| 【発明の名称】 |
物体認識装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】柴谷 弘道
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| 【要約】 |
【課題】光学系のぼけ特性を利用して測距精度を向上する。
【解決手段】「焦点ずれ」と「像のぼけ」の関係から、(a) に示す焦点位置を近距離から遠距離にシフトする場合のゼロクロス検出器の検出信号振幅Ａと、(b) に示す焦点位置を遠距離から近距離にシフトする場合のゼロクロス検出器の検出信号振幅Ｂの差Ａ−Ｂを求めて、(c) に示すゼロクロス点toを検出することにより正確な距離計測が可能となる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 レンズを組合わせた光学系の焦点調節を利用して物体の位置関係を計測することを特徴とする物体認識装置。
【請求項２】 前記焦点調節は至近距離から無限遠の距離まで合焦可能な前記光学系の合焦度合いとした請求項１に記載の物体認識装置。
【請求項３】 前記合焦度合いが前記物体までの距離によって変化することを利用する請求項２に記載の物体認識装置。
【請求項４】 前記合焦度合いが前記物体位置の手前側と奥側で異なることを利用する請求項３に記載の物体認識装置。
【請求項５】 前記合焦は可変焦点液体レンズにより行う請求項２に記載の物体認識装置。
【請求項６】 前記物体位置をディスプレイ上に表示して、前記物体の静止状態又は移動状態を出力する請求項１に記載の物体認識装置。
【請求項７】 前記物体の移動状態は移動方向及び移動速度とした請求項６に記載の物体認識装置。
【請求項８】 前記位置関係は奥行標本化方式による三次元画像計測による位置情報とした請求項１に記載の物体認識装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、前後方向に存在する物体の位置関係を精密に計測して出力する物体認識装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、三次元画像計測法には図９に示すような各種の方法が存在することが、井口：三次元形状計測の最近の動向、「計測と制御」第３４巻第６号１９９５年６月号４２９頁〜４３４頁に記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述の焦点調節法は、正確にピント位置を決めるためにはぼけを大きくしなければならず、そのためには非常に焦点深度が浅くかつ口径が大きなレンズを必要とする。顕微鏡のようなレンズ系では焦点深度が極めて浅くなるために、この原理を利用した微小高さ計が実用化されているが、数ｍ以上の測定に対して十分に浅い焦点深度を実現することは難しく、満足な計測精度を得ることはできないことが、井口、佐藤共著：三次元画像計測、昭晃堂１９９０年１１月１９日初版発行、１８頁〜１９頁で指摘されている。
【０００４】本発明の目的は、上述の問題点を解消し、焦点位置を可変とする光学系と光電変換した出力の画像処理系との組合わせにより、光学系のぼけ特性を利用して測距精度を向上した物体認識装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するための本発明に係る物体認識装置は、レンズを組合わせた光学系の焦点調節を利用して物体の位置関係を計測することを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】本発明を図１〜図８に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。図１は第１の実施例のブロック回路の構成図を示し、光学系１には、光路Ｏ上に対物レンズ２、接眼レンズ３、光電変換器４が配列され、接眼レンズ３にはレンズ移動機構５が接続され、光電変換器４の出力はバンドパスフィルタ６と出力端子７に接続されている。バンドパスフィルタ６の出力は、表示メモリ特性を有するディスプレイ８、メモリ／画像処理ユニット９に接続され、メモリ／画像処理ユニット９の出力は、ゼロクロス検出器１０、時間／位置変換器１１、出力演算器１２、出力端子１３に順次に接続されている。
【０００７】レンズ移動機構５の出力は、レンズ位置エンコーダ１４、水平方向アドレス指定ユニット１５、ディスプレイ８に順次に接続されており、またレンズ位置エンコーダ１４の出力は時間／位置変換器１１に接続されている。基準クロック発生器１６の出力が同期信号発生器１７とゼロクロス検出器１０に接続され、同期信号発生器１７の出力は移動波形成発生器１８、レンズ移動ドライバ１９、レンズ移動機構５に順次に接続され、また垂直方向アドレス指定ユニット２０を介してディスプレイ８に接続されている。
