JP6953209B2 - 距離測定装置及びその角度調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、被写体までの距離を測定して距離画像として出力する距離測定装置に関するものである。

光の伝達時間に基づいて被写体までの距離を測定し（以下、ＴＯＦ法：タイム・オブ・フライト）、距離データから被写体の位置を示す画像として出力する装置（以下、距離測定装置）が知られる。装置の構成として、被写体までの距離を測定するために、光源から光源光を照射する発光部と、被写体からの反射光を検出する受光部を備え、両者はＴＯＦセンサと呼ばれる。

例えば特許文献１に記載の人物位置検出装置では、ＴＯＦ式距離画像センサからの距離情報に基づいて、室内空間の物体までの距離変位を検出する距離変位検出手段と、検出された距離変位領域の形状特定化によって人物かどうかを判別する人物判別手段とを有し、人物として形状特定化された距離変位領域までの方向及び距離を人物位置として検出する構成が開示されている。

また、特許文献２に記載の監視カメラでは、カメラの撮影対象を照らす照明用光源を有し、カメラと光源が一体で回転可能な構成が開示されている。

特開２００９−１７４８３０号公報 特開２００４−１５９２５３号公報

距離測定装置により例えば店舗内の人物の動きを監視する場合、装置は店舗内の天井に設置され、ＴＯＦセンサ（発光部）から床面上の監視領域に向け光源光を斜め方向に照射して用いられることが多い。その際、監視領域から反射されて受光部にて検出される反射光の強度分布は非対称であり、監視領域内の手前側と遠方側とで強度が異なるという現象がある。つまり、ＴＯＦセンサから遠方側の領域での反射光強度が手前側の領域での反射光強度よりも小さく、監視領域が広く光源光の強度が十分確保できない場合には、遠方側領域での距離測定の精度が劣化するという課題がある。

前記の特許文献１や特許文献２では、被写体からの反射光の強度については特に考慮されていなかった。また特許文献２では、カメラと光源は一体となって角度を調整する機構となっており、反射光の強度分布が非対称になることについては考慮されていない。

本発明の目的は、光源光を監視領域に斜め方向に照射して距離測定する場合、監視領域内でＴＯＦセンサから遠方側の領域での反射光の強度を増大させる距離測定装置を提供することである。

本発明は、被写体までの距離を測定して距離画像として出力する距離測定装置において、光源から被写体に向けて光源光を照射する発光部と、被写体からの反射光を受光する受光部と、光源光を照射してから反射光を受光するまでの時間差から被写体までの距離を算出する距離計算部と、算出した距離に基づき被写体の距離画像を生成する画像処理部と、を備える。さらに、発光部の照射角度を調整する第１の回転機構と、受光部の受光角度を調整する第２の回転機構と、を有し、発光部と受光部の角度を互いに独立に調整可能としたことを特徴とする。

本発明によれば、監視領域内での反射光強度の偏りがなくなり、監視領域全域にわたって距離測定精度を確保することが可能となる。

本発明に係る距離測定装置の一実施例を示す外観図。 距離測定装置の使用例を示す図。 距離測定装置の内部構成を示すブロック図。 ＴＯＦ法による距離測定の原理を説明する図。 ＴＯＦ法による距離測定の原理を説明する図。 発光角度と受光角度が等しい場合の反射光の強度分布を示す図。 発光角度が受光角度より大きい場合の反射光の強度分布を示す図。 発光角度と受光角度の最適な組み合わせの計算方法を説明する図。 発光角度と受光角度の最適な組み合わせの例を示す図。

図１は、本発明に係る距離測定装置の一実施例を示す外観図である。距離測定装置１は、被写体までの距離をＴＯＦ方式で測定し、測定した被写体に含まれる物体の距離を例えば色で表示し、物体画像として出力する。被写体までの距離をＴＯＦ方式で測定するため、筐体１９の側面には、光源光を照射する発光部１１と、反射光を受光する受光部１２とを有している。後述するように、発光部１１の照射方向と受光部１２の受光方向は、互いに独立に上下方向（矢印の方向）に調整可能となっている。

