embodiment. The illustrated depth image generation device 1 irradiates the target object 2 with modulated light using the TOF method, and communicates with the target object 2 based on reflected light (hereinafter, referred to as “modulated reflected light”) generated by the modulated light. Is to generate a distance image indicating the distance between. The distance image referred to here is an image of information indicating a distance between the object 2 and the surface. This distance image (distance information) is output to a higher-level device (not shown). The distance image generation device 1 includes a light source unit 10, a light receiving unit 11, a distance measurement mode control unit 12, a control unit 13, and a memory 14. Note that the distance measurement mode control unit 12 and the control unit 13 in the present embodiment correspond to the “control unit” in the present invention.

光源部１０は、例えば複数の半導体発光素子（ＬＥＤ）を有して構成されており、対象物２に対して照射するための変調光を発生させる。この変調光は、一定周波数で変調されたものであり、例えば正弦波や半波整流波に変調されている。   The light source unit 10 includes, for example, a plurality of semiconductor light emitting elements (LEDs), and generates modulated light for irradiating the object 2. This modulated light is modulated at a constant frequency, for example, a sine wave or a half-wave rectified wave.

受光部１１は、対象物２からの反射変調光や外乱光を受光してその光強度に応じた電気信号を発生させるものである。この受光部１１は、例えばマトリクス状に配列された複数の受光素子を有して構成されている。   The light receiving section 11 receives reflected modulated light or disturbance light from the object 2 and generates an electric signal corresponding to the light intensity. The light receiving unit 11 includes, for example, a plurality of light receiving elements arranged in a matrix.

測距モード制御部１２は、複数の異なるモードによる計測を行うために光源部１０および受光部１１を同期動作させるように制御するものである。この測距モード制御部１２は、例えばＦＰＧＡ（Field−Programmable Gate Array）を用いて構成される。   The ranging mode control unit 12 controls the light source unit 10 and the light receiving unit 11 to operate synchronously in order to perform measurement in a plurality of different modes. The distance measurement mode control unit 12 is configured using, for example, an FPGA (Field-Programmable Gate Array).

制御部１３は、距離画像生成装置１の全体動作を制御し、受光部１１によって生成された電気信号に基づいて距離画像を生成するものである。この制御部１３は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたコンピュータシステムにおいて所定の動作プログラムを実行させることで実現される。この制御部１３は、動作プログラムの実行によって構成される機能ブロックとしての距離演算部２０、反射光強度演算部２１、外乱光強度演算部２２、閾値設定部２３、距離画像生成部２４を含んで構成されている。   The control unit 13 controls the overall operation of the distance image generation device 1 and generates a distance image based on the electric signal generated by the light receiving unit 11. The control unit 13 is realized by executing a predetermined operation program in a computer system including, for example, a CPU, a ROM, a RAM, and the like. The control unit 13 includes a distance calculation unit 20, a reflected light intensity calculation unit 21, a disturbance light intensity calculation unit 22, a threshold setting unit 23, and a distance image generation unit 24 as functional blocks configured by executing an operation program. It is configured.

メモリ１４は、制御部１３における距離画像の生成に必要な閾値関数に関する情報を記憶するためのものである。このメモリ１４としては、例えばＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）などの不揮発性メモリが用いられる。なお、メモリ１４に記憶される閾値関数の詳細については後述する。   The memory 14 is for storing information relating to a threshold function required for generating a distance image in the control unit 13. As the memory 14, for example, a nonvolatile memory such as an EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) is used. The details of the threshold function stored in the memory 14 will be described later.

距離演算部２０は、対象物２へ変調光が照射されたときに受光部１１の複数の受光素子によって受光される反射光に基づいて、距離画像に含まれる各画素ごとの距離を求める。   The distance calculation unit 20 obtains a distance for each pixel included in the distance image based on reflected light received by the plurality of light receiving elements of the light receiving unit 11 when the target object 2 is irradiated with the modulated light.

反射光強度演算部２１は、対象物２へ変調光が照射されたときに受光部１１の複数の受光素子によって受光される反射光に基づいて、距離画像に含まれる各画素ごとの反射光の強度を求める。   The reflected light intensity calculation unit 21 calculates the reflected light of each pixel included in the distance image based on the reflected light received by the plurality of light receiving elements of the light receiving unit 11 when the target object 2 is irradiated with the modulated light. Find the strength.

外乱光強度演算部２２は、対象物２へ変調光が照射されないときに受光部１１の複数の受光素子によって受光される外乱光に基づいて、距離画像の各画素ごとの当該外乱光の強度を求める。   The disturbance light intensity calculation unit 22 calculates the intensity of the disturbance light for each pixel of the range image based on the disturbance light received by the plurality of light receiving elements of the light receiving unit 11 when the target object 2 is not irradiated with the modulated light. Ask.

