JP3262265B2 - 光学的道路探測システム - Google Patents

光学的道路探測システム

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JP3262265B2 JP11505797A JP11505797A JP3262265B2 JP 3262265 B2 JP3262265 B2 JP 3262265B2 JP 11505797 A JP11505797 A JP 11505797A JP 11505797 A JP11505797 A JP 11505797A JP 3262265 B2 JP3262265 B2 JP 3262265B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、車両の高い位置（例え
ば車両のフロントガラスの上端部の高さ）に装着された
ビデオカメラよりの画像信号をエレクトロニックス処理
と解析を行うことにより、路上にある車両から、道路お
よびその交通状態を光学的に検知する装置に関し、その
とき、カメラレンズの光軸と道路面との傾斜角度εがレ
ンズの画角（２θ）（図１を参照）の半分以下で、しか
しほぼ半分に等しいような光学的道路および交通検知装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術】ヨーロッパ特許出願８９ ３０９ ８７
６．２（公開番号０ ３６１ ９１４Ａ２）に開示され
ているこの種の既知のシステムは、ビデオカメラにより
得られる像の直線部分を検知することにより路端の軌道
を決定し、その路端は車両から遠いほど狭く収束する。
高速の“リアルタイム”画像処理が可能なこの種のシス
テムは、例えば、もし車両の道路に対する相対的な方向
角度が望ましい値からずれたときに、運転者に対して警
報信号を発する、“居眠り警報”として使用される。理
論的には、そのようなシステムは、また、もし運転者が
対応に失敗したとき、道路に対する車両の方向および道
路上の車両の位置を維持するために、車両のパワーステ
アリングに介入することが可能であり、また、同様に車
両の自動制動および自動停止を制御することも可能であ
る。
【０００３】これらの機能が満足される有効性は、車両
から“見える”道路の距離が短くなるほど向上し、十分
な位置分解能で検知できる道路の距離が長くなるほど向
上する。最善の可能な妥協点を見いだすためには、これ
らの要請は、通常のレンズよりも若干小さな平均視角を
もつレンズのついたカメラを使用することにより、十分
満足すべきものではないが実現できる。決して満足すべ
きものではないが、さらによい結果は、かなりコストの
面で高くなるが、二台のビデオカメラを使用して実現で
き、そのとき、一台は車両の前面の近い視野をカバーす
るために広角レンズを装備し、もう一台は遠い範囲をカ
バーするために望遠レンズを装備する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、した
がって、上記のタイプのシステムで、一台のビデオカメ
ラを使用して、車両に直近の範囲と比較的遠くの道路上
の領域の両方で、良好な画像の位置分解能が得られる改
良されたシステムを提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この目的は、本発明によ
り、画角（２θ）が少なくとも９０°の広角レンズをも
つビデオカメラを提供することにより、そして、ビデオ
カメラの感光センサー領域を、カメラからある最小の距
離と捕捉領域の最も離れた領域の間の距離に対応する像
部分を受けるように位置どりすることにより実現され
る。本発明のシステムでは、車両から遠い領域に対する
撮像スケールは、低く見積もって、次の式で決められる
ファクターＭで与えられる。なお、「撮像スケール」
は、対象物体の実際の大きさと焦点面における像の大き
さとの関係を示すファクターである。
【０００６】
【数１】 ここで、εはカメラレンズの光軸の道路に対する傾斜角
度で、車両に近い領域ほど大きな値をとる。このよう
に、このカメラレンズは、捕捉領域が車両から遠い領域
に対しては望遠レンズの特性をもち、車両に近い領域に
対してだけ撮像視野の広い広角レンズの特性をもつ。な
