JP2000329524A

JP2000329524A - レンジファインダ装置

Info

Publication number: JP2000329524A
Application number: JP2000067103A
Authority: JP
Inventors: Takeo Azuma; 健夫吾妻; Kenya Uomori; 謙也魚森
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-03-17
Filing date: 2000-03-10
Publication date: 2000-11-30
Anticipated expiration: 2020-03-10
Also published as: JP3517628B2

Abstract

(57)【要約】【課題】レンジファインダ装置として、投射光の光強
度の変動の影響を受けることなく、精度の高い３次元情
報の計測を実行可能にする。【解決手段】光源部２には、投射光の光強度を検出す
る受光素子２１ａ，２１ｂが設けられている。カメラ部
１によって撮像された反射光画像の光強度は、受光素子
２１ａ，２１ｂによって検出された光強度を補正情報と
して用いて補正され、距離計算部６はこの補正された画
像を用いて、距離画像を生成する。このため、たとえ投
射光の光強度が変動したとしても、その変動による反射
光画像の光強度の変動は補正される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体の３次元形状
または距離情報の計測を行うレンジファインダ装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】図２４は従来のレンジファインダ装置の
構成の一例を示す図である。図２４に示すレンジファイ
ンダ装置は、被写体に光を投射し、その観察画像から、
三角測量の原理に基づいて３次元形状計測を行うもので
あり、実時間動作可能なものとして提案されたものであ
る。

【０００３】図２４において、１０１Ａ，１０１Ｂは波
長がわずかに異なるレーザ光源、１０２はレーザ光源１
０１Ａ，１０１Ｂからのレーザ光を合成するハーフミラ
ー、１０３はレーザ光源１０１Ａ，１０１Ｂの光強度を
制御する光源制御部、１０４はレーザ光を走査する回転
ミラー、１０５は回転ミラーを制御する回転制御部、１
０６は被写体、１０７はＣＣＤ上に像を結ぶためのレン
ズ、１０８Ａ，１０８Ｂはレーザ光源１０１Ａ，１０１
Ｂの波長の光を分離する光波長分離フィルタ、１０９
Ａ，１０９Ｂはモノクロ画像を撮像するＣＣＤ、１０９
Ｃはカラー画像を撮像するＣＣＤ、１１０Ａ，１１０Ｂ
はモノクロカメラの信号処理部、１１１はカラーカメラ
の信号処理部、１１２はＣＣＤ１０９Ａ，１０９Ｂによ
って撮影したレーザ光の強度から被写体の距離または形
状を計算する距離計算部、１１３は装置全体の同期を調
整する制御部である。

【０００４】図２４に示すレンジファインダ装置の動作
について説明する。

【０００５】レーザ光源１０１Ａ，１０１Ｂは波長がわ
ずかに異なるレーザ光を発する。このレーザ光は、後述
の回転ミラーの走査方向と垂直な光断面を有するスリッ
ト光であり、回転ミラーが水平方向に走査する場合は、
垂直方向のスリット光となる。

【０００６】図２５は２つの光源１０１Ａ，１０１Ｂの
波長特性を示す図である。ここで、波長が近い２つの光
源１０１Ａ，１０１Ｂを用いるのは、被写体１０６の反
射率の波長依存性の影響を受けにくくするためである。
レーザ光源１０１Ａ，１０１Ｂから発せられたレーザ光
はハーフミラー１０２によって合成され、回転ミラー１
０４によって被写体１０６に走査される。

【０００７】回転制御部１０５はフィールド周期で回転
ミラー１０４を駆動し、これによって、光源１０１Ａ，
１０１Ｂから投射されるレーザ光の走査が行われる。そ
の際、光源制御部１０３は双方の光源１０１Ａ，１０１
Ｂの光強度を、１フィールド周期内で図２６（ａ）に示
すように変化させる。すなわち、レーザ光の光強度変化
と回転ミラーの駆動とが同期して行われる。

【０００８】レンズ１０７はＣＣＤ１０９Ａ，１０９
Ｂ，１０９Ｃ上に被写体の像を結ぶ。光波長分離フィル
タ１０８Ａは光源１０１Ａの波長の光のみを透過し、他
の波長の光を反射する。光波長分離フィルタ１０８Ｂは
光源１０１Ｂの波長の光のみを透過し、他の波長の光を
反射する。この結果、光源１０１Ａ，１０１Ｂからの投
射光の被写体１０６からの反射光は、それぞれ、ＣＣＤ
１０９Ａ，１０９Ｂによって撮影され、他の波長の光は
カラー画像としてＣＣＤ１０９Ｃによって撮影される。

【０００９】光源Ａ信号処理部１１０Ａおよび光源Ｂ信
号処理部１１０Ｂは、それぞれ、ＣＣＤ１０９Ａ，１０
９Ｂの出力について、通常のモノクロカメラと同様の信
号処理を行う。カラーカメラ信号処理部１１１はＣＣＤ
１０９Ｃの出力について通常のカラーカメラの信号処理
を行う。

【００１０】距離計算部１１２はＣＣＤ１０９Ａ，１０
９Ｂの出力と、基線長および画素の座標値とから、各画
素について距離計算を行う。

【００１１】距離計算部１１２はＣＣＤ１０９Ａ，１０
９Ｂの出力から、レーザ光の反射光の光強度比を算出す
る。この光強度比から、一走査周期における時刻を測定
することができ、この時刻から回転ミラー１０４の回転
角φが得られる。例えば図２６（ｂ）に示すように、光
強度比がＩａｏ／Ｉｂｏのときは、走査時刻はｔ０と測
定され、その測定値から回転ミラー１０４の回転角φが
分かる。この角度φは、光源側から見た被写体の角度に
相当する。

【００１２】走査時刻ｔと回転ミラー１０４の回転角φ
との対応関係は予め分かっているため、図２６（ｂ）の
横軸を回転角φに代えた，光強度比Ｉａ／Ｉｂと回転角
φとの対応関係を示す別の特性テーブルを予め備えてお
いてもよい。この場合は、走査時刻ｔを介することな
く、算出された光強度比から直接回転角φを特定するこ
とができる。

【００１３】図２７は距離計算部１１２における距離計
算を図形的に説明するための図である。図２７におい
て、Ｏはレンズ１０７の中心、Ｐは被写体上の点、Ｑは
回転ミラーの回転軸の位置である。また、説明を簡単に
するため、ＣＣＤ１０９の位置を被写体側に折り返して
示している。なお、ｆは、ＣＣＤ１０９とレンズ１０７
の中心Ｏとの距離である。ＯＱの長さすなわち基線長を
Ｌ、ＸＺ平面内で回転軸位置Ｑから見た点Ｐの角度を
φ、ＸＺ平面内でレンズ中心Ｏから見た点Ｐの角度を
θ、ＹＺ平面内でレンズ中心Ｏからみた点Ｐの角度をω
とすると、図形的な関係より、点Ｐの３次元座標（Ｘ，
Ｙ，Ｚ）は、以下の式によって計算される。Ｘ＝Ｌ・ｔａｎφ／（ｔａｎθ＋ｔａｎφ）Ｙ＝Ｌ・ｔａｎθ・ｔａｎφ・ｔａｎω／（ｔａｎθ＋
ｔａｎφ）Ｚ＝Ｌ・ｔａｎθ・ｔａｎφ／（ｔａｎθ＋ｔａｎφ）上式の角度φについては、上述したように、ＣＣＤ１０
９Ａ，１０９Ｂによってモニタした反射光の光強度比に
よって計算し、角度θ，ωについては、ＣＣＤ１０９
Ａ，１０９Ｂ上の画素の座標値から計算する。