閾値設定部２３は、メモリ１４に記憶されている閾値関数を用いて、外乱光の強度に応じて定まる閾値を距離画像の各画素ごとに設定する。   The threshold setting unit 23 uses a threshold function stored in the memory 14 to set a threshold determined according to the intensity of disturbance light for each pixel of the distance image.

距離画像生成部２４は、各画素ごとに、閾値設定部２３により設定される閾値と反射光の強度を比較し、反射光の強度が閾値を下回った画素についてはその画素に対応する距離を補正し、反射光の強度が閾値以上である画素についてはその画素に対応する距離をそのまま用いて、距離画像を生成する。   The distance image generation unit 24 compares the threshold value set by the threshold value setting unit 23 with the intensity of the reflected light for each pixel, and corrects the distance corresponding to the pixel for the pixel whose intensity of the reflected light is lower than the threshold value. Then, for a pixel whose reflected light intensity is equal to or greater than the threshold, a distance image is generated using the distance corresponding to the pixel as it is.

図２は、受光部に備わる受光素子の構成について説明するための図である。上記のように受光部１１には複数の受光素子が備わっており、ここでは１つの受光素子の構成について説明するが他の受光素子も同じ構成である。図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示すように、受光素子３０は、２つのフォトダイオード３１Ａ、３１Ｂを備えている。各フォトダイオード３１Ａ、３１Ｂは、光起電力効果により、入射する光の強度に応じた電荷を発生させるものである。フォトダイオード３１Ａは、電荷を転送するための２つの転送ゲートＧ０、Ｇ１８０を有している。同様に、フォトダイオード３１Ｂは、電荷を転送するための２つの転送ゲートＧ９０、Ｇ２７０を有している。   FIG. 2 is a diagram for describing a configuration of a light receiving element provided in the light receiving unit. As described above, the light receiving unit 11 includes a plurality of light receiving elements. Here, the configuration of one light receiving element will be described, but the other light receiving elements have the same configuration. As shown in FIGS. 2A and 2B, the light receiving element 30 includes two photodiodes 31A and 31B. Each of the photodiodes 31A and 31B generates an electric charge according to the intensity of incident light by a photovoltaic effect. The photodiode 31A has two transfer gates G0 and G180 for transferring charges. Similarly, the photodiode 31B has two transfer gates G90 and G270 for transferring charges.

距離画像を生成する場合には、各受光素子３０において、反射変調光の光強度Ｉ（以下、単に「光強度Ｉ」という場合もある。）を求める必要がある。この場合、測距モード制御部１２は、発光部１０から変調光を出射させるとともに、これに同期して反射変調光を受光部１１にて受光させるように同期制御を行う。   When a distance image is generated, it is necessary for each light receiving element 30 to determine the light intensity I of the reflected modulated light (hereinafter, sometimes simply referred to as “light intensity I”). In this case, the ranging mode control unit 12 controls the light emitting unit 10 to emit the modulated light, and performs synchronous control so that the reflected light is received by the light receiving unit 11 in synchronization with the modulated light.

このとき、制御部１３の反射光強度演算部２１は、フォトダイオード３１Ａの転送ゲートＧ０からの出力を変調光の位相０°から１８０°までの間で積分する。この積分値をＳ０とする。また、反射光強度演算部２１は、フォトダイオード３１Ａの転送ゲートＧ１８０からの出力を変調光の位相１８０°から３６０°までの間で積分する。この積分値をＳ１８０とする。また、反射光強度演算部２１は、フォトダイオード３１Ｂの転送ゲートＧ９０からの出力を変調光の位相９０°から２７０°までの間で積分する。この積分値をＳ９０とする。また、反射光強度演算部２１は、フォトダイオード３１Ｂの転送ゲートＧ２７０からの出力を変調光の位相２７０°から５４０°までの間で積分する。この積分値をＳ２７０とする。   At this time, the reflected light intensity calculation unit 21 of the control unit 13 integrates the output from the transfer gate G0 of the photodiode 31A between the modulated light phase of 0 ° and 180 °. This integrated value is defined as S0. Further, the reflected light intensity calculation unit 21 integrates the output from the transfer gate G180 of the photodiode 31A within the phase of the modulated light from 180 ° to 360 °. This integral value is defined as S180. Further, the reflected light intensity calculation unit 21 integrates the output from the transfer gate G90 of the photodiode 31B between the modulated light phase of 90 ° and 270 °. This integrated value is defined as S90. In addition, the reflected light intensity calculation unit 21 integrates the output from the transfer gate G270 of the photodiode 31B in the phase of the modulated light from 270 ° to 540 °. This integrated value is defined as S270.

