JPS60170778A - コード化測距画像作成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、距離画像を撮影する方法および装置に関する
。

〔従来技術〕

距離画像は、その画素が、通常の画像におげろように対
象点の明るさ又は色に対応するものではなく、対象点の
夫々の距離に対応した対象の画像である。

距離画像の形式で距離情報を二次元的に測定する方法が
知られている（Ｐ、　Ｌｅｖｉ　、　Ｅｌｅｋｔｒｏｎ
ｌｋｔｒ、、　／ｑｇ３）。公知の方法は、物理的な測
定原理が相異する２つのグループ、即ち電磁波または音
波の走行時間測定と三角測量法とに分けることかできる
。第１の原理は／ｆｉから無限距離までの測定範囲に適
し、測定精度〉／關であり、第コの原埋は測定ペースと
測定精度との関連によって、主として１ｍ以内の近距離
範囲に使用される。

走行時間測定による公知の装置では、一般的に測定点か
らセンサまでの距離が測定され、画像が、光線偏向、例
えば回転鏡または振動鏡によってつくられるという欠点
がある。このような装置は機械的および光学的に経費を
要し、可成り高価になる。

三角測量原理によって動作する装置は、所定の条件にお
いて、数個の距離画素を同時に測定することができる。

しかしながら、情報があいまいになることがあり、画像
評価に経費を要し、測定範囲が近距離に制限される欠点
がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、大きな距離範囲にわたって使用するこ
とが可能であり複雑な機構をもたない距離画像撮影装置
を提供し、高速度で明確な画像を撮影する方法を提示す
ることにある。

〔発明の概要〕

この目的は、本発明によれば、特許請求の範囲に記載の
特徴をもつ装置および方法によって達成される。本発明
の測定方法は走行時間測定の原理に属している。特に、
情報は、従来のように点毎に継続的に測定されるのでは
なく、画像マトリックスの形式に配列した画素に対して
平行に測定される。

本発明による装置は次のダつの構成要素からなっている
： ａ）短い光パルスを送出する装置 ｂ）対象から反射されたパルスの受光装置Ｃ）制御装置 ｄ）処理装置。

対象を照らすのに必要な光パルスは、パルスレーザによ
ってつくることができる。その他の光源、例えばキセノ
ンランプまたはＣＷ光源を使用することもできる。その
場合、パルスは、高速度電気光学シャッタ（カーセル、
ポッケルスセル）によってつくられる。光線は、広い視
野を照らすため、レンズによって拡げられる。光点の大
きさは用途によって左右される。加工機械またはロボッ
トにおける距離センサの場合には、数−の面で充分であ
り、ミサイルから航空写真を撮るカメラの場合には、照
明範囲は数百ｍ２またはそれ以上でなければならない。

また用途によって、光の波長の選択が左右される。加工
機械の暗くさ、）ｔた領域においては、広帯域光源を使
用することができ、航空写真撮影の場合には、赤外線領
域または紫外線領域における可及的に狭帯域の光源が好
ましい。妨害となる散乱光は、撮影装置に狭帯域フィル
タを使用することによって除くことができる。

対象から反射したパルスは、充分な強さの場合には直接
テレビジョンカメラによって撮影することができる。光
の強さが弱い喝合には、画１象増幅器を接続することが
できる。

本発明によれば、電気光学的に好適に作動する高速度シ
ャッタが、受光装置に備えられている。

このシャッタは、制御装置によって、光パルスの送出と
同期するよう制御される。このシャッタは、時間遅れを
もたせて開閉することができる。、遅延時間が、カメラ
から照射された点までを光ノくルスが往復するのに要す
る走行時間と一致すれば、送出されたパルスは、シャッ
タの開放時間内にカメラに到達する。シャッタ時間の長
さによって、反射エネルギーが測定される距離範囲を変
化させることができる。シャッタ開放時間が短くなる程
、情報が集められる距離範囲が少な（なる。例えば、開
放時間を２ｎ８（ナノ秒）遅らせてレーザパルスに対し
１１００ｎｔｒだげシャッタを開放すれば、センサから
ｔ、ｏｍないし４０．３　ｆｉの距離にある照射された
画素についての情報がカメラマウント上に二次元で映像
される。画像増幅器は微弱な反射信号を増幅し、これを
処理装置に供給する。

撮影装置首として、ビジコン、電荷結合素子（ＣＣＤ）
または電荷注入素子（ＣＩＤ）を使用することもできる
。

シャッタおよび慣用の画像増幅器の代りに、チャンネル
プレート（マイクロ・チャンネル・プレート）を使用す
ることができる。その場合、電圧の印加による増幅率の
増加が、シャッタの開放に相当する。同様に、高速度に
接続可能な画像増幅器を使用することができる。