【００１４】上式に従って、カメラ画像内の全ての画素
について３次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を計算することによ
って、被写体の３次元情報を算出することができる。ま
た、Ｚ座標値のみを計算すれば、距離画像を求めること
ができる。

【００１５】また、光源側の機構が機械的な動作を行わ
ない、低コストのレンジファインダ装置も提案されてい
る。このレンジファインダ装置は、レーザー光源と回転
ミラーのような光掃引手段を備える代わりに、互いに異
なる２次元輻射パターンを持つ複数の光を投射できる光
源部を有するものである。

【００１６】すなわち、このレンジファインダ装置で
は、互いに異なる２次元輻射パターンを持つ複数の光を
時分割で被写体に照射し、被写体からの反射光をカメラ
で撮像し、撮像した画像の光強度を用いて距離計測を行
う。そして、距離計測時に、反射光の光強度比または光
強度と投射光角度との対応関係を用いて、画像内の座標
値に応じて、３次元情報を求める。

【００１７】このような構成では、３次元計測が、全て
電子的な動作によって実現されるので、装置の信頼性が
より高くなり、計測性能が安定する。また、機械的な機
構を必要としないので、コストが比較的低いという利点
がある。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
レンジファインダ装置には、次のような問題がある。

【００１９】まず、互いに異なる２次元輻射パターンを
持つ複数の光を投射する光源部を備えたレンジファイン
ダ装置では、その光源として、通常、キセノンフラッシ
ュランプ等が用いられる。ところが、このようなフラッ
シュランプは、発光の度に、±５％程度の範囲内で、光
強度が変動する。このため、被写体が同一であっても、
反射光の光強度や光強度比が測定の度に変動することに
なる。また、この光強度の変動状態は、フラッシュラン
プ毎でも異なる。したがって、このような光強度の変動
がないことを前提として被写体の距離計測を行う場合に
は、精度の高い距離計測が困難である。

【００２０】また、レーザ光源を用いたレンジファイン
ダ装置では、通常、レーザ光源から出射された光をレン
ズ系によって垂直方向に広げてスリット光とし、これ
を、回転ミラーによって掃引する。このような装置で
は、投射光の光強度は、水平方向にのみ変化し、垂直方
向では一定であることを前提として、被写体の距離計測
を行う。ところが、レンズシェーディングすなわちレン
ズ系の周辺減光の影響によって、スリット光の光強度
が、スリット中央部に比べて両端部の方が弱くなる、と
いう現象が生じる。このため、垂直方向においても光強
度の変化が生じ、したがって、観測した反射光の光強度
比と投射光の投射方向とが１対１に対応しないことにな
り、精度の高い距離計測が困難になる。また、２次元輻
射パターンを持つ複数の光を投射する場合であっても、
同様の問題が生じる可能性がある。

【００２１】前記の問題に鑑み、本発明は、レンジファ
インダ装置として、投射光の光強度の変動の影響を受け
ることなく、精度の高い３次元情報の計測を実行可能に
することを課題とする。

【００２２】また、本発明は、レンジファインダ装置と
して、反射光の光特性と投射光の投射方向とがカメラ画
像内において１対１に対応していない場合であっても、
精度の高い３次元情報の計測を実行可能にすることを課
題とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、請求項１の発明が講じた解決手段は、レンジファ
インダ装置として、光の強度が被写体上で少なくとも位
置的に見て変化する投射光を投射する光源部と、前記投
射光の前記被写体からの反射光を撮像するカメラ部と、
前記カメラ部によって撮像された反射光画像から前記被
写体の３次元情報を生成する３次元情報生成部とを備
え、前記３次元情報生成部は、前記反射光画像における
光強度を前記投射光の光強度に応じた補正情報に基づい
て補正する光強度補正部を有し、この光強度補正部によ
って補正された画像を用いて前記３次元情報を生成する
ものである。

【００２４】請求項１の発明によると、カメラ部によっ
て撮像された反射光画像の光強度は、光強度補正部によ
って、投射光の光強度に応じた補正情報に基づいて補正
される。そして、３次元情報生成部は、光強度補正部に
よって補正された画像を用いて３次元情報を生成する。
このため、たとえ投射光の光強度が変動したとしても、
その変動による反射光画像の光強度の変動は光強度補正
部によって補正される。したがって、投射光の光強度の
変動の影響を受けることなく、精度良く３次元情報を生
成することができる。

【００２５】請求項２の発明では、前記請求項１のレン
ジファインダ装置において、前記光源部は互いに異なる
投射パターンを有する複数の光を投射するものとし、前
記光強度補正部は前記複数の光の反射光画像毎に前記補
正を行うものとし、前記３次元情報生成部は前記光強度
補正部によって補正された各反射光画像の光強度比に基
づいて３次元情報の生成を行うものとする。

【００２６】請求項３の発明では、前記請求項１のレン
ジファインダ装置は、前記光源部から投射される投射光
の光強度を検出し、前記補正情報として出力する受光素
子を備えたものとする。

【００２７】請求項４の発明では、前記請求項１のレン
ジファインダ装置における光強度補正部は、前記カメラ
部の撮像画像内の所定領域の輝度を前記補正情報として
用いるものとする。

【００２８】請求項５の発明では、前記請求項１のレン
ジファインダ装置における光強度補正部は、前記反射光
画像について画像データから黒レベル成分を差し引くオ
フセット処理を施し、その後補正を行うものとする。

【００２９】また、請求項６の発明が講じた解決手段
は、レンジファインダ装置として、光の特性がその投射
方向に応じて変化する投射光を投射する光源部と、前記
投射光の被写体からの反射光を撮像するカメラ部と、前
記カメラ部によって撮像された反射光画像から前記被写
体の３次元情報を生成する３次元情報生成部とを備え、
前記３次元情報生成部は、前記反射光の光特性と前記投
射光の投射方向との対応関係を記述したルックアップテ
ーブルを複数個有し、カメラ画像内の画素位置に応じ
て、前記複数のルックアップテーブルのいずれかをそれ
ぞれ選択し、選択したルックアップテーブルを参照して
前記３次元情報を生成するものである。