反射光強度演算部２１は、上記の積分値を用いて以下のように反射変調光の光強度Ｉを求める。ここでは、外乱光の影響が除去された反射変調光の光強度が得られる。
Ｉ＝√｛（Ｓ０−Ｓ１８０）２＋（Ｓ９０−Ｓ２７０）２｝ The reflected light intensity calculation unit 21 calculates the light intensity I of the reflected modulated light using the integrated value as described below. Here, the light intensity of the reflected modulated light from which the influence of disturbance light has been removed is obtained.
I = {(S0-S180) 2 + (S90-S270) 2 }

また、制御部１３の距離演算部２０は、上記の積分値を用いて以下のように変調光と反射変調光の位相差Δφを求める。
Δφ＝ａｒｃｔａｎ｛（Ｓ９０−Ｓ２７０）／（Ｓ０−Ｓ１８０）｝ Further, the distance calculation unit 20 of the control unit 13 obtains the phase difference Δφ between the modulated light and the reflected modulated light using the above-described integral value as follows.
Δφ = arctan {(S90-S270) / (S0-S180)}

そして、距離演算部２０は、各受光素子３０に対応する画素における対象物２との距離Ｌを以下のように求める。なお、ｃは光速、ｆは変調周波数である。
Ｌ＝Δφ×（ｃ／４πｆ） Then, the distance calculation unit 20 obtains a distance L between the pixel corresponding to each light receiving element 30 and the object 2 as follows. Note that c is the speed of light and f is the modulation frequency.
L = Δφ × (c / 4πf)

他方で、外乱光の強度を示す画像（以下、「外乱光画像」という。）を生成する場合には、各受光素子３０において、外乱光の光強度Ｂ（以下、単に「光強度Ｂ」という場合もある。）を求める必要がある。この場合、測距モード制御部１２は、発光部１０から変調光を出射させない状態（光量０）にして、受光部１１にて外乱光を受光させるように制御を行う。また、測距モード制御部１２は、受光素子３０の各フォトダイオード３１Ａ、３１Ｂにそれぞれ備わった２つの転送ゲートのうち一方をそれぞれオフ状態とし、他方のゲートのみから電荷を読み出し可能とする。例えば、図２（Ｂ）に示すように、測距モード制御部１２は、転送ゲートＧ０、Ｇ９０をオン状態、転送ゲートＧ１８０、Ｇ２７０をオフ状態とする。   On the other hand, when an image indicating the intensity of disturbance light (hereinafter, referred to as “disturbance light image”) is generated, the light intensity B of disturbance light (hereinafter, simply referred to as “light intensity B”) is generated in each light receiving element 30. In some cases). In this case, the ranging mode control unit 12 performs control so that the modulated light is not emitted from the light emitting unit 10 (light quantity 0), and the light receiving unit 11 receives the disturbance light. In addition, the distance measurement mode control unit 12 turns off one of the two transfer gates provided in each of the photodiodes 31A and 31B of the light receiving element 30, and enables the charge to be read only from the other gate. For example, as shown in FIG. 2B, the ranging mode control unit 12 turns on the transfer gates G0 and G90 and turns off the transfer gates G180 and G270.

このとき、制御部１３の外乱光強度演算部２２は、フォトダイオード３１Ａの転送ゲートＧ０からの出力を一定期間で積分する。この積分値をＢ１とする。また、外乱光強度演算部２２は、フォトダイオード３１Ｂの転送ゲートＧ９０からの出力を一定期間で積分する。この積分値をＢ２とする。   At this time, the disturbance light intensity calculation unit 22 of the control unit 13 integrates the output from the transfer gate G0 of the photodiode 31A over a certain period. This integral value is defined as B1. Further, the disturbance light intensity calculator 22 integrates the output from the transfer gate G90 of the photodiode 31B for a certain period. This integral value is defined as B2.

外乱光強度演算部２２は、上記の積分値を用いて以下のように外乱光の光強度Ｂを求める。
Ｂ＝Ｂ１＋Ｂ２ The disturbance light intensity calculation unit 22 obtains the light intensity B of the disturbance light as described below using the above integrated value.
B = B1 + B2

上記のようにして求めた反射変調光の光強度Ｉおよび外乱光の光強度Ｂと所定の閾値関数を用いることにより、受光部１１の各受光素子３０ごとにそれらの受光素子３０の出力に基づいて得られた各画素ごとの距離Ｌの情報が適切なものとして採用し得るか否かを判定することができる。以下、閾値関数について詳細に説明する。   By using the light intensity I of the reflected modulated light and the light intensity B of the disturbance light obtained as described above and a predetermined threshold function, each light receiving element 30 of the light receiving unit 11 is based on the output of the light receiving element 30. It is possible to determine whether or not the information on the distance L obtained for each pixel can be adopted as appropriate. Hereinafter, the threshold function will be described in detail.