撮影用として、レンズの後に開閉可能なダイオードアレ
イを使用することができる。その場合、画像は、マトリ
ックスとして電気的に符号化して再処理に使用される。

ダイオードアレイは、画像情報の集積（記憶）等の駆動
形式にも適している。

次に、すべて基本方式に基づく駆動方法を説明する。制
御装置はパルスを送出するため一定の時間基準で撮影装
置のシャッタを開閉して、一定な距離範囲の個別画像が
絶えず撮影され、個別画像は処理装置において７つの距
離画像に統合される。

これは、例えばグレースケールとして、測定された距離
をディジタル化し、コード化し、記憶させることによっ
て行われる。カメラから読取る間に、微弱なノイズ信号
を閾値回路によって阻止することができる。

第１の方法において、比較的狭い距離範囲の個別画像が
撮影され、各個別画像の画素は、所定の中間調（例えば
近い対象は明るく遠い対象は暗い）に保たれ、すべての
個別画像が集積画像に統一される。

３０Ｃｍの位置解像度をもつ集積された距離画像を得よ
うとすれば、夫々、２ｎＩＩの増分だけ遅延させて一連
の照射パルスを受け入れ、画像情報を処理装置において
組合せる必要がある。例えば計ｑｔ、６ｇｍの距離の差
を３０ｃｒｒＬのステップで測定できるようにするには
、計、２り乙の照射パルスが必要である。

ｍ２の方法においては、照射パルスの数は、ｎ回の照射
からｌｏｇ２ｎ回の照射に著しく減少させることができ
る。前述の例の２５６回の照射の場合、その代りに、僅
か３回になる。従って、実時間処理が実現可能である。

受光装置のシャッタ時間は、分離された距離範囲の代り
に、距離が二進値に符号化されるよう矩形パルスによっ
て制御される。この場合は重なり合った距離範囲が採用
される。第１画像では、例えば距離範囲の７４における
すべての対象、第２画像では′４およびりにおけるすべ
ての対象、第３画像では／、ｙ、、３７．、−　！ｒ７
．　７７、、におけるすべての対象、第７画像では／／
＆、　／／Ａ、／；、、イ、。

？乙、、　／／／／６．　／３７．、　／シ入における
すべての対象が所望の解像度以内にある。これらの画像
は、ディジタル式に直ちに得られることが好ましい。即
ち、各画素は、撮影と同じ数のディジタル数によって表
示され、これは再処理を著しく簡素化する。例えば、７
つの画素において、／／６と／′６との間の距離に対象
がある場合、この画素は数ｏｉｏｏによって表わされる
： Ｏ対象は４にない ｌ　対象は０４にある Ｏ　対象は奇数／ｇにない ０　対象は奇数／／Ａにない。

開放時間の定常的な三等分は任意に選択され、同様に他
の端数にすることも可能であるが、三等分によって、電
子再処理に適する二進数に直接的にすることかできる。

１同別画像の数は、所望の解像度および代替可能な費用
または使用可能な時間に左右される。

最後の画像の決定には、最高周波数であるため、最高の
設備上の費用を必要とする。しかしながら、最後の段階
で最後から二番目と同じ周波数が使用され駆動タイミン
グが移相されている場合には、半分の周波数で同じ解像
度を得ることもできる。

その場合に生じる二進数は、同様に対象点の距離を明確
に表わしている。

別の方法においては、前述の個別画像と異なる距離範囲
が取り入れられる。すべての個別画像のすべての画素に
同じ明るさが適用され、これは、例えば飽和した画像増
幅器を動作させることによって達成することができる。

個別画像はメモリーアレイに連続して記憶され、その場
合、最も新しい画像の輝度値がその前の画像の輝度値に
加えられる。その場合、近距離の対象、例えば航空写真
の場合の塔は、極めて多くの個別距離画像に見出すこと
かできるため、極めて明るいビームスポットとして映像
される。

センサと測定対象とが互に並進的な相対運動を行なう場
合には、別の方法を使用することができる。

これは、例えば、移動するコンベア上の対象を測定する
場合（静止センサー移動対象）、または車両あるいは飛
行機から対象を撮影する場合（移動センサー静止対象）
に相当する。

この場合、次の撮影原理が利用される：センサは、照明
源および撮影カメラの視野が前方または斜め前方に向く
よう調整される。垂直な注視方向からの角度は、本質的
な撮影範囲および解像度を決定する。送出パルスと電気
光学的なカメラのシャッタとは、カメラの前方Ｒの距離
より近くにある照射面に対象がある場合にだけ、カメラ
の目標が照射されるよう互に同期化される。