【００３０】請求項６の発明によると、３次元情報生成
部は、反射光の光特性と投射光の投射方向との対応関係
を記述した複数のルックアップテーブルを有し、その中
から、カメラ画像内の画素位置に応じて、いずれかのル
ックアップテーブルを選択される。このため、たとえ、
反射光の光特性と投射光の投射方向との対応関係がカメ
ラ画像内で１対１に対応していなくても、画素位置に応
じて選択されたルックアップテーブルが参照されるの
で、精度よく、３次元情報を生成することができる。

【００３１】請求項７の発明では、前記請求項６のレン
ジファインダ装置における複数のルックアップテーブル
は、それぞれ、カメラ画像内のエピポーラ線に対応して
設けられているものとする。

【００３２】請求項７の発明によると、エピポーラ線上
では、反射光の光特性と投射光の投射方向とは必ず１対
１に対応するので、ルックアップテーブルをエピポーラ
線に対応して設けることによって、複数のルックアップ
テーブルを効率よくかつ経済的に設けることができる。
したがって、実用的な計算量と記憶容量の範囲で、精度
よく、３次元情報を生成することができる。

【００３３】請求項８の発明では、前記請求項７のレン
ジファインダ装置における３次元情報生成部は、ルック
アップテーブルが設けられていないエピポーラ線上の画
素位置について、当該エピポーラ線近傍のエピポーラ線
に対応して設けられたルックアップテーブルを補間し
て、ルックアップテーブルを得るものとする。

【００３４】請求項９の発明では、前記請求項７記載の
レンジファインダ装置における光源部およびカメラ部
は、前記光源部と前記カメラ部とを結ぶ直線がワールド
座標系におけるＸ軸に一致しかつカメラ座標系における
ｘ軸に平行になるように、設置されているものとする。

【００３５】請求項９の発明によると、エピポーラ線
は、カメラ画像内において、ｘ軸に平行になる。したが
って、ルックアップテーブルの構築や、距離計算が格段
に容易になる。

【００３６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図面を参照して説明する。

【００３７】（第１の実施形態）図１は本発明の第１の
実施形態に係るレンジファインダ装置の構成を示す図で
ある。図１において、光源部２は２個のフラッシュラン
プの光源２ａ、２ｂから構成されており、光の強度が被
写体１０６上で位置的に見て変化する投射光を投射す
る。カメラ部１は光源部２から投射された投射光の被写
体１０６からの反射光を撮像する。光源制御部５はカメ
ラ部１の垂直同期信号に同期して、光源２ａ，２ｂをフ
レーム周期またはフィールド周期毎に交互に発光させ
る。３次元情報生成部としての距離計算部６は、カメラ
部１によって撮像された反射光画像から、被写体１０６
の３次元情報としての距離画像を生成する。

【００３８】また、光源部２の各光源２ａ，２ｂには、
各光源２ａ，２ｂから出射される光強度をそれぞれ検出
する受光素子２１ａ，２１ｂが設けられている。受光素
子２１ａ，２１ｂによって検出された光強度は、光源制
御部５に送られ、さらに、距離計算部６に所定の補正情
報として送られる。距離計算部６では、この補正情報に
基づいて反射光画像が補正され、補正された画像を用い
て、距離画像が生成される。

【００３９】図２（ａ）は光源２ａ，２ｂの構成例を示
す斜視図である。図２（ａ）に示すように、光源２ａ，
２ｂとしては例えば、キセノンフラッシュランプ等の閃
光光源７，８を同一軸上に縦に配置し、後方の反射板
９，１０の光反射方向の範囲を上記軸を基準として所定
角度だけずらした構成を用いる。また、受光素子２１
ａ，２１ｂは、反射板９，１０にそれぞれ設けられたフ
ォトダイオードによって構成され、各光源２ａ，２ｂか
ら出射される光強度を検出する。図２（ｂ）は図２
（ａ）の構成の平面図である。図２（ｂ）に示すよう
に、光源２ａ，２ｂはそれぞれ範囲Ａ，Ｂに光を輻射
（投射）する。ここで用いるキセノンランプは、発光部
分が小さく、平面的に見て点光源とみなせるものが望ま
しい。

【００４０】図３は図２に示す光源２ａ，２ｂから輻射
される光パタンを示す図である。図３において、実線Ｌ
ａ，Ｌｂは、光源２ａ，２ｂから架空のスクリーンＹに
光を投射した場合におけるスクリーン面の明るさを示し
ている。明るさの程度は実線Ｌａ，Ｌｂの→方向の高さ
によって表されている。図３から分かるように、各光源
２ａ，２ｂの投射光は、投射方向の中心軸上が最も光強
度が強く（すなわち最も明るく）、周辺になるほど光強
度が弱く（すなわち暗く）なる特性を持つ。この特性
は、半円筒状の反射板９，１０が閃光光源７，８の背後
に配置されていることに起因する。反射板９，１０の向
きによって、各光源２ａ，２ｂの投射光はその一部が重
なっている。

【００４１】図４は図３の水平方向（Ｈ方向）における
位置と光強度との関係を示すグラフである。図４に示す
光パタンの部分αでは、光源２ａ，２ｂから被写体空間
に照射される光は、光源から見て、一方は右側が明るく
左側が暗い光、他方は左側が明るく右側が暗い光になっ
ている。ここで、部分αにおける光源２ａ，２ｂの光強
度の特性を、それぞれＩａ，Ｉｂと表すものとする。た
だし、図４はカメラ部１のレンズ中心を通り、かつ、ｙ
座標が所定値（例えば０）の平面上の光強度特性を示す
ものであり、光強度特性の分布は、ｙ座標値に応じて異
なる。

【００４２】図５は図４の部分αにおける，光源部２か
らの投射光角度φと光強度比Ｉｂ／Ｉａとの関係を示す
グラフである。図５に示すように、部分αでは、光強度
比Ｉｂ／Ｉａと投射光角度φとは１対１対応の関係にあ
る。

【００４３】距離測定のためには、事前に、２種類の光
パタンを垂直に立てられた平面に交互に投射し、この反
射光をカメラ部１によって撮像した結果から、図５に示
すような光強度比と投射光角度との関係を各ｙ座標毎に
予め得ておく必要がある。そして、カメラ部１のレンズ
中心と光源部２とを結ぶ線分が撮像面のｘ軸と平行にな
るように光源部２を配置すれば、予め得たｙ座標毎の光
強度比と投射光角度との関係のデータを用いることによ
って、正確な距離計算を行うことができる。

【００４４】図６は距離計算部６の内部構成を示す図で
ある。図６に示すように、距離計算部６は、カメラ部１
によって撮像された反射光画像信号をフレーム毎に一時
的に格納する第１および第２の画像メモリ６１ａ，６１
ｂと、第１および第２の画像メモリ６１ａ，６１ｂに格
納された画像の光強度を補正情報を用いてそれぞれ補正
する第１および第２の光強度補正部６２ａ，６２ｂと、
各光強度補正部６２ａ、６２ｂによって補正された画像
の光強度から光強度比を計算する光強度比計算部６３
と、計算された光強度比から被写体１０６の距離画像を
生成する距離画像生成部６４とを備えている。