図３は、閾値関数の内容について説明するための図である。図３では、横軸を外乱光の光強度Ｂ、縦軸を反射変調光の光強度Ｉに対応付けている。図２に示した受光素子３０において各転送ゲートから出力される電荷量は、ｋＴＣノイズや暗電流ノイズによるものが含まれている。反射変調光の光強度が非常に小さい場合、ｋＴＣノイズや暗電流ノイズにより各転送ゲートの電荷量がそれぞれ独立して揺らぎ、位相差Δφの計測値に影響を及ぼす。他方で、外乱光の光強度が大きい場合、光ショットノイズが位相差Δφの計測値に影響を及ぼす。このため、変調光や外乱光が全く存在しない場合であっても、各ノイズによるノイズ強度Ｉ０が受光素子３０から出力される。このノイズ強度Ｉ０は、撮像フレーム毎にランダムな値をとる。また、外乱光が存在する場合には、光ショットノイズの影響を受けてノイズ強度が増加する。 FIG. 3 is a diagram for explaining the contents of the threshold function. In FIG. 3, the horizontal axis corresponds to the light intensity B of the disturbance light, and the vertical axis corresponds to the light intensity I of the reflected modulated light. In the light receiving element 30 shown in FIG. 2, the amount of charge output from each transfer gate includes kTC noise and dark current noise. When the light intensity of the reflected modulated light is very small, the charge amount of each transfer gate fluctuates independently due to kTC noise or dark current noise, which affects the measured value of the phase difference Δφ. On the other hand, when the light intensity of the disturbance light is large, the light shot noise affects the measured value of the phase difference Δφ. Therefore, even when the modulated light and ambient light is not present at all, the noise intensity I 0 due to the noise is output from the light receiving element 30. The noise intensity I 0 takes a random value for each imaging frame. When disturbance light is present, the noise intensity increases under the influence of light shot noise.

ここで、一般に、フォトダイオードに発生する光ショットノイズは、外乱光の光強度Ｂの平方根に比例して増加することが知られている。これに基づき、反射変調光が０であるときに発生し得る最大のノイズ強度Ｉｔｈは、外乱光の光強度Ｂを用いて以下のように表すことができる。ただし、ａは定数、Ｉ０ｍａｘはランダムに発生するノイズ強度Ｉ０がとり得る最大値である。
Ｉｔｈ＝Ｉ０ｍａｘ＋ａ√Ｂ Here, it is generally known that the light shot noise generated in the photodiode increases in proportion to the square root of the light intensity B of the disturbance light. Based on this, the largest noise intensity I th, which can occur when reflected modulated light is 0 can be expressed as follows using the light intensity B of the ambient light. However, a is a constant, I 0max is the maximum possible value of noise intensity I 0 occurring at random.
I th = I 0max + a√B

図３に示す曲線は、上記の関係式により表される閾値関数を示している。本実施形態の距離画像生成装置１において、制御部１３の閾値設定部２３は、各撮像フレーム毎にこの閾値関数に対して外乱光の光強度Ｂを入力することでノイズ強度Ｉｔｈ（閾値）を動的に決定する。そして、制御部１３の距離画像生成部２４は、反射変調光の光強度Ｉがこのノイズ強度Ｉｔｈよりも大きい場合には、対応する受光素子３０の出力に基づいて得られた距離Ｌの情報が適切なものと判断し、用いる。また、反射変調光の光強度Ｉがこのノイズ強度Ｉｔｈ以下である場合には、対応する受光素子３０の出力に基づいて得られた距離Ｌの情報が不適切なものと判断し、適宜補正する。 The curve shown in FIG. 3 shows the threshold function represented by the above relational expression. In the range image generation device 1 of the present embodiment, the threshold setting unit 23 of the control unit 13 inputs the light intensity B of the disturbance light to the threshold function for each imaging frame to thereby obtain the noise intensity I th (threshold) Is determined dynamically. Then, distance image generation unit 24 of the control unit 13, when the light intensity I of the reflected modulated light is greater than this noise intensity I th, the information obtained distance L based on the output of the corresponding light receiving element 30 Is appropriate and used. The reflection when the light intensity I of the modulated light is below the noise intensity I th determines that inappropriate information obtained distance L based on the output of the corresponding light receiving element 30 is appropriately corrected I do.