図２は、距離測定装置の使用例を示す図である。ここでは、室内４に存在する人物２を被写体（監視対象）とする。この場合、人物２の移動範囲をカバーするため、すなわち測定範囲（監視範囲）を広くとるため、距離測定装置１を室内４の天井に設置し、床面を斜めに見下ろす方向で測定する。このときの測定方向は符号３で示す範囲となり、発光部１１と受光部１２はこの範囲をカバーする必要がある。

距離測定の結果、画像５に示すような人物２の物体画像が得られる。もし、測定方向を水平方向とした場合は、人物２を正面からみた画像となるが、人物２の裏側（陰）の領域は測定困難になる。また、測定方向を垂直方向とした場合は、測定範囲が狭くなるとともに、人物２を頭上から見た画像となるので人物画像としては不適当である。よって、斜めに見下ろす方向３で測定するのが効率的である。

図３は、距離測定装置の内部構成を示すブロック図である。距離測定装置１は、ＴＯＦ方式により被写体までの距離データを取得する距離測定部１０（以下、ＴＯＦセンサ）と、距離データから人物などの物体の部分を抽出して物体画像を生成する画像処理部２０とを備える。また、各部の動作は図示しないＣＰＵによって制御される。

ＴＯＦセンサ１０は、被写体にパルス光を照射するレーザダイオード（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）などの光源からなる発光部１１と、被写体から反射したパルス光を受光するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどの受光部１２と、発光部１１を駆動するとともに受光部１２の検出信号から被写体までの距離を計算する距離計算部１３を有する。受光部１２では被写体の２次元画像を撮影することで、距離計算部１３は、被写体の２次元画像の距離データを出力する。ＴＯＦによる距離測定の原理は後述する。

またＴＯＦセンサ１０には、発光部１１の照射方向（発光角度）を調整する第１の回転機構１４と、受光部１２の受光方向（受光角度）を調整する第２の回転機構１５を有している。第１、第２の回転機構１４，１５は、例えばステップモータなどのアクチュエータで構成する。回転制御部１６は第１、第２の回転機構１４，１５に駆動信号を供給し、発光部１１の発光角度と受光部１２の受光角度を所望の方向に調整する。

回転制御部１６の動作形態として、以下が可能である。
（１）リモートコントローラと連動させて、ユーザの遠隔操作により所望の角度に調整する。
（２）発光部１１と受光部１２の最適な角度の組み合わせ（角度差）をルックアップテーブル（ＬＵＴ）に記憶しておき、これに基づき自動で設定する。
（３）反射光強度センサを用いて、反射強度が要求値以上となるよう、発光部１１や受光部１２の角度を最適値に自動で調整する。
また、（１）〜（３）の動作を適宜組み合わせてもよい。

画像処理部２０は、背景画像記憶部２１、差分器２２、画像生成部２３を備え、ＴＯＦセンサ１０で取得した距離データから人物などの物体画像を生成して出力する。初めに背景画像記憶部２１は、距離計算部１３から人物がいない状態の距離データを取得して、背景画像データＢとして保存する。次に距離計算部１３から人物を含む距離データ（入力画像データＡ）が出力されると、差分器２２は、背景画像記憶部２１に保存している背景画像データＢとの差分化処理を行い、差分画像データＣを出力する。この差分化処理は、入力画像データＡと背景画像データＢとの距離差が閾値より大きい領域では入力画像データＡの信号をそのまま通過し、距離差が閾値以下の領域では入力画像データＡの信号を無信号とする処理である。差分画像データＣでは、入力画像データＡから背景が除去され、例えば人物等の物体画像が抽出されたものとなる。

画像生成部２３は、物体画像の距離データに基づき物体画像の色相を変えるカラー化処理を行い、外部装置に出力またはディスプレイ等に表示する。この場合の画像処理は、明度、コントラスト等を変える処理でも構わない。ユーザはカラー化された物体画像Ｄを見ることで、人物等の物体の位置（距離）と形状（姿勢）を容易に知ることができる。