【００４５】光源２ａの投射光による反射光画像は第１
の画像メモリ６１ａに格納され、光源２ｂの投射光によ
る反射光画像は第２の画像メモリ６１ｂに格納される。
また補正情報のうち、受光素子２１ａによって検出され
た光強度は第１の光強度補正部６２ａに与えられ、受光
素子２１ｂによって検出された光強度は第２の光強度補
正部６２ｂに与えられる。

【００４６】さらに、第１および第２の光強度補正部６
２ａ，６２ｂには、それぞれ、光強度補正のために用い
る基準値Ｉｒａ，Ｉｒｂが予め格納されている。例え
ば、各光源２ａ，２ｂから投射された現実の光強度を受
光素子２１ａ，２１ｂによってそれぞれ複数回計測し、
計測値の平均値を、基準値Ｉｒａ，Ｉｒｂとして第１お
よび第２の光強度補正部６２ａ，６２ｂにそれぞれ格納
する。

【００４７】以下、本実施形態に係るレンジファインダ
装置の距離計算の動作について、説明する。ここでは、
図１の被写体１０６上の点Ｐを着目点とし、点Ｐの奥行
き値Ｚ（Ｚ軸座標値）の計算を行う場合について説明
し、特に、距離計算部６における光強度の補正動作につ
いて、詳細に説明する。

【００４８】図７は本実施形態に係るレンジファインダ
装置の動作を示すタイミングチャートである。

【００４９】図７に示すように、まず光源制御部５が、
カメラ部１の垂直同期信号（図７（ａ））に同期して、
フレーム周期またはフィールド周期毎に発光制御信号
ａ，ｂ（図７（ｂ），（ｃ））を交互に出力し、これに
より光源２ａ，２ｂを交互に発光させる。受光素子２１
ａ，２１ｂは各光源２ａ，２ｂの光強度を順次検出す
る。光源制御部５は受光素子２１ａ、２１ｂによって検
出された光強度を、図７（ｄ），（ｅ）に示すタイミン
グでそれぞれ取り込む。

【００５０】カメラ部１は、反射光画像の撮像を時分割
で行う。すなわち、第１の撮像期間において、光源２ａ
の投射光による反射光画像を撮像し、第２の撮像期間に
おいて、光源２ｂの投射光による反射光画像を撮像す
る。光源２ａの投射光による反射光画像は第１の画像メ
モリ６１ａに書き込まれ、光源２ｂの投射光による反射
光画像は第２の画像メモリ６１ｂに書き込まれる。

【００５１】光源制御部５は、受光素子２１ａによって
検出された光源２ａの光強度データを、補正情報Ｉｓａ
として距離計算部６の光強度補正部６２ａに送る。同様
に、受光素子２１ｂによって検出された光源２ｂの光強
度データを、補正情報Ｉｓｂとして光強度補正部６２ｂ
に送る。

【００５２】次に、距離計算部６は、距離画像の生成を
行う。

【００５３】まず、光強度補正部６２ａ，６２ｂは、各
画像メモリ６１ａ，６１ｂに書き込まれた反射光画像
を、光源制御部５から送られた補正情報Ｉｓａ，Ｉｓｂ
と予め格納した基準値Ｉｒａ，Ｉｒｂとを用いて補正す
る。

【００５４】すなわち、光強度補正部６２ａは、予め格
納している基準値Ｉｒａと送られてきた補正情報Ｉｓａ
とを用いて換算比Ｉｒａ／Ｉｓａを計算し、この換算比
Ｉｒａ／Ｉｓａを画像メモリ６１ａに格納された反射光
画像の各光強度データに乗算する。この乗算結果は、補
正された光強度Ｉａとして光強度比計算部６３に出力さ
れる。光強度補正部６２ｂも同様に、予め格納している
基準値Ｉｒｂと送られてきた補正情報Ｉｓｂとを用いて
換算比Ｉｒｂ／Ｉｓｂを計算し、この換算比Ｉｒｂ／Ｉ
ｓｂを画像メモリ６１ｂに格納された反射光画像の各光
強度データに乗算する。この乗算結果は、補正された光
強度Ｉｂとして光強度比計算部６３に出力される。

【００５５】光強度比計算部６３は、補正された光強度
Ｉａ，Ｉｂを用いて、光強度比Ｉｂ／Ｉａを計算し、距
離画像生成部６４に出力する。

【００５６】距離画像生成部６４は、図５に示すような
光強度比Ｉｂ／Ｉａと投射光角度φとの対応関係と、画
素座標値ｘと角度θとの対応関係とを用いて、全ての画
素について、角度φ，θを特定し、距離Ｚを求め、距離
画像として出力する。

【００５７】距離画像生成部６４には、事前の測定によ
って、図５に示すような光強度比と投射光角度φとの対
応関係が、各ｙ座標毎に準備されている。距離画像生成
部６４は、点Ｐのｙ座標値に対応した光強度比と角度φ
との対応関係を選択し、選択した対応関係から、点Ｐの
投射光角度φを特定する。また、カメラ部１から見た点
Ｐに対する角度θを、点Ｐの画素座標値およびカメラパ
ラメータ（焦点距離ｆ、レンズ系の光学中心位置）から
決定する。そして、求めた２つの角度φ，θと、光源位
置とカメラ部の光学中心位置間の距離すなわち基線長Ｄ
とから、三角測量の原理によって、点Ｐの奥行き値Ｚを
計算する。

【００５８】すなわち、カメラ部１の光学中心を原点と
し、カメラ部１の光軸方向をＺ軸、水平方向にＸ軸、垂
直方向にＹ軸を設定し、光源部２からみた着目点Ｐの方
向がＸ軸となす角をφ、カメラ部から見た着目点の方向
とＸ軸がなす角をθ、光源位置を（−Ｄ，０，０）すな
わち基線長をＤとすると、着目点Ｐの奥行き値Ｚは式
（１）で計算される。Ｚ＝Ｄ・ｔａｎθ・ｔａｎφ／（ｔａｎθ−ｔａｎφ） …（１）

【００５９】このように、カメラ部１によって撮像され
た反射光画像における光強度を、補正情報によって補正
することによって、より一層精度の高い距離画像を得る
ことができる。

【００６０】また、ここでは、距離計算部６は３次元情
報として距離Ｚのみを計算し、計算結果を距離画像とし
て出力するものとしたが、これに限らず、例えば、図８
に示す角度ωを用いて、式（２）より３次元座標値Ｘ，
Ｙ，Ｚを全て計算し、被写体の３次元情報として出力す
る構成としてもよい。Ｘ＝Ｚ／ｔａｎθ Ｙ＝Ｚ・ｔａｎω …（２）