距離ｒ＞Ｈに相当する反射は、すでに閉じられたシャッ
タによって阻止される。ちょうど距離ｒ＝Ｒに相当する
反射個所においては、明るい（照射された）個所から暗
い（照射されない）個所への境界が生じる。この境界は
、距離測定値Ｒに相当する。対象が所定方向に（または
カメラがその反対方向に）移動すれば、新しい点が測定
される。

照明円錐を通して対象が動く場合、相対速度の概念によ
って、すべての照射された対象点を測定することかでき
る。対象の対応する高度値は、簡単な幾何学的な変換に
よって計算される。

散乱光の影響を減少させるため、距離ｒ＜Ｈに相当する
すべての光線は入射せずに、範囲Ｒ＜ｒくＲ＋Δｒに相
当する反射光線だけが入射するよう、シャッタを同期化
させることができる。これによって、測定原理が変るこ
とはない。

〔発明の実施例〕

本発明を図によって一層詳細に説明する。

第１図は、下記からなる本発明装置の実施例を示してい
る。

ａ）パルス発生器ｌ、レーザコおよび拡大レンズ３を備
えた短い光パルスを送出する装置。

ｂ）受光レンズｑ、電気光学シャッタ！９画像増幅器６
およびテレビジョンカメラ７を備えた反射パルス受光装
置。

Ｃ）制御架［ざ。

ｄ）処理装置ｖ０ 制御装置ざは、レーザパルスとシャッタ５の開放時間と
を緊密に関連させるようにされており、適当な距離範囲
を調整する。

第２図は例として、第λ評価方法による距離範囲の二進
コード化を示している。ここでは、距離範囲が、ｔｏと
ｔ、との間の走行時間の範囲によって示されている。所
望の解像度は／４である。この例の画素において、対象
Ｏｂは２０所にある。

ａ）は、受光装部のシャッタＳが第１画像にお〜・て開
かれる（高）か、又は閉じ（低）られた矩形パルスを示
している。この対象Ｏｂは、映像されていない。この画
像はディジタル値Ｏに保たれている。ｂ）は、第２画像
においてシャッタを開℃・た又は閉じた矩形ノくルスを
示している。対象＆ま映像されており、画像はディジタ
ル値／に保たれている。

Ｃ）は、第３の画像に対するシャッタに使用される矩形
パルスを示している。対象は同様に映像されており、画
像はディジタル値／に保たれて０る。これらから組立て
られた二進数０／／は、対象がこの領域の２の所にある
ことを明らかに示している（０／／はｉｏ進数０３、す
なわちＯで始まる数列の第ダの数の二進表示である）。

第３図は、第２図と同様であるが、同じ解像度（２）を
緩慢なシャッタによって得られる長所を備えた二進コー
ド化を示している。ａ）およびｂ）は、同じく第１ｉ１
１ＩＩ像および第２画像に対するシャッタＳの開放時間
を示している。Ｃ）には、第３画像のシャッタ時間が示
されている。周波数は第２画像に比べて増加しておらず
、単に位相だけが偏位している。この画素には、数０１
０が対応して（・る。これは同様に、対象Ｏｂが２の所
にあることを明確に示している。

第９図は、カメラ１０に対して矢印方向に移動する運動
対象ｌ／に対する評価方法を示している。送出パルスと
カメラ１０の電気光学的なシャッタとは、対象（ここで
は／／）がカメラ１０から距離Ｒ以内にある場合だけ、
カメラＩＯの目標物が照らされるよう互に同期化され°
〔いる。距離ｒ　＞　Ｈに相当する反射は、すでに閉じ
たシャッタによって阻止される。ちょうど距離ｒ＝Ｈに
相当する反射個所／ユ。