図４は、閾値関数の具体例について説明するための図である。図４においても横軸を外乱光の強度Ｂ、縦軸を反射変調光の光強度Ｉに対応付けている。図４に示す閾値関数は以下のようにして求めた。光源１０から変調光を出射しないようにした状態（光強度＝０）にて、曇り空を撮像し、５６７０個の画素（受光素子３０）において検出された反射変調光の光強度Ｉと外乱光の光強度Ｂとの関係をプロットした。曇り空を撮像すると画素によって外乱光の光強度が異なるため、０＜Ｂ＜１０００程度の範囲で様々な測定点が存在する。ここでは、それぞれ電子数（電荷量）で表しており、横軸の単位は１００ｎｓあたりにフォトダイオードで発生した電子数であり、縦軸の単位は１００ｎｓあたりに発生した電子数を５ＭＨｚの周波数で４つの各転送ゲートに振り分けた時に得られた電子数である。変調光の光強度を０とし、無限遠点とみなせる曇り空を撮影しているにも関わらず反射変調光の光強度Ｉが０より大きい値として得られていることが分かる。また、外乱光の光強度Ｂの増加に従って反射変調光の光強度Ｉも増加している。この現象は上記のようにｋＴＣノイズ、暗電流ノイズ、光ショットノイズから説明できる。   FIG. 4 is a diagram for describing a specific example of the threshold function. Also in FIG. 4, the horizontal axis corresponds to the intensity B of the disturbance light, and the vertical axis corresponds to the light intensity I of the reflected modulated light. The threshold function shown in FIG. 4 was obtained as follows. In a state where the modulated light is not emitted from the light source 10 (light intensity = 0), the cloudy sky is imaged, and the light intensity I of the reflected modulated light detected at 5,670 pixels (the light receiving elements 30) and the disturbance light The relationship with the light intensity B was plotted. When an image of a cloudy sky is taken, the light intensity of the disturbance light differs depending on the pixel. Here, each is represented by the number of electrons (charge amount), the unit on the horizontal axis is the number of electrons generated in the photodiode per 100 ns, and the unit on the vertical axis is the number of electrons generated per 100 ns at the frequency of 5 MHz. This is the number of electrons obtained when the data is distributed to each of the four transfer gates. It can be understood that the light intensity I of the reflected modulated light is obtained as a value larger than 0 even though the light intensity of the modulated light is set to 0 and a cloudy sky that can be regarded as an infinity point is photographed. Also, the light intensity I of the reflected modulated light increases as the light intensity B of the disturbance light increases. This phenomenon can be explained by kTC noise, dark current noise, and light shot noise as described above.

図中の各測定点を用いて、Ｉｔｈ＝０．２２３＋０．０２１√Ｂとした場合の閾値関数を図中に特性線で示している。この特性線で示されたノイズ強度Ｉｔｈを閾値として用い、Ｉｔｈ以下となる変調光の光強度Ｉが得られた画素（受光素子３０）については、その画素における距離Ｌの情報は不適切（測距不可能）と判定することができる。 The threshold function when I th = 0.223 + 0.021 ° B using each measurement point in the figure is shown by a characteristic line in the figure. Using this characteristic line noise intensity I th indicated by a threshold, for the pixels light intensity I of the modulated light is obtained as the following I th (the light receiving element 30), the incorrect information of the distance L at that pixel (Distance measurement impossible).

ここで、閾値関数の決定方法について考える。変調光の光量を０とし、外乱光の光強度Ｂを一定としたときにおけるノイズ強度をＩnoiseとすると、Ｉnoiseは撮像フレーム毎にランダムな値をとり、その分布は正規分布となる。平均値μ＝０．５、標準偏差σ＝０．０５としたときのＩnoiseの発生確率分布は図５のようになる。これは、図４に示すデータでいうとＢ≒５００のときに、撮像フレーム毎に発生するノイズ量の確率を示している。 Here, a method of determining the threshold function will be considered. Assuming that the noise intensity when the light intensity of the modulated light is 0 and the light intensity B of the disturbance light is constant is I noise , I noise takes a random value for each imaging frame, and its distribution is a normal distribution. FIG. 5 shows an I noise occurrence probability distribution when the average value μ = 0.5 and the standard deviation σ = 0.05. This indicates the probability of the amount of noise generated for each imaging frame when B ≒ 500 in the data shown in FIG.

理想的には、全ての光強度Ｉについて不適切（測距不可能）の判定を下さなければならないが、閾値を大きくし過ぎると反射変調光の光強度が僅かに存在するときの距離Ｌまでもが排除されてしまう。このため、閾値を決定するための閾値関数は、距離画像生成装置１の使用目的等に応じて適宜調整することができる。   Ideally, all light intensities I must be judged to be inappropriate (distance measurement is impossible). However, if the threshold value is too large, the distance L when the light intensity of the reflected modulated light is slightly present is increased. Is also eliminated. For this reason, the threshold function for determining the threshold can be appropriately adjusted according to the purpose of use of the distance image generation device 1 and the like.

例えば、変調光の光強度が０でありＢが５００であるときに、Ｉｔｈ＝μ＋３σを満たすように閾値関数を決定すると、不適切（測距不可能）の判定を正確に行える確率は、約９９．８６５％となる。同様に、Ｉｔｈ＝μ＋４σを満たすように閾値関数を決定すると、不適切（測距不可能）の判定を正確に行える確率は、約９９．９９７１５％となる。実際に、Ｂ＝５００のときにＩｔｈ＝μ＋４σを満たすように閾値関数を決定し、外乱光の光強度Ｂが画素（受光素子３０）によって異なる環境下で撮影した距離画像を検証したところ、測距不可能な画素（例えば、空など対象物がない領域）の情報を的確に排除し、かつ反射率が低い対象物についても適切に測距できることが確認された。 For example, when the light intensity of the modulated light is 0 and B is 500, if the threshold function is determined so as to satisfy I th = μ + 3σ, the probability that the determination of improperness (distance measurement is impossible) can be accurately performed is as follows. It is about 99.865%. Similarly, when the threshold function is determined so as to satisfy I th = μ + 4σ, the probability that the determination of inappropriateness (distance measurement is impossible) can be made accurately is about 99.99715%. Actually, when B = 500, a threshold function was determined so as to satisfy I th = μ + 4σ, and a distance image taken under an environment in which the light intensity B of the disturbance light varied depending on the pixel (the light receiving element 30) was verified. It was confirmed that information of pixels that could not be measured (for example, an area without an object such as the sky) was accurately excluded, and that an object having a low reflectance could be appropriately measured.