【００６１】なお、本実施形態では、光強度補正部６２
ａ，６２ｂにおける補正は、換算比Ｉｒａ／Ｉｓａ，Ｉ
ｒｂ／Ｉｓｂを光強度データに乗算するという簡易な処
理によって行うものとしたが、これに限らず例えば、上
記乗算の前に、オフセット処理を施すことが望ましい。

【００６２】例えば、画像メモリ６１ａ，６１ｂに格納
された反射光画像について、画像データから黒レベル成
分（例えば「１０」）を差し引くオフセット処理を施
し、その後、換算比Ｉｒａ／Ｉｓａ，Ｉｒｂ／Ｉｓｂを
乗算することによって補正を行う。黒レベル成分の値
は、予め一度だけ測定しておけばよい。このような処理
を行うことによって、光源の発光強度が５％程度変動す
る場合に、測定誤差を、補正を一切行わないときの１０
％程度に低減できる。すなわち、より精度の高い補正が
可能になる。

【００６３】また、黒レベル成分を差し引く代わりに、
投射光のない状態すなわち背景光のみのときの反射光画
像の光強度を差し引くオフセット処理を実行してもよ
い。この場合には、背景光の影響のみならず黒レベル成
分の影響も相殺されるので、さらに高精度の補正が可能
になる。

【００６４】図９は距離計算部の内部構成の他の例を示
す図である。図９に示す距離計算部６Ａは、図６の構成
における光強度補正部６２ａ，６２ｂおよび光強度比計
算部６３の代わりに、換算比毎にルックアップテーブル
（ＬＵＴ）を有する光強度比計算用ＬＵＴ部７１を、光
強度補正部として備えている。

【００６５】図９の構成では、光源制御部５から送られ
るあらゆる補正情報に対応可能なように、光強度比計算
に必要な範囲の換算比について、ＬＵＴを準備する必要
がある。例えば、光源２ａ，２ｂの発光強度が基準発光
強度に対して±５％程度変動する場合には、０．９５〜
１．０５の範囲の換算比について、ＬＵＴを設ける必要
がある。そして、各ＬＵＴには、光強度データに応じて
それぞれ、その換算比によって補正された光強度比デー
タが格納されている。

【００６６】光強度比計算用ＬＵＴ部７１は、光源制御
部５から送られた補正情報から補正のための換算比を求
め、求めた換算比に対応したＬＵＴを選択する。そし
て、各画像メモリ６１ａ，６１ｂから光強度データを画
素毎に抽出し、各光強度データに応じた，補正された光
強度比を、選択したＬＵＴを参照して直接得て、距離画
像生成部６４に出力する。

【００６７】なお、本実施形態では、光源２ａ，２ｂを
時分割に発光させる構成としたが、これに限らず例え
ば、同時に発光させる構成としてもよい。これにより、
計測時間の短縮も可能となる。ただし、この場合、光源
２ａ，２ｂの光波長を互いに異ならせるとともに、カメ
ラ部１に、各波長のみを選択的に受光できるフィルター
素子を設ける必要がある。

【００６８】また、本実施形態では、受光素子２１ａ，
２１ｂを光源２ａ，２ｂ内に設けるものとしたが、これ
に限らず、光源２ａ，２ｂの光強度を検出可能な場所で
あれば、光源２ａ，２ｂの外部に設けてもかまわない。

【００６９】＜第１の実施形態の変形例＞上述した実施
形態では、所定の補正情報を得るために、光源２ａ，２
ｂの光強度を検出する受光素子２１ａ，２１ｂを設ける
ものとしたが、補正情報を得るためには、必ずしも受光
素子を設ける必要はない。

【００７０】図１０は本実施形態の変形例に係る距離計
算部の内部構成の例を示す図である。ここでは、カメラ
部１の撮像画像内の所定領域の輝度を、所定の補正情報
として用いるものとしている。すなわち、第１の光強度
補正部６２ａは、第１の画像メモリ６１ａに格納された
撮像画像データの所定領域の輝度を、補正情報として用
い、第２の光強度補正部６２ｂは、第２の画像メモリ６
１ｂに格納された撮像画像データの所定領域の輝度を、
補正情報として用いる。この場合、例えば、撮像する領
域内に例えば白紙のような明るさの基準となる物体を配
置し、この物体の撮像画像の輝度を補正情報として用い
ればよい。

【００７１】（第２の実施形態）図１１は本発明の第２
の実施形態に係るレンジファインダ装置の構成を示す図
である。図１１において、図２４に示す従来の構成と共
通の構成要素には図２４と同一の符号を付しており、こ
こではその詳細な説明を省略する。図１１において、２
１０Ａ，２１０Ｂはレーザー光源である。レーザー光源
２１０Ａ，２１０Ｂ、ハーフミラー１０２および回転ミ
ラー１０４によって光源部２００が構成されており、レ
ンズ１０７、光波長分離フィルタ１０８Ａ，１０８Ｂ、
ＣＣＤ１０９Ａ，１０９Ｂ、および信号処理部１１０
Ａ，１１０Ｂによってカメラ部３００が構成されてい
る。

【００７２】なお、本実施形態では、３次元位置を表す
ために、カメラ視野での座標系としてｘ−ｙ座標系（こ
れを「カメラ座標系」と呼ぶ）を、また、現実の空間で
の座標系としてＸ−Ｙ−Ｚ座標系（これを「ワールド座
標系」と呼ぶ）を用いる。

【００７３】図１２は図１１の構成における光源２１０
Ａに係る光学系の構成を示す図である。図１２におい
て、２１１はレーザ光源２１０Ａと回転ミラー１０４と
の間に配置され、光源２１０Ａからの光束をスリット光
２１２に成形し、かつ、回転ミラーの中心１０４ａに収
束させるためのレンズである。なお、光源２１０Ｂに係
る光学系も、図１２と同様である。

【００７４】図１２（ａ）に示す光学系では、スリット
光２１２の収束点２１３が回転ミラーの中心１０４ａに
一致しており、最も望ましい構成といえる。一方、図１
２（ｂ）に示す光学系のように、スリット光２１２の収
束点２１３が回転ミラーの中心１０４ａと必ずしも一致
しない場合があり得る。この場合、原理的には、収束点
２１３と中心１０４ａとの間隔が距離計測の誤差の原因
となる。ところが、この間隔は比較的小さくすることが
でき、また、後述するように、較正面までの距離測定値
が既知のＺ値と一致するようにルックアップテーブル
（ＬＵＴ）の計算を行うため、実用上問題とはならな
い。

【００７５】また、ＬＵＴ保持部２２０は、図２６につ
いて述べたような、各光源２１０Ａ，２１０Ｂからの投
射光の反射光の光強度比と回転ミラーの回転角（すなわ
ち光源２１０Ａ，２１０Ｂからの光投射角度）との１対
１の対応関係を示すＬＵＴを、複数種類保持している。
距離計算部２３０は、カメラ画像内の画素位置に応じ
て、ＬＵＴ保持部２２０に保持されている複数のＬＵＴ
のうちのいずれかを選択し、その選択したＬＵＴを用い
て３次元情報としての距離画像を生成する。ＬＵＴ保持
部２２０および距離計算部２３０によって３次元情報生
成部４００が構成されている。