お、撮像スケールのファクターＭは正確には後述する
［段落００１９］の数式（２）で表わされるが、対象物
体が遠方にある場合はθ≒０従ってtanθ≒０となるの
で、実用的にＭ＝１＋ｔａｎ２ εで表わされる。
【０００７】ビデオカメラの受光検知領域を、捕捉領域
のあらかじめ決められた最小の距離から遠方の距離まで
の範囲に制限することにより、ＣＣＤカメラの受光検知
領域の限定された像分解能を、関心のある領域の監視の
ために最適化することができる。
【０００８】レンズの画角（２θ）を少なくとも９０°
とすると、レンズはその光軸を道路に対して４５°また
はそれ以上に傾けて配置される。このように、道路の遠
い領域に対する撮像スケールは、近くの領域に比べて２
倍大きい。撮像スケールは傾斜角εの正接の二乗に依存
するので、撮像スケールの拡大は、この角度が４５°よ
りも大きな値に選ばれるときに特に効果的であり、これ
は非常に極端ではない広い画角（２θ）をもつ広角レン
ズで十分実現される。車両の前面端が基本的には垂直
の、または、ほぼ垂直平面のフロントガラス面であるよ
うな、運転台の高い商用車では、画角（２θ）が９０°
のカメラレンズを使用するとき、カメラが運転台の内部
に設置できて、それにもかかわらず、車両と地平線の間
の全長に近い道路を捕捉するようにできる。
【０００９】さらに、カメラレンズからの水平方向の最
小距離（この距離からカメラの受光表面に捕捉領域の像
を結ばせる）を、ｈ／tan εの値にほぼ等しくすること
は利点がある。ここで、ｈは道路からレンズの中心まで
の垂直距離で、εは前と同じく、レンズの光軸が道路と
つくる傾斜角である。
【００１０】本発明のその他の目的、利点および特徴
は、添付される図面とともに記述される以下の本発明の
詳細な説明から明らかになろう。
【００１１】
【実施例】図１の道路車両１０（バンとして図示されて
いる）にはビデオカメラ１１が装備されており、カメラ
レンズ１９の画角（２θ）で示されるその撮像角度Ω
は、車両の前面端の前の近い距離から始まり非常の遠く
まで、例えば無限遠まで広がる道路領域１２をカバーす
る。ビデオカメラ１１は、車両１０のフロントガラスの
上部右角近くで、乗客室１４の外側に、上部支持部１６
が車両の屋根１７の前面右角部分に接続される場所に取
り付けられている。こうすると、ビデオカメラ１１の道
路１２からの垂直距離ｈは、車両の高さにほぼ対応す
る。
【００１２】ビデオカメラは、カメラレンズ１９の光軸
１８が、車両１０の垂直長手方向中心面２２に平行な垂
直平面２１（図２）で、道路１２の面に対して鋭角εだ
け傾斜するように、車両１０に取り付けられている。
【００１３】図２の鎖線で示されるビデオカメラ１１の
もう一つの有利な方向決めは、レンズ１９の光軸１８の
斜めの光路を含む垂直平面２１が、車両１０の長手方向
の中心面２２と、数度だけ小さな鋭角δで傾斜するよう
な方向にすることである。この方向は、対面する車両が
走る道路の側面に対するカメラの車両に近い領域の視野
限界を、より車両１０に近づける。カメラのそのような
“斜め”の方向決めはもちろん必須ではない。また、カ
メラが車両の中心に、例えば、フロントガラスの上端部
に取り付けられた車両のバックミラーの前面に取り付け
られる場合には、斜めの配置はできない。（小さなサイ
ズの新しいビデオカメラは、バックミラーの取り付け部
に一体化して装着できる。）さらに、カメラ１１は、カ
メラレンズ１９の光軸１８の傾斜角εが画角２θの半分
よりも数度（例えば２°から５°）小さいように取り付
けられ、こうすると、ビデオカメラ１１は、車両１０か
ら少なくともある最短の距離より遠くにある該車両の前
の他の車両を、たとえそれが該車両１０より高くても検
知することができる。
【００１４】カメラ１１によりスキャンすることができ
る道路領域の視界が、カメラレンズ１９の光軸１８のあ
る決まった方位に対して、車両１０に出来るだけ近くな
るように、カメラレンズ１９は、説明のために６０°の
値をもつと仮定される画角２θをもつ広角レンズとして
設計される。こうすると、約２ｍの車高で、約２８°の
光軸１８の傾斜角度εのときに、カメラ１１により探測
される道路領域は、カメラ１１に固有の構成制限を考慮