図４Ａと図４Ｂは、ＴＯＦ法による距離測定の原理を説明する図である。ＴＯＦ（タイム・オブ・フライト）法では、発光信号と受光信号の時間差により距離を算出する。

図４ＡはＴＯＦセンサ１０と被写体２（例えば人物）の関係を示す図である。ＴＯＦセンサ１０は発光部１１と受光部１２を有し、発光部１１から被写体２へ距離測定用の光源光３１を照射する。光源光には赤外光を用いて、測定範囲（監視範囲）をカバーする所定の拡散角を有するものとする。受光部１２は、光源光３１が被写体２にて反射された反射光３２を受光するが、対物レンズ３３を介してＣＣＤなどの２次元センサ３４で受光する。被写体２は、発光部１１及び受光部１２からＬ［ｍ］離れた位置に存在する。ここで、光速をｃ［ｍ／ｓ］として、発光部１１が光源光の照射を開始してから受光部１２が反射光を受光するまでの時間差をｔ［ｓ］とすると、被写体２までの距離Ｌ［ｍ］は、
Ｌ［ｍ］＝ｃ［ｍ／ｓ］×ｔ［ｓ］／２・・・（１）
で求められる。

図４Ｂは時間差ｔの測定を示す図である。距離計算部１３は、発光部１１から照射した光源光３１のタイミングと、受光部１２で受光した反射光３２のタイミングから、その時間差ｔを測定し、（１）式から被写体２との距離Ｌを算出する。また、２次元センサ３４における各画素位置での受光タイミングのずれ量から、被写体各位置までの距離の差、すなわち被写体２の凹凸形状を求めることができる。

次に、発光部１１と受光部１２の角度設定について説明する。図２で述べたように、距離測定装置１（ＴＯＦセンサ１０）を室内の天井に設置し、発光部１１の照射方向と受光部１２の受光方向を監視領域である床面に対し斜め方向に設定する。なお、以下の説明では、発光部１１や受光部１２の方向を、ＴＯＦセンサ１０から見て真下方向（垂直方向）を基準に水平方向に見上げる角度θで表すことにする。よって、角度θ＝０°は垂直方向、θ＝９０°は水平方向を意味する。そして、発光部１１の角度をθ１、受光部１２の角度をθ２とする。

図５Ａは、発光部１１と受光部１２の角度を等しく設定した場合（θ１＝θ２）の反射光の強度分布を示す図である。横軸はＴＯＦセンサの真下位置を基点とした水平位置であり、光源光４１（中心方向を矢印で示す）を照射したときの反射光の強度分布を曲線４２で示す。この場合には、監視範囲の遠方側の反射強度が低下して、測定精度が劣化する問題を生じる。以下、その理由を説明する。

まず、所望の監視範囲を水平位置Ｘ１〜Ｘ２の範囲としたとき、この範囲をカバーするように受光部１２の受光範囲４０（点線）を設定する。そのとき、受光部１２の受光感度は受光角度θ２の方向が最大でありその両側では感度が減衰する。よって、監視範囲の両端位置Ｘ１，Ｘ２にて同等の受光感度になるよう、監視範囲を見込む角度の中心方向に受光角度θ２（一点鎖線）を設定する。このとき、受光角度θ２の交差する水平位置Ｘ０は監視範囲Ｘ１〜Ｘ２の中心ではなく、図面左側（ＴＯＦセンサ１０から見て監視範囲の手前側）に近づいている。

次に発光部１１の角度θ１を受光部１２の角度θ２と等しく設定する（θ１＝θ２）。よって、発光部１１からの光源光４１は水平位置Ｘ０に向かって照射され、それによる反射光の強度分布は曲線４２のようになる。曲線４２の形状は発光部１１で使用する光源の指向特性に依存したガウス分布を示し、中心位置Ｘ０にて最大強度Ａ０となり両側で減衰する形状となる。ここで光源光４１の出射強度が光軸方向に関し対称な分布形状であっても、光源から床面までの照射距離に応じて減衰することから、反射光の強度分布は中心位置Ｘ０の両側で破線のように非対称となる。つまり、光源に近い左側では盛り上がり、光源から遠い右側では凹む形状となる。