【０００８】上述の構成において、光学系１を光路Ｏ方向に存在する被写体に向けると、フォーカシングの条件を満たす接眼レンズ３の位置では、光電変換器４の面に被写体が結像して鮮明な画像を得ることができる。一方、合焦の条件を満たさない接眼レンズ３の位置では、不鮮明な画像しか得られない。このとき、被写体の位置を挟んで合焦の距離を近→遠→近→遠と繰り返すと、繰り返しの間に２度合焦の条件が満たされて被写体の鮮明な画像が得られるが、その鮮明度と距離Ｌの関係は近→遠の場合と遠→近の場合で異なる。
【０００９】光電変換器４の出力信号である画像信号から、バンドパスフィルタ６によって特定周波数成分の信号強度を抽出すると、同一被写体に対する信号強度は合焦時に最大となり、焦点ずれが大きくなるにつれて減少してゆく（坂野：オートフォーカス技術「光学」第１２巻、第５号、１９８３年８月号３５１頁〜３５８頁）。
【００１０】このとき、近→遠の方向に合焦する場合と、遠→近の方向に合焦する場合とでは、信号強度と距離の関係が異なる。図２はレンズ位置移動による被写体までの距離検出の説明図を示し、図２(a) は光学系の配置、図２(b) は光電変換器４の光電素子の出力Ｐと被写体までの距離Ｌの関係、図２(c) はレンズ位置移動時のドライブ波形を示している。
【００１１】本システム全体の基準クロック発生器１６のクロック信号を基準とする同期信号発生器１７の出力から、移動波形発生器１８において図２(c) に示す三角波を作成し、これをレンズ移動ドライバ１９に入力してレンズ移動機構５を駆動し、接眼レンズ３を近→遠→近→遠と移動する。
【００１２】一方、光電変換器４の信号出力は、バンドパスフィルタ６を介して表示メモリ特性を有するディスプレイ８に供給され、その信号強度が輝度変化又は色変化として表示される。このとき、ディスプレイ８上の横方向表示位置を接眼レンズ３の位置と同期させるために、レンズ位置エンコーダ１４の出力により水平方向アドレス指定ユニット１５を駆動し、例えばディスプレイ８の画面の左端を光学系１の対物レンズ２の位置に対応させ、ディスプレイ８の画面の右端を無限遠の位置に対応させる。
【００１３】また、ディスプレイ８の垂直方向アドレスの選択は、垂直方向アドレス指定ユニット２０により行う。即ち、図２(b) に示すように距離L1、L2、L3に被写体が存在する場合には、図３に示すようなパターンがディスプレイ８に表示される。図３において、幅ｄは画像の鮮明度、ｆの矢印はアドレスの指定方向、左端のＲは対物レンズ２の位置、右端の∞は被写体の無限遠位置を表している。
【００１４】更に、バンドパスフィルタ６の出力はメモリ／画像処理ユニット９にも導かれ、図４に示すように信号処理が実行される。図４(a) は接眼レンズ３を近→遠に移動したときのゼロクロス検出器１０の出力振幅信号Ａのグラフ図、図４(b) は同様に遠→近に移動したときの出力振幅信号Ｂのグラフ図、図４(c) は出力振幅信号Ａ、Ｂの差Ａ−Ｂのグラフ図を示す。
【００１５】図４(c) のゼロクロス検出器１０で得られるゼロクロス点toが、基準クロック発生器１６の出力であるクロック周期単位で精密に検出され、時間／位置変換器１１により距離情報が得られる。このとき、被写体が静止していれば、距離L1、L2、L3の情報は図３に示すようにディスプレイ８の表示画面上に縦に並び、一定値として得られる。また、被写体が光路Ｏの方向に運動している場合は、距離L1、L2、L3の位置は左右に移動し、この移動量の時間的変化を出力演算器１２により演算することにより、被写体の運動の移動方向及び移動速度を検出することができる。
【００１６】上述の運動の様子は時々刻々ディスプレイ８に表示され、被写体が本システムに近付き過ぎて衝突する危険がある場合には警告を発したり、本システム全体を他の駆動機構により被写体から隔離して一定の距離に保持することもできる。また、図３の距離L1、L2、L3の情報をゾーン分けして、各ゾーンに入ってきた被写体に特定の色を付けたり、特定のゾーンに入ってきた被写体又は移動速度が一定値を越えている被写体に対しては、像を点滅させたりすることもできる。
【００１７】このように、「焦点ずれ」対「像のぼけ」の関係の内、焦点位置を近距離から遠距離にシフトする場合と、遠距離から近距離にシフトする場合の「差」を検出することにより、より正確な距離計測が可能となる。また、「差」の時間経過を連続的に計測することにより、被写体の移動方向及び移動速度に関するデータを収集することができる。
【００１８】図５は第２の実施例の側面図を示し、図１の接眼レンズ３、レンズ移動機構５を液体レンズ２５に置き換えたものである。液体レンズ２５は空気よりも大きい屈折率を有する透明液体２６と、可撓性を有する円形透明絶縁膜２７ａ、２７ｂから形成され、周縁部で接着した絶縁膜２７ａ、２７ｂにより透明液体２６は被覆され、絶縁膜２７ａ、２７ｂはそれぞれ所定面積を有する透明電極２８ａ、２８ｂにより覆われている。そして、液体レンズ２５は円形蛇腹２９ａ、２９ｂを介して、光学系１の内壁３０ａ、３０ｂに取り付けられている。