【００７６】図１３はＬＵＴ保持部２２０および距離計
算部２３０の内部構成を示す図である。ＣＣＤ１０９Ａ
およびＣＣＤ１０９Ｂによって撮像された画像データ
は、光強度比計算部２３１において、各画素毎に光強度
比に変換される。座標値生成部２３２は、制御部１１３
から与えられる画像データの同期信号からｘ座標値、ｙ
座標値を生成する。ＬＵＴ選択部２３３は座標値生成部
２３２によって生成されたｙ座標値に応じて、参照する
ＬＵＴ２２１を選択する。

【００７７】選択されたＬＵＴ２２１は、光強度比計算
部２３１によって求められた光強度比の値を投射光角度
情報１／ｔａｎφに変換する。一方、座標値生成部２３
２によって生成されたｘ座標値は、変換部２３４におい
て、カメラからの角度情報１／ｔａｎθに変換される。
演算部２３５は、基線長Ｄおよび角度情報１／ｔａｎ
θ，１／ｔａｎφから、次式（３）にしたがって、Ｚ値
を計算する。

【００７８】

【数１】

【００７９】上式（３）は、第１の実施形態で述べた式
（１）の右辺の分母分子をｔａｎθ・ｔａｎφで除した
ものに相当し、本質的には式（１）と同等である。ただ
し、計測時にはθ，φともに９０°付近の値を用いるた
め、数値計算時には、θ，φが９０°のとき値が不定と
なるｔａｎθ，ｔａｎφの代わりに１／ｔａｎθ，１／
ｔａｎφを角度情報として用いた方が、計算が安定す
る。

【００８０】ここで、光強度データをそれぞれ８ビット
とし、各ＬＵＴ２２１から出力される投射光角度情報１
／ｔａｎφを２バイトで表すものとすると、ＬＵＴ２２
１の１個当たりのサイズは、およそ１３０ＫＢ（≒２⁸
×２⁸×２）になる。

【００８１】以下、本実施形態に係るレンジファインダ
装置の動作について説明する。なお、３次元座標値
（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を求める主な基本的な動作は、図２７を
用いて説明したものと同様である。本実施形態の特徴
は、投射光角度φを求める際に、カメラ画像上の画素位
置に応じて、ＬＵＴを使い分ける点にある。

【００８２】図１４は本実施形態におけるカメラ画像と
ＬＵＴとの対応関係を示すための模式図である。図１４
では、説明を簡単にするために、５本のＣＣＤライン１
００１〜１００５のみを示している。そして、ＣＣＤラ
イン１００１に対してＬＵＴ１が、ＣＣＤライン１００
３に対してＬＵＴ２が、そしてＣＣＤライン１００５に
対してＬＵＴ３が、予めそれぞれ準備されているものと
する。なお実際には、ＬＵＴを設けるＣＣＤラインは１
０本程度であれば良い。これらのＬＵＴは、それぞれ、
本レンジファインダ装置の設計・製造段階において、予
め作成しておく。

【００８３】本実施形態では、各ＬＵＴを、エピポーラ
線に対応して設けている。「エピポーラ線」とは、空間
中の直線を撮影したときにカメラ画像上に映る直線のこ
とをいい、ここでは、光源から投射された直線レーザ光
が映る直線のことをいう。

【００８４】そして、本実施形態では、各ＣＣＤライン
１００１〜１００５がエピポーラ線と一致するように、
言い換えると、エピポーラ線がカメラ画像上で水平に並
ぶように、カメラの設置条件を定めている。具体的に
は、カメラのレンズ中心１０７ａと回転ミラーの中心１
０４ａとを結ぶ直線がワールド座標系のＸ軸上にくるよ
うにし、かつ、この直線がカメラ座標系のｘ軸と平行と
なるように、カメラの配置を決める必要がある。

【００８５】そして、１本のエピポーラ線に対応する３
次元空間上の面においては、光強度比と投射光角度との
対応関係が必ず１対１となる。したがって、エピポーラ
線毎とにＬＵＴを設けることによって、光強度の分布に
ばらつきがあり、たとえ反射光の光特性と投射光の投射
方向との対応関係がカメラ画像内で１対１に対応してい
なくても、高精度に、距離計算を実行することができ、
かつ、複数のＬＵＴを効率よくかつ経済的に設けること
ができる。

【００８６】すなわち、距離計算部２３０は、ＣＣＤの
各画素について光強度比を計算するとともに、その着目
画素Ｐのカメラ座標系での座標値Ｐ（ｘ，ｙ）を得て、
いずれのＬＵＴを用いるかを決定する。例えば着目画素
Ｐが、図１４に示すように、ＣＣＤライン１００１上に
あるときはＬＵＴ１を用い、ＣＣＤライン１００３，１
００５上にあるときは、それぞれＬＵＴ２，ＬＵＴ３を
用いる。また、着目画素Ｐが、対応するＬＵＴを持たな
いＣＣＤライン１００２上にあるときは、その近傍のＣ
ＣＤライン１００１，１００３に対応して設けられたＬ
ＵＴ１，ＬＵＴ２を、線形補間して用いる。

【００８７】ＬＵＴを用いて投射光角度を特定すると、
その後の処理は、図２７を用いて説明したものと同様で
ある。このように、着目画素が存在するＣＣＤラインす
なわちエピポーラ線に応じて適切なＬＵＴを選択するの
で、例えばレンズ系に周辺減光があっても、精度の高い
距離計算を実行できる。

【００８８】次に、エピポーラ線に関する理論的な説明
を交えて、本実施形態に係る動作原理について説明す
る。

【００８９】図１５は本実施形態に係るレンジファイン
ダ装置の動作原理を説明するための図であり、ワールド
座標系に基づいて表した模式的な斜視図である。また、
図１６は図１５の略示平面図である。

【００９０】図１５および図１６の配置では、上述した
カメラの設置条件を満たしており、カメラ１１０４のレ
ンズ中心１０７ａと回転ミラーの中心１０４ａとがワー
ルド座標系のＸ軸上にくるように配置されている。また
光源１１０５は、動作原理を説明するための仮想の光源
装置であり、図２５に示すような２種類の光パターンの
レーザ直線光を時分割で照射する光源である。

【００９１】また、ＣＰ１，ＣＰ２は、Ｚ座標値がそれ
ぞれＺ１，Ｚ２（Ｚ１＜Ｚ２）の位置に置かれた較正面
である。図１５では、較正面ＣＰ１，ＣＰ２は、カメラ
１１０４の視野に映る範囲の上側半分のみが描かれてい
る。カメラ視野の下側半分は上側半分と対称形であるの
で、図を簡単にするため、図１５では図示を省略してい
る。