図６は、距離画像生成装置の動作手順を示すフローチャートである。なお、処理に矛盾を生じない限りにおいて処理順序を入れ替えてもよく、図示の処理順序にのみ限定されない。   FIG. 6 is a flowchart illustrating an operation procedure of the range image generation device. Note that the processing order may be changed as long as no inconsistency occurs in the processing, and the processing order is not limited to the illustrated processing order.

測距モード制御部１２は、反射変調光の光強度Ｉを計測するための測距モードにより光源１０および受光部１１を制御する。制御部１３の反射光強度演算部２１は、各受光素子３０の転送ゲートの出力に対応する積分値Ｓ０、Ｓ９０、Ｓ１８０、Ｓ２７０を取得する（ステップＳ１１）。   The ranging mode control unit 12 controls the light source 10 and the light receiving unit 11 in a ranging mode for measuring the light intensity I of the reflected modulated light. The reflected light intensity calculation unit 21 of the control unit 13 acquires the integrated values S0, S90, S180, and S270 corresponding to the output of the transfer gate of each light receiving element 30 (Step S11).

次に、測距モード制御部１２は、外乱光強の光強度Ｂを計測するための測距モードにより光源１０および受光部１１を制御する。制御部１３の外乱光強度演算部２２は、各受光素子３０の転送ゲートの出力に対応する積分値Ｂ１、Ｂ２を取得する（ステップＳ１２）。   Next, the distance measurement mode control unit 12 controls the light source 10 and the light receiving unit 11 in a distance measurement mode for measuring the light intensity B of the disturbance light intensity. The disturbance light intensity calculation unit 22 of the control unit 13 acquires the integral values B1 and B2 corresponding to the output of the transfer gate of each light receiving element 30 (Step S12).

次に、反射光強度演算部２１は、反射変調光の光強度Ｉを算出する（ステップＳ１３）。また、外乱光強度演算部２２は、外乱光の光強度Ｂを算出する（ステップＳ１４）。また、距離演算部２０は、各画素ごとの距離Ｌを算出する（ステップＳ１５）。   Next, the reflected light intensity calculator 21 calculates the light intensity I of the reflected modulated light (Step S13). Further, the disturbance light intensity calculator 22 calculates the light intensity B of the disturbance light (Step S14). Further, the distance calculation unit 20 calculates the distance L for each pixel (Step S15).

次に、閾値設定部２３は、メモリ１４から読み出した閾値関数を用いて、各画素ごとに外乱光の光強度Ｂに基づく閾値であるノイズ強度Ｉｔｈを算出する（ステップＳ１６）。そして、距離画像生成部２４は、ステップＳ１３で求められた反射変調光の光強度Ｉが閾値であるノイズ強度Ｉｔｈよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１７）。 Next, the threshold setting unit 23 uses the threshold function read out from the memory 14, and calculates the noise intensity I th is a threshold based on the light intensity B of the ambient light for each pixel (step S16). Then, distance image generation unit 24 determines whether or larger or not than the noise intensity I th is the light intensity I is the threshold of the reflected modulated light obtained in step S13 (step S17).

反射変調光の光強度Ｉが閾値のノイズ強度Ｉｔｈよりも大きい場合には（ステップＳ１７；ＹＥＳ）、距離画像生成部２４は、その画素の距離Ｌを適切なものとして保持する（ステップＳ１８）。他方、反射変調光の光強度Ｉが閾値のノイズ強度Ｉｔｈ以下の場合には（ステップＳ１７；ＮＯ）、距離画像生成部２４は、その画素の距離Ｌを不適切なものとしてエラー処理する（ステップＳ１９）。具体的には、例えばその画素の距離Ｌとして設計上の最大値を出力する補正処理を行うか、あるいは距離Ｌの情報を廃棄する補正処理を行う。 If the light intensity I of the reflected modulated light is greater than the noise intensity I th threshold (Step S17; YES), the distance image generation unit 24 holds the distance L of the pixel as appropriate (step S18) . On the other hand, when the light intensity I of the reflected modulated light is below the noise intensity I th threshold (Step S17; NO), the distance image generation unit 24, an error processing the distance L of the pixel as objectionable ( Step S19). Specifically, for example, a correction process for outputting a design maximum value as the distance L of the pixel is performed, or a correction process for discarding information on the distance L is performed.