このとき監視範囲の両端位置Ｘ１，Ｘ２での反射強度Ａ１，Ａ２を比較すると、図から明らかなように、位置Ｘ２の強度Ａ２は位置Ｘ１の強度Ａ１よりも小さくなる。つまり、ＴＯＦセンサ１０から見て監視範囲の遠方側の反射強度は、手前側の反射強度よりも小さくなる。これは、発光部１１の発光角度θ１の方向（交差位置Ｘ０）が監視範囲Ｘ１〜Ｘ２の中心ではなく、監視範囲の手前側に位置しているからである。また、反射光の強度分布が曲線（破線）４２のように非対称形状となり、監視範囲の手前側では強度が増加するのに対し、遠方側では強度が減少するからである。

このような設定のもとで距離測定を行うと、監視範囲の遠方側での検出信号が低下して、測定精度の劣化を招く恐れがある。そこで本実施例では、発光部１１と受光部１２の角度を異なるように設定する。

図５Ｂは、本実施例の構成であり、発光部１１の角度を受光部１２の角度より大きく設定した場合の反射光の強度分布を示す図である。すなわち、光源光４１’の角度をθ１’としたときの反射光の強度分布を曲線４２’で示す。これにより、監視範囲の遠方側の反射強度を増大させて、測定精度を向上させることができる。以下、その理由を説明する。

監視範囲Ｘ１〜Ｘ２に対する受光範囲４０、及び受光部１２の角度θ２の設定は図５Ａと同様である。一方、発光部１１の角度θ１’は受光部１２の角度θ２よりも大きく設定している（θ１’＞θ２）。よって、発光部１１からの光源光４１’の交差位置Ｘ３は、受光角度θ２の交差位置Ｘ０より遠くなる（図面右側へ移動）。それによる反射光の強度分布は曲線４２’のようになり、中心位置Ｘ３にて最大強度Ａ３となる。このとき監視範囲の両端位置Ｘ１，Ｘ２での反射強度Ａ１’，Ａ２’を比較すると、監視範囲の遠方側位置Ｘ２の強度Ａ２’が増大し、手前側位置Ｘ１の強度Ａ１’に近付けることができる。

これより、監視範囲内での反射光強度の偏りを少なくし、監視範囲全域にわたって距離測定精度を確保することが可能となる。

次に、発光部１１の角度と受光部１２の角度の最適な組み合わせについて説明する。ここでは簡単のために、反射光の強度分布形状は対称であると仮定している。

図６Ａは、発光部１１の角度と受光部１２の角度の最適な組み合わせの計算方法を説明する図である。発光部１１の発光角度をθ１、受光部１２の受光角度をθ２、監視範囲に対する見込み角（片側拡散角度）をΔθとする。また、床面上の監視範囲をＸ１〜Ｘ２、発光角度θ１の交差位置をＸ３、受光角度θ２の交差位置をＸ０とする。そして、発光角度θ１の交差位置Ｘ３を監視範囲Ｘ１〜Ｘ２の中心位置となるよう設定することで、監視範囲の両端Ｘ１、Ｘ２での反射強度を等しくすることができる。すなわち、距離（Ｘ３−Ｘ１）と距離（Ｘ２−Ｘ３）が等しくなるような角度θ１を計算する。幾何計算の結果、
ｔａｎθ１＝｛ｔａｎ（θ２＋Δθ）＋ｔａｎ（θ２−Δθ）｝／２・・・（２）
とすればよい。

図６Ｂは、発光部１１の角度と受光部１２の角度の最適な組み合わせの例を示す図である。横軸は受光角度θ２、縦軸は発光角度θ１である。ここでは、受光部の片側拡散角度Δθ＝３０°として、上記（２）式から発光角度θ１と受光角度θ２の関係を求めている。例えば、受光角度θ２＝３０°のときは発光角度θ１＝４０．９°、受光角度θ２＝４５°のときは発光角度θ１＝６３．４°が最適な組み合わせとなる（白丸で示す）。両者の角度差（θ１−θ２）は受光角度θ２とともに大きくなる。また図示していないが、角度差（θ１−θ２）は見込み角（片側拡散角度）Δθにも依存し、Δθとともに大きくなる。