【００９２】ここで、着目点と回転ミラー１０４の回転
軸とを含む鉛直面と、Ｘ軸との間の角度をφとする。例
えば、着目点ＰＡ１と回転ミラー１０４の回転軸とを含
む鉛直面ＶＰＡとＸ軸との間の角度をφＡとし、着目点
ＰＢ１と回転ミラー１０４の回転軸とを含む鉛直面ＶＰ
ＢとＸ軸との間の角度をφＢとする。

【００９３】また、着目点と視点（レンズ中心１０７ａ
または回転ミラーの中心１０４ａ）とを結ぶ直線のＹＺ
平面への射影がＺ軸となす角を、あおり角ωと定義す
る。ここでは、カメラの設置条件から、レンズ中心１０
７ａと回転ミラーの中心１０４ａとの双方がＸ軸上にあ
るため、レンズ中心１０７ａを視点としたときと回転ミ
ラーの中心１０４ａを視点としたときとで、同じ着目点
を見たときのあおり角は、常に同一になる。また、角度
θは図１５に示すとおりである。

【００９４】光源１１０５から出力されるレーザ直線光
は、回転ミラーの中心１０４ａの１点で反射し、回転ミ
ラー１０４の回転によって掃引される。またこれととも
に、光源１１０５は、その姿勢を変えることによって、
レーザ直線光の出射角ωＬを順次変化させる。この出射
角ωＬは上述したあおり角ωに相当する。

【００９５】このような光源１１０５を想定したのは、
現実の光源部の投射光におけるＹ軸方向の周辺減光を表
現するためである。すなわち、現実の光源部はＹ軸に平
行なスリット光を掃引照射する装置であり、投射光の光
強度は、掃引方向（Ｘ軸方向）に応じて変化するように
調整されている。ところが実際には、Ｙ軸方向に関して
も、スリット光の中央部に比べて周辺付近で光強度が減
少する、いわゆる周辺減光という現象が生じる。そこ
で、レーザー直線光を照射する光源１１０５を想定し、
出射角ωＬをパラメータとして、現実の光源部での周辺
減光を再現している。

【００９６】なお、空間中に１本の直線光を照射し、較
正面のＺ座標値を０から無限大まで変化させたとき、そ
の較正面上での反射点は、カメラ画像上では、ｙ座標値
一定の直線の軌跡として撮像される。この直線が、上述
したエピポーラ線に相当する。

【００９７】また、同一方向に対して２種類の光強度Ｉ
ａ，Ｉｂの光を交互に光らせたときの光強度比ρ＝Ｉａ
／Ｉｂに着目すると、角度φに関して同一方向であれ
ば、その光強度比ρは、光の進む距離に無関係に一定で
あるとみなすことができる。このため、ここでの説明で
は、理解を容易にするために、同一方向に照射される直
線光として、光強度比が一定の直線光を想定する。

【００９８】図１７はカメラ画像上における各着目点Ｐ
Ａ１，ＰＡ２，ＰＢ１，ＰＢ２の位置とＣＣＤラインと
の関係を示す模式図である。ＰＡ１，ＰＡ２は、光強度
比ρＡ（一定値）の直線光ＬＡと較正面ＣＰ１，ＣＰ２
との交点である。また、ＰＢ１，ＰＢ２は、光強度比ρ
Ｂ（一定値）の直線光ＬＢと較正面ＣＰ１，ＣＰ２との
交点である。

【００９９】図１５，図１６および図１７から、次のこ
とがいえる。

【０１００】（１）直線光ＬＡは、較正面ＣＰ１上の点
ＰＡ１を通るので、点ＰＡ１とレンズ中心１０７ａとを
含み、Ｚ軸からのあおり角ωによって決定される平面Ｌ
Ｐ１（交差する斜線を施した面）と同一の平面に含まれ
る。

【０１０１】（２）また直線光ＬＡは、較正面ＣＰ２上
の点ＰＡ２を通るので、点ＰＡ２とレンズ中心１０７ａ
とを含み、Ｚ軸からのあおり角ωによって決定される平
面ＬＰ２（斜線を施した面）と同一の平面に含まれる。

【０１０２】（３）平面ＬＰ１と平面ＬＰ２とは同一平
面であり、カメラ座標系のｘ−ｙ平面上において、点Ｐ
Ａ１，ＰＡ２は同一ＣＣＤライン（図１７ではＣＣＤラ
イン１００１）上に左右に離れて映る。すなわち、光強
度比が一定の直線光ＬＡに関して、着目点のＺ座標値が
異なると、その反射光によるカメラ座標系での画素位置
は、必ず、同一ＣＣＤライン上の異なる位置になる。

【０１０３】（４）あおり角ωを変えることなく、回転
角φをφＡからφＢに変えた直線光ＬＢについても、上
記（１）〜（３）と同様のことがいえる。すなわち、直
線光ＬＢは、較正面ＣＰ１上の点ＰＢ１とレンズ中心１
０７ａとを含み、Ｚ軸からのあおり角ωによって決定さ
れる平面と、較正面ＣＰ２上の点ＰＢ２とレンズ中心１
０７ａとを含み、Ｚ軸からのあおり角ωによって決定さ
れる平面に含まれる。したがって、較正面ＣＰ１上の点
ＰＡ１，ＰＢ１を結ぶ直線ＬＺ１と、較正面ＣＰ２上の
点ＰＡ２，ＰＢ２を結ぶ直線ＬＺ２とは、図１７に示す
カメラ座標系でのＣＣＤライン１００１上に必ず存在す
る。

【０１０４】これらのことから、次のことが分かる。

【０１０５】第１に、所定のあおり角ωの平面ＬＰ１，
ＬＰ２に含まれる全ての着目点は、そのＺ座標値に関わ
らず、カメラ画像上では、ｙ座標値が同一の１本のＣＣ
Ｄライン１００１上に撮像される。

【０１０６】第２に、光強度比ρが一定の１本の直線光
ＬＡについて見ると、Ｚ座標値が異なる各点からの反射
光は、カメラ画像上ではｙ座標値が同一の１本のＣＣＤ
ライン１００１上に位置するが、そのｘ座標値は必ず互
いに異なる。このため、ｘ座標値から、各点の区別は可
能になる。

【０１０７】第３に、カメラ画像上の同一画素位置に、
空間上の位置が互いに異なる複数の点からの反射光が受
光されたとしても、各点からの反射光の光強度比は、必
ず、互いに異なる。したがって、この場合も、観測され
た光強度比から、各点の区別が可能である。

【０１０８】したがって、本実施形態のように、（ａ）
ｙ座標値一定のＣＣＤライン毎に適切なＬＵＴを予め設
けておき、（ｂ）カメラ画像上の画素位置（ｘ，ｙ）と
その画素位置で観測された光強度比ρとの双方を求め、
（ｃ）その画素位置に対応するＣＣＤラインに対応する
ＬＵＴを選択し、（ｄ）選択したＬＵＴを用いて、その
画素位置に対応する被写体上の着目点ＰのＺ座標値を特
定することができる。