／３．１４１．１５では、明るい（照明された）個所か
ら暗い（照明されない）範囲への境界が生じる。この境
界が距離値Ｒに相当する。対象／／が前記方向（破線）
に移動した場合には、新らしい反射個所／鶴／’ｌ、　
７ｇ、　／９が測定される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック結線図、第２
図および第３図は第１図に示す本発明装置の評価方法の
部分ピッチを示す波形図、第ｑ図は第２図に示す方法と
は別の評価方法を示す説明図である。 ／・・・パルス発生装置、；・・・レーザ、Ｊ・・・拡
大レンズ、ダ・・・受光レンズ、Ｓ・・シャッタ、６・
・・画像増幅器、７・・・テレビジョンカメラ、ｇ・・
・制御装置、９・・・処理装置、１０・・・カメラ、／
ｌ・・・対象、／コないし／ｊ、　／４ないし／９・・
・反射個所。 出願人代理人　猪　股　清 ＦＩＧ、　１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ／）ａ）短い光パルスを送出する装置（ｉ、、２．、ｙ
   ）と、 ｂ）反射パルスを受光する装置（ＩＩ、　３．　Ａ、　
   ？）と を備えた距離画像撮影装置において、 Ｃ）受光時間を送出されるパルスと同期化し所定の走行
   時間範囲の個別画像の撮影を可能にする制御装置（ｇ）
   と ｄ）異なる個別画像から距離画像を自動的に生じさせる
   処理装置（９）と を備えたことを特徴とする距離画像撮影袋ｆＡ０コ）光
   パルス送出装置は、受光装置の全視野を照明する拡大レ
   ンズ（３）を備えていることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の装置。 ３）光パルスを送出する装置は、電気光学的なシャッタ
   な備えた光源または脈動光源またはパルスレーザ（２）
   から構成されていることを特徴とする特許請求の範囲第
   ７項または第二項記載の装置。 り反射パルス受光装置は、狭域フィルタを備えた受光レ
   ンズ（り）を備えていることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項ないし第８項のいずれかに記載の装置。 Ｓ）反射パルス受光装置は、電気光学的なシャッタ（ｒ
   ）と画像増幅器（６）を備えるか又は備えない撮影ユニ
   ット（７）とから構成されていることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項ないし第ｑ項のいずれかに記載の装置
   。 Ａ）撮影装置としてテレビジョンカメラ（７）。 ビジコン、電荷結合素子（ＣＯＤ）または電荷注入素子
   （ＣＩＤ）を備えていることを特徴とする特許請求の範
   囲第Ｓ項記載の装置。 ７）シャッタおよび画像増幅器はチャンネルプレートに
   よってつくられていることを特徴とする特許請求の範囲
   第５項記載の装置。 ｇ）シャッタおよび画像増幅器は、開閉可能な画像増幅
   器によって構成されていることを特許請求の範囲第Ｓ項
   記載の装置。 デ）反射パルス受光装置は、開閉可能なダイオードアレ
   イによって構成されていることを特徴とする特許請求の
   範囲第Ｓ項記載の装置。 １０）　ａ）互に連続する走行時間範囲の画像が撮影さ
   れて暫定記憶され、 ｂ）夫々の個別画像が他の中間調によって符号化され、 Ｃ）すべての符号化された個別画像が７つのグレースケ
   ール距離画像に加えられる ことを特徴とする、夫々の所定の走行時間範囲の個別画
   像から距離画像をつくる方法。 ／／）個別画像撮影の場合のノイズを抑制する手段、特
   に閾値回路を備えることを特徴とする特許請求の範囲第
   １Ｏ項記載の方法。 ／、２）　ａ）一定の距離範囲の個別画像が撮影されて
   暫定記憶され、 ｂ）明るさの異なる連続する画像が評価されることを特
   徴とする特許請求の範囲第１Ｏ項または第１／項記載の
   方法。 ／、？）距離が二進値に符号化されるよう受光装置のシ
   ャッタ時間が矩形関数によって制御されることを特徴と
   する、夫々所定の走行時間範囲の個別画像からディジタ
   ル距離画像をつくる方法。 ／＋）ａ）　１つ又は異なる走行時間範囲の個別画像が
   撮影されて暫定記憶され、 ｂ）個別画像が閾値回路によってディジタル化され、 Ｃ）すべての二進画像がディジタル式に加算される ことを特徴とする特許請求の範囲第１３項記載の方法。 Ｕ）画像から画像への駆動タイミングが増加、特に倍加
   されることを特徴とする特許請求の範囲第１３項または
   第１＋項記載の方法。 ／乙）二進画像の解像度を７個又は数個の駆動タイミン
   グの位相偏位によって増加することを特徴とする特許請
   求の範囲第１３項ないし第ｉｓ項のいずれかに記載の方
   法。 ／７）　ａ）　一定の距離範囲の個別画像が撮影されて
   暫定記憶され、 ｂ）明るさの異なる連続する画像が評価される ことを特徴とする特許請求の範囲第７３項ないし第１６
   項のいずれかに記載の方法。 ｙｇ）　ａ）　異なる走行時間範囲の個別画像が撮影さ
   れて暫定記憶され、 ｂ）夫々の個別画像の所定の閾値な超えて存在する画素
   が同じ明るさを示し、 Ｃ）すべての個別画像が記憶装置の多重保留によって１
   つのグレースケール画像に加えられる ことを特徴とする、夫々の所定の走行時間範囲の個別画
   像から距離画像をつくる方法。 ／９）　ａ）一定の距離範囲の個別画像が撮影されて暫
   定記憶され、 ｂ）明るさの異なる連続する画像が評価されことを特徴
   とする特許請求の範囲第１ｇ項記載の方法。