ここで、発光角度θ１や受光角度θ２が大きくなり水平方向に近づくと、発光部１１から床面までの照射距離が大きくなり、反射光の強度ピーク自身が低下してしまう。よって、発光角度θ１には上限値がある。図６Ａにおいて、床面からＴＯＦセンサ１０までの高さをＹ、発光部から床面までの照射距離Ｓとする。例えば、高さＹ＝２ｍ、照射距離Ｓの最大値（限界値）を７ｍとしたときには、発光角度θ１＝７３．４が上限値となり、この角度以下で使用しなければならない。

図６Ｂの最適角度の関係は監視範囲の見込み角Δθをパラメータに求め、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）に記憶しておく。回転制御部１６はこのテーブルを参照して発光部１１の角度と受光部１２の角度を最適に調整することができる。

上記した図６Ａ、図６Ｂの解析では、反射光の強度分布形状は対称であると仮定したが、光源からの照射距離に応じた減衰率を加味することで、強度分布形状が非対称となる場合についても、発光部１１の角度と受光部１２の角度の最適な組み合わせを算出することができる。

以上の構成によれば、監視範囲内での反射光強度の偏りがなくなり、監視領域全域にわたって距離測定精度を確保することが可能となる。

以上述べた実施例では、測定対象として人物の場合を例に説明したが、人物以外の物体を測定対象とする場合にも同様に適用できることは言うまでもない。

１：距離測定装置、
１０：ＴＯＦセンサ、
１１：発光部、
１２：受光部、
１３：距離計算部、
１４，１５：回転機構、
１６：回転制御部、
２０：画像処理部、
４１，４１’：光源光、
４２，４２’：反射光の強度分布、
θ１：発光部の照射角度（発光角度）、
θ２：受光部の受光角度（受光角度）。

Claims (1)

1. 被写体までの距離を測定して距離画像として出力する距離測定装置において、
   光源から前記被写体に向けて光源光を照射する発光部と、
   前記被写体からの反射光を受光する受光部と、
   前記光源光を照射してから前記反射光を受光するまでの時間差から前記被写体までの距離を算出する距離計算部と、
   前記算出した距離に基づき前記被写体の距離画像を生成する画像処理部と、を備え、
   前記発光部の照射角度を調整する第１の回転機構と、
   前記受光部の受光角度を調整する第２の回転機構と、を有し、
   前記発光部と前記受光部の角度を互いに独立に調整可能とし、
   前記第１の回転機構及び前記第２の回転機構を駆動する回転制御部と、
   前記発光部の前記照射角度と前記受光部の前記受光角度の最適な組み合わせを記憶するテーブルを備え、
   前記回転制御部は前記テーブルを参照して、前記第１の回転機構及び前記第２の回転機構を介して、前記発光部の照射角度と前記受光部の受光角度を調整し、
   前記テーブルが記憶する最適な角度の組み合わせとは、
   前記距離測定装置を天井に設置して床面上に存在する前記被写体を斜め方向に測定する場合であって、前記床面上に前記被写体に対する測定範囲を定め、前記照射角度と前記受光角度を、前記距離測定装置から見て真下方向を基準に水平方向に見上げる角度で表したとき、
   前記被写体に対する前記床面上の測定範囲をパラメータとして、
   前記発光部の前記照射角度が、前記受光角度よりも大きく設定された前記測定範囲の中心位置の方向となる角度と、
   前記受光部の前記受光角度が、前記測定範囲を見込む角度の中心方向となる角度と、を組み合わせたものであり、
   前記照射角度をθ１とし、前記受光角度をθ２とし、前記測定範囲に対する見込み角（片側拡散角度）をΔθとするときに、ｔａｎθ１＝｛ｔａｎ（θ２＋Δθ）＋ｔａｎ（θ２−Δθ）｝／２の関係を満たす組み合わせである、
   ことを特徴とする距離測定装置。

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