に入れると、カメラ１１の約４ｍ前方から、画角２θ以
内の“上方にある”地平線にまで広がる。
【００１５】ビデオカメラ１１のさらなる構造的詳細お
よび機能特性についての以下の説明のために、それを単
純化するため、レンズ１９の幾何光学的特性が単純化さ
れた形の次の結像方程式で記述できると仮定する。
【００１６】
【数２】 ここで、図３に示されるように、ｆはレンズ１９の焦点
距離（単一平面、いわゆる主平面２３による）で、一
方、ｇは対象物体の距離（レンズ１９により検知される
対象物体の位置Ｇ０１の主平面２３からの距離として定
義される）、そしてｂは像の距離（主平面２３から、レ
ンズにより結ばれる像の位置Ｂ０１までの距離で、対象
物体の位置の関数として定義される）を表す。焦点距離
ｆは、主平面２３から焦点Ｆまでの距離（光軸１８に沿
った距離）で、撮像する対象物体からでてレンズ１９の
光軸１８に平行で主平面２３を通過する全ての光線２４
がＦを通る。
【００１７】これらの仮定のもとでは、レンズ１９の光
軸１８の上にある領域の対象点Ｇｏｎに対応する結像点
Ｂｏｎは、光軸１８の下に位置する臨界像円２９（図
５）の領域にくる。車両１０に取り付けられるビデオカ
メラ１１の傾斜した配置（図１の鎖線で示される）のた
めに、実際的には、観測が重要な全探測領域はレンズ１
９の光軸１８の上（上記の意味で）に位置する。したが
って、図４の模式的に単純化した表示に示されるよう
に、受光用ＣＣＤ検知プレート２６（レンズ側の検知領
域２７は、レンズ１９の光軸１８に垂直な選択された像
平面２８にあり、その寸法により解析される図５の像円
２９の領域を決める）はかなり下方に配置され、したが
って、像形成領域の大部分が像解析に興味のある領域と
して使用される。
【００１８】ビデオカメラ１１が道路１２に対して相対
的に傾斜した位置にあるので、車両１０からさらに遠い
道路部分は、車両１０により近い道路部分に比べて、径
方向に外側に（別の言葉では下側に）像が結ばれる。そ
の結果、遠い道路部分にある対象物体は、レンズの光軸
１８に近い部分の検知プレート２６に像を結ぶ近い道路
部分にある対象物体に比べて、より大きな撮像スケール
で像を結ぶこととなる。前記の単純化した結像方程式
（１）に基づき、ビデオカメラ１１を水平に配置した場
合（光軸１８が水平である場合）に比べて、光軸１８を
傾斜させた場合の撮像スケールは次の関係式であたえら
れるスケール・ファクターＭだけ大きくなる。
【００１９】
【数３】 ここで、εはビデオカメラ１１の光軸１８の傾斜角度
で、θは画角２θの半分であり、光軸１８が水平に向き
あらかじめセットされた対象物体の距離をｇとすると、
図３の二重矢印で示される対象物体は、この画角２θの
中に、光軸の両側に同じ広がりで現われる。
【００２０】本発明のシステムの動作に関する定性的な
議論については、図６ａと図６ｂを参照してほしい。こ
れらは、一平面で直線状に走る道路３１の領域を示し、
ビデオカメラ１１の検知プレート２６で認識される。障
害物３２が道路３１にあり、しかしまだ非常に遠くにあ
る。
【００２１】図６（Ａ）はビデオカメラ１１に通常のレ
ンズが取り付けられた場合に対応し、一方、図６（Ｂ）
はビデオカメラ１１に広角レンズが取り付けられ、図
１、図３および図４に示されたシステムに使用された場
合を示す。図６（Ｂ）の像は、その解析のために検知プ
レート２６の全検知領域２７が使用され、したがって、
図６（Ａ）の鎖線で囲まれた像部分３３の拡大された表
現に対応している。その結果として起きる“道路の長手
方向”の歪みは、エレクトロニックスによる像解析にと
っては些細な問題である。遠くにある物体の相対的に大
きな拡大率は、例えば交通渋滞の最後尾を適切なタイミ
ングで認識できるなどの点で有利である。
【００２２】本発明が詳細にわたって記述され、図示さ
れているけれども、これは実例を挙げ、例示するためで
あり、この範囲に制限されるものでないことを明確に理
解されたい。本発明の精神と範囲は添付される請求項に
よってのみ制限される。
【図面の簡単な説明】
【図１】道路走行中の車両の前面の道路状況および交通
状況を光学的に捕捉するための、本発明によるシステム
の単純化された側面模式図で、ビデオカメラが車両のフ
ロントガラスの上端の高さに取り付けられた図である。