距離画像生成部２４は、全ての画素について処理が完了したか否か判定し（ステップＳ２０）、処理が完了していない場合には（ステップＳ２０；ＮＯ）、上記したステップＳ１７へ戻り、それ以降の処理を繰り返す。また、処理が完了した場合には（ステップＳ２０；ＹＥＳ）、距離画像生成部２４は、各画素の距離Ｌの情報を用いて距離画像を生成し、上位装置へ出力する（ステップＳ２１）。   The distance image generation unit 24 determines whether or not processing has been completed for all pixels (step S20). If the processing has not been completed (step S20; NO), the process returns to step S17, and thereafter. Is repeated. When the processing is completed (step S20; YES), the distance image generation unit 24 generates a distance image using the information of the distance L of each pixel, and outputs the generated distance image to the host device (step S21).

以上のような実施形態によれば、距離画像ないし距離情報の精度を高めることが可能な測距技術を得ることができる。   According to the above-described embodiment, it is possible to obtain a distance measurement technique capable of improving the accuracy of a distance image or distance information.

なお、本発明は上記した実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。例えば、上記した実施形態ではＴＯＦ方式を用いる距離画像生成装置において本発明を適用した場合を例示していたが、これに限定されず、光源（発光部）から放出する光を用いて距離計測を行う距離画像生成装置の全般に対して本発明を適用することができる。また、光源から放出する光の波形に制限はない。さらに、上記した実施形態では２つのフォトダイオードの各々に２つの転送ゲートを有する受光部を用いる場合について例示していたが、反射変調光の光強度と外乱光の光強度を得ることができる限りにおいて受光部の構成は限定されない。   It should be noted that the present invention is not limited to the contents of the above-described embodiment, and can be implemented with various modifications within the scope of the present invention. For example, in the above-described embodiment, the case where the present invention is applied to the distance image generating apparatus using the TOF method has been exemplified. However, the present invention is not limited to this, and distance measurement is performed using light emitted from a light source (light emitting unit). The present invention can be applied to all the range image generating apparatuses to be performed. There is no limitation on the waveform of light emitted from the light source. Further, in the above-described embodiment, the case where the light receiving unit having two transfer gates is used for each of the two photodiodes has been exemplified. However, as long as the light intensity of the reflected modulated light and the light intensity of the disturbance light can be obtained. In, the configuration of the light receiving unit is not limited.

１：距離画像生成装置、２：対象物、１０：光源部、１１：受光部、１２：測距モード制御部、１３：制御部、１４：メモリ、２０：距離演算部、２１：反射光強度演算部、２２：外乱光強度演算部、２３：閾値設定部、２４：距離画像生成部、３０：受光素子、３１Ａ、３１Ｂ：フォトダイオード、Ｇ０、Ｇ９０、Ｇ１８０、Ｇ２７０：転送ゲート   1: distance image generation device, 2: target object, 10: light source unit, 11: light receiving unit, 12: distance measurement mode control unit, 13: control unit, 14: memory, 20: distance calculation unit, 21: reflected light intensity Calculation unit, 22: disturbance light intensity calculation unit, 23: threshold setting unit, 24: distance image generation unit, 30: light receiving element, 31A, 31B: photodiode, G0, G90, G180, G270: transfer gate

Claims (6)