【００１９】図６は液体レンズ２５の正面図とその駆動手段を示し、透明電極２８ａ、２８ｂには中央に中央部電極３１、その外側にリング状電極３２、更に外側に半円形電極３３ａ、３３ｂ、最も外側に１／４円弧状電極３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３５ｄが配設されている。電極３１、３２、３３ａ、３３ｂ、３４ａ〜３４ｄには、それぞれリード線３５、３６、３７ａ、３７ｂ、３８ａ〜３８ｄが接続されている。そして、各リード線３５〜３８ｄにはレンズ制御電圧発生ユニット３９の出力が接続され、レンズ制御電圧発生ユニット３９には移動波形発生器１８の出力が接続されている。その他の構成は図１と同様である。
【００２０】上述の構成において、液体レンズ２５にリード線３５〜３８ｄを介して絶縁膜２７ａ側の透明電極２８ａに電荷q1を与え、絶縁膜２７ｂの側の透明電極２８ｂに電荷q2を与えると、クーロンの法則により絶縁膜２７ａ、２７ｂの間には、次の式で示す力Ｆが作用する。
Ｆ＝（１／４πε0 ）・（q1・q2／ｒ2 ） …(1) 【００２１】ここで、ε0 は電極で挟まれた透明絶縁体部分の誘電率、ｒは電極間の距離である。
【００２２】従って、レンズ制御電圧発生ユニット３９により電荷q1、q2の量を制御することによって、絶縁膜２７ａ、２７ｂが形成する湾曲面の曲率を変更し、液体レンズ２５の焦点距離を変えることができる。これにより、図５の光線の軌跡R1に示すように、光学系１の合焦位置が例えば至近距離にある場合から、光線の軌跡R2に示すように、合焦位置が無限遠にある場合までフォーカシングの制御を行うことができる。
【００２３】このように、図１から接眼レンズ位置移動機構５を除去し、この機構５が受け持っている機能を液体レンズ２５によって電気的に遂行することにより、動作速度を向上させることができるので、移動速度計測時に第１の実施例よりも高速側の速度計測が可能となる。
【００２４】図７は第３の実施例の構成図、図８は奥行標本化方式による立体画像収集の説明図を示している。画像形成装置４０の各出力は、伝送路又は記録・記憶装置４１を介して、画像表示装置４２の入力端子にそれぞれ接続されている。そして、観察者の頭部Ｈ又は図１の光学系１の前方には、順次に近距離の被写体S1、中距離の被写体S2、遠距離の被写体S3が存在する。観察者Ｈの眼球位置Ｅ又は光学系１の対物レンズ２から被写体S1、S2、S3の前面までが、それぞれ距離L1、L2、L3である。
【００２５】上述の配置において、奥行き標本化方式による立体画像情報を収集する際には、従来は距離L1〜L3方向に等間隔に標本化しているが、被写体S1〜S3が存在していないか又は観察者Ｈから見えない陰の部分、例えばD1、D2のスペースについては標本化する必要がない。また、見える部分についても凹凸のない空間周波数の低い部分については標本化する必要がなく、前後の標本値から補間して間に合わせることができる。
【００２６】従って、図８に点線で示すような不均一間隔でサンプリングを行い、そのサンプリング面は第１の実施例による距離情報に基づいて決定する。即ち、各サンプリング面の画像情報を距離情報により作成し、この距離情報と共に伝送路又は記録・記憶装置４１を介して画像表示装置４２に再現する。
【００２７】図８の標本化面１、２、３、…、ｊ、…、ｍ、ｎの画像情報とそれぞれの位置情報を、図１の出力端子７からの画像情報と出力端子１３からの位置情報とを画像形成装置４０で混合して、画像形成装置４０の１、２、３、…、ｊ…、ｍ、ｎ端子から送出し、伝送路又は記録・記憶装置４１を介して、又は直接に画像表示装置４２に立体画像を再現する。
【００２８】このように、従来の均一な距離差で空間を切断する奥行き標本化方式と異なり、合計の標本化面の数を減じながら、立体視情報量の多い被写体が存在する面のみ、又は凹凸の不規則な面のみについて密な標本化を行うことによって、伝送又は記録・記憶すべき合計の情報量を少なくすることができる。
【００２９】
【発明の効果】以上説明したように本発明に係る物体認識装置は、物体に対するレンズを組合わせた光学系の焦点調節を利用することによって、位置関係をクロック周波数の周期単位で精度良く計測することができる。
【００３０】また、物体の配置及び物体が静止しているか移動しているかを検出・表示することもでき、奥行き標本化方式による三次元画像形成の際の標本化面の設定に適用することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００１００７
【氏名又は名称】キヤノン株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年（１９９８）１月９日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】日比谷 征彦
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| 【公開番号】 |
特開平１１−２０１７１７ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）７月３０日 |
| 【出願番号】 |
特願平１０−１４９６６ |
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