【図２】図１のシステムの上面図を示す。
【図３】図１および図２のシステムで、ビデオカメラの
機能を説明する撮像光路図である。
【図４】図１および図２のシステムで、ビデオカメラの
受光検知領域の配置を模式的に単純化して表示する図で
ある。
【図５】図４の矢印Ｖの方向から見た、システムのビデ
オカメラの受光検知領域の図である。
【図６】（Ａ）は、図１と図３のシステムで、通常のレ
ンズを取り付けた場合の機能を説明するために、模式的
に単純化して表示する図である。（Ｂ）は、図１と図３
のシステムで、広角レンズを取り付けた場合の機能を説
明するために、模式的に単純化して表示する図である。
【符号の説明】
１０ 路上の車両 １１ ビデオカメラ １２ 道路 １４ 乗客室 １６ 上部支持部 １７ 屋根 １８ 光軸 １９ カメラレンズ ２１ 垂直平面 ２２ 中心面 ２３ 主平面 ２４ 光線 ２６ 受光用ＣＣＤ検知プレート ２７ 全検知領域 ２８ 像平面 ２９ 像円 ３１ 道路 ３２ 障害物
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−90379（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−90380（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−90381（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−274941（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−96118（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−67873（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H04N 7/18 B60R 1/00 B60R 21/00 G01C 3/06 G06T 1/00 G08G 1/04 H04N 5/225

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 車両の前方領域にある道路とそこにある
    対象物体を、前記車両の高い位置に取り付けられたビデ
    オカメラからの電気信号の手段により検知する装置で、 前記カメラは、そのカメラレンズの光軸が前記道路の平
    面に対して相対的に傾斜角度をもつように方向決めさ
    れ、傾斜角度は前記カメラレンズの画角（２θ）の半分
    よりも小さく、かつ半分にほとんど等しく、 前記カメラレンズは、約９０°より大きな画角（２θ）
    をもつ広角レンズで、 前記カメラは、前記カメラレンズの結像領域の部分に配
    置された受光検知器要素をもち、結像領域の前記部分
    は、前記カメラの前方のあらかじめ決められた最小距離
    と前記カメラにより検知される最遠方領域の間にある道
    路の部分に対応することを特徴とする光学的道路探測シ
    ステム。
  2. 【請求項２】 前記のあらかじめ決められた最小距離が
    およそｈ／tan εの値に等しく、ここでｈは道路からレ
    ンズの中心までの垂直距離で、εはカメラレンズの光軸
    が道路の平面とつくる傾き角度であることを特徴とする
    請求項１に記載のシステム。
  3. 【請求項３】 車両の前方領域にある道路とそこにある
    対象物体を検知するビデオカメラで、９ ０°よりも大きい画角（２θ）をもつ広角レンズと、結 像領域のある部分に、前記レンズの結像領域に中心を
    ずらせて取り付けた受光検知器要素とを備え、 前記カメラがそのレンズの光軸が前記道路の平面に対し
    て前記画角（２θ）の半分よりも小さくかつ半分にほぼ
    等しい角度で前記車両に取り付けられたときに、前記受
    光検知器要素上につくられる像が、前記車両の前方のあ
    らかじめ決められた最小距離と無限遠の間に位置する前
    記道路部分に対応することを特徴とするビデオカメラ。
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