複数の画素を有する距離画像を生成するための装置であって、
対象物へ変調光が照射されたときの反射光を受光することにより当該各画素ごとの距離及び当該反射光の強度を求め、
前記対象物へ前記変調光が照射されないときの外乱光を受光することにより当該各画素ごとの当該外乱光の強度を求め、
前記外乱光の強度に応じて定まる閾値を前記各画素ごとに設定し、
前記各画素ごとに当該閾値と前記反射光の強度を比較し、当該反射光の強度が当該閾値を下回った画素については対応する前記距離を補正して前記距離画像を生成する、
距離画像生成装置。 An apparatus for generating a range image having a plurality of pixels,
By receiving the reflected light when the modulated light is applied to the object, the distance of each pixel and the intensity of the reflected light are obtained,
By obtaining the intensity of the disturbance light for each pixel by receiving the disturbance light when the modulated light is not irradiated to the object,
A threshold determined according to the intensity of the disturbance light is set for each of the pixels,
Comparing the threshold and the intensity of the reflected light for each of the pixels, and generating the distance image by correcting the corresponding distance for a pixel whose intensity of the reflected light is less than the threshold,
Range image generation device. 複数の画素を有する距離画像を生成するための装置であって、
前記複数の画素の各々に対応する複数の受光素子と、
前記複数の受光素子の出力に基づいて前記距離画像を生成する制御部と、
を含み
前記制御部は、
対象物へ変調光が照射されたときに前記複数の受光素子によって受光される反射光に基づいて当該各画素ごとの距離及び当該反射光の強度を求め、
前記対象物へ前記変調光が照射されないときに前記複数の受光素子によって受光される外乱光に基づいて当該各画素ごとの当該外乱光の強度を求め、
前記外乱光の強度に応じて定まる閾値を前記各画素ごとに設定し、
前記各画素ごとに当該閾値を前記反射光の強度を比較し、当該反射光の強度が当該閾値を下回った画素については対応する前記距離を補正して前記距離画像を生成する、
距離画像生成装置。 An apparatus for generating a range image having a plurality of pixels,
A plurality of light receiving elements corresponding to each of the plurality of pixels;
A control unit that generates the distance image based on outputs of the plurality of light receiving elements,
The control unit includes:
Determine the distance of each pixel and the intensity of the reflected light based on the reflected light received by the plurality of light receiving elements when the object is irradiated with the modulated light,
Determine the intensity of the disturbance light for each pixel based on the disturbance light received by the plurality of light receiving elements when the modulated light is not irradiated to the object,
A threshold determined according to the intensity of the disturbance light is set for each of the pixels,
For each of the pixels, the threshold value is compared with the intensity of the reflected light, and the intensity of the reflected light is lower than the threshold value.
Range image generation device. 複数の画素を有する距離画像を生成するための装置であって、
前記複数の画素の各々に対応する複数の受光素子と、
前記複数の受光素子の出力に基づいて前記距離画像を生成する制御部と、
を含み
前記制御部は、
対象物へ変調光が照射されたときに前記複数の受光素子によって受光される反射光に基づいて当該各画素ごとの距離を求める距離演算部と、
前記対象物へ前記変調光が照射されたときに前記複数の受光素子によって受光される反射光に基づいて当該各画素ごとの当該反射光の強度を求める反射光強度演算部と、
前記対象物へ前記変調光が照射されないときに前記複数の受光素子によって受光される外乱光に基づいて当該各画素ごとの当該外乱光の強度を求める外乱光強度演算部と、
前記外乱光の強度に応じて定まる閾値を前記各画素ごとに設定する閾値設定部と、
前記各画素ごとに当該閾値を前記反射光の強度を比較し、当該反射光の強度が当該閾値を下回った画素については対応する前記距離を補正して前記距離画像を生成する距離画像生成部と、
を有する、距離画像生成装置。 An apparatus for generating a range image having a plurality of pixels,
A plurality of light receiving elements corresponding to each of the plurality of pixels;
A control unit that generates the distance image based on outputs of the plurality of light receiving elements,
The control unit includes:
A distance calculation unit that calculates a distance for each pixel based on reflected light received by the plurality of light receiving elements when the target object is irradiated with the modulated light,
A reflected light intensity calculation unit that calculates the intensity of the reflected light for each pixel based on the reflected light received by the plurality of light receiving elements when the modulated light is applied to the object,
A disturbance light intensity calculation unit that calculates the intensity of the disturbance light for each of the pixels based on the disturbance light received by the plurality of light receiving elements when the modulated light is not applied to the object,
A threshold setting unit that sets a threshold determined according to the intensity of the disturbance light for each of the pixels,
For each pixel, the threshold value is compared with the intensity of the reflected light, and the intensity of the reflected light is less than the threshold value For pixels whose intensity is less than the threshold value, a corresponding distance is corrected and the distance image generation unit generates the distance image. ,
A distance image generation device comprising: 前記閾値は、前記反射光の強度の平方根に比例して定められる、
請求項１〜３の何れか１項に記載の距離画像生成装置。 The threshold is determined in proportion to the square root of the intensity of the reflected light,
The distance image generation device according to claim 1. 前記距離の補正は、当該距離の情報を廃棄する処理又は当該距離の情報を任意の値で上書きする処理によって行われる、
請求項１〜４の何れか１項に記載の距離画像生成装置。 The correction of the distance is performed by a process of discarding the information of the distance or a process of overwriting the information of the distance with an arbitrary value.
The distance image generation device according to claim 1. 複数の画素を有する距離画像を生成するための方法であって、
対象物へ変調光が照射されたときの反射光を受光することにより当該各画素ごとの距離及び当該反射光の強度を求めるステップと、
前記対象物へ前記変調光が照射されないときの外乱光を受光することにより当該各画素ごとの当該外乱光の強度を求めるステップと、
前記外乱光の強度に応じて定まる閾値を前記各画素ごとに設定するステップと、
前記各画素ごとに当該閾値と前記反射光の強度を比較し、当該反射光の強度が当該閾値を下回った画素については対応する前記距離を補正して前記距離画像を生成するステップと、
を含む、距離画像生成方法。 A method for generating a range image having a plurality of pixels, comprising:
Obtaining the distance of each pixel and the intensity of the reflected light by receiving the reflected light when the target object is irradiated with the modulated light,
Obtaining the intensity of the disturbance light for each pixel by receiving disturbance light when the modulated light is not radiated to the object;
Setting a threshold determined according to the intensity of the disturbance light for each of the pixels,
Comparing the threshold and the intensity of the reflected light for each of the pixels, and correcting the corresponding distance for a pixel whose intensity of the reflected light is less than the threshold to generate the distance image,
And a distance image generation method.
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