【０１０９】ＬＵＴの作成は、例えば次のように行う。
Ｚ値が既知の位置に較正面（鉛直面）を配置し、この較
正面に光源２１０Ａ，２１０Ｂから光を照射する。そし
て、較正面までの距離測定値が既知のＺ値と一致するよ
うに、各ｙ座標に対するＬＵＴを作成する。このとき、
原理上、較正面は１つでもよいが、複数の較正面からＬ
ＵＴを作成することによって、実用上、測定精度を改善
できる。

【０１１０】なお、全てのＣＣＤラインについて、ＬＵ
Ｔを準備してもかまわない。または、所定間隔の特定の
ＣＣＤラインについてのみＬＵＴを設けて、ＬＵＴを設
けないＣＣＤライン上の画素については、その近傍、例
えばその上下のＣＣＤラインに対して設けられたＬＵＴ
を線形補間して、ＬＵＴを作成してもよい。

【０１１１】また、ＬＵＴの代わりに、光強度比ρと画
素位置（ｘ，ｙ）とをパラメータとして、カメラ画像全
体で、関数フィティングを行ってもよい。

【０１１２】（第３の実施形態）上述した第２の実施形
態では、エピポーラ線がカメラ座標系のｘ軸と平行にな
り、ＣＣＤラインと一致するように、カメラの設置条件
を定める必要があった。すなわち、カメラのレンズ中心
１０７ａと回転ミラーの中心１０４ａとを結ぶ直線がワ
ールド座標系のＸ軸上にくるようにし、かつ、この直線
がカメラ座標系のｘ軸と平行となるように、カメラの配
置を決める必要がある。このため、カメラおよび光源の
配置の自由度が少ない。

【０１１３】本発明の第３の実施形態では、第２の実施
形態よりも、さらに、カメラおよび光源の配置の自由度
を拡大するものである。すなわち、基本的な構成および
動作は第２の実施形態と同様であるが、カメラの設置条
件や、エピポーラ線の設定の仕方、ＬＵＴの作成方法、
および距離計算部の動作が相違する。

【０１１４】図１８は本実施形態に係るレンジファイン
ダ装置の動作原理を説明するための図であり、ワールド
座標系に基づいて表した模式的な斜視図である。

【０１１５】本実施形態におけるカメラ設置条件は、次
の通りである。

【０１１６】カメラ１１０４のレンズ中心１０７ａをワ
ールド座標系の原点とし、カメラ１１０４の光軸をＺ軸
と一致させ、カメラ座標系のｘ軸方向（ＣＣＤラインの
方向）とＸ軸とを一致させる。ただし、回転ミラーの中
心１０４ａがＸ軸上にあることは、必要としない。この
点で、第２の実施形態よりも配置の自由度が拡大してい
る。

【０１１７】本実施形態におけるカメラ設置条件では、
第２の実施形態と異なり、エピポーラ線は、カメラ画像
上で平行な直線にはならない。したがって、ＬＵＴを作
成するためには、まず、エピポーラ線のカメラ画像上で
の形状を求める必要がある。

【０１１８】＜エピポーラ線の形状の決定＞図１９は本
実施形態におけるエピポーラ線の形状を表す図である。
図１９（ｂ）に示すように、本実施形態では、各エピポ
ーラ線は、消失点Ｓ（ｘｍ，ｙｍ）から放射状に広がる
直線となる。そこで、消失点Ｓの座標値を決定すること
ができれば、各エピポーラ線の形状を特定することがで
きる。

【０１１９】図１８および図１９を用いて、消失点Ｓの
座標値の決定方法について説明する。

【０１２０】まず最初に、光源１１０５から点Ｐに向か
う単位方向ベクトルｕを、次式（４）によって定義す
る。ｕ＝（ｃｏｓω・ｃｏｓφ，ｓｉｎω，ｃｏｓω・ｓｉｎφ） …（４）さらに、ωの項とφの項とを分離するために、式（４）
の各成分をｃｏｓωで除し、方向ベクトルＵとして定義
する。Ｕ＝（ｃｏｓφ，ｔａｎω，ｓｉｎφ） …（５）方向ベクトルＵを用いる理由は、式（５）では、Ｘ成分
とＺ成分はφのみで表され、Ｙ成分はωのみで表される
ため、式（４）の単位ベクトルｕを用いるよりも、計算
が容易になるからである。

【０１２１】各角度の定義は図１８に示す通りである。
なお、本実施形態における角度ωは、第２の実施形態で
定義したあおり角ではなく、単位方向ベクトルｕとＸＺ
平面とのなす角である。

【０１２２】次に、図１９（ａ）に示すように、Ｚ座標
値Ｚ１，Ｚ２が既知の複数の較正面ＣＰ１，ＣＰ２に対
して、回転中心１０４ａから、カメラ画像上においてエ
ピポーラ線が互いに異なり、かつ、光強度比（ρ１，ρ
２，ρ３）が互いに異なる複数（図では３本）の直線光
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を照射する。Ｐ１１，Ｐ２１，Ｐ３１
は各直線光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の較正面ＣＰ１での反射点
であり、Ｐ１２，Ｐ２２，Ｐ３２は各直線光Ｌ１，Ｌ
２，Ｌ３の較正面ＣＰ２での反射点である。

【０１２３】また、図１９（ｂ）には、６個の反射点Ｐ
１１〜Ｐ３２のカメラ画像上の撮像位置と、２つの較正
面ＣＰ１，ＣＰ２間の３本の直線光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３に
よるエピポーラ線を示している。

【０１２４】そして、これら反射点Ｐ１１〜Ｐ３２につ
いて、ワールド座標系における位置およびカメラ座標系
における位置を測定する。６個の点のＰ１１〜Ｐ３２の
ワールド座標値から、回転ミラーの回転中心１０４ａの
座標値Ａ（Ｘｍ，Ｙｍ、Ｚｍ）が求まる。また、図１９
（ｂ）に示すように、６個の点のＰ１１〜Ｐ３２のカメ
ラ座標値から、３本のエピポーラ線の交点として、消失
点Ｓの座標値（ｘｍ，ｙｍ）が求まる。

【０１２５】＜ＬＵＴの生成＞このようにして求めた消
失点Ｓから、所望の方向にエピポーラ線を描き、これに
対応するＬＵＴを作成する。この方法について、図２
０，図２１および図２２を用いて説明する。

【０１２６】まず、図２０に示すように、較正面ＣＰ１
上で座標値（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）が既知の点Ｂを撮像す
る。そして、カメラ画像上の座標値（ｘ，ｙ）とワール
ド座標系の（Ｘ，Ｙ，Ｚ）との一般的な関係式（６）に
既知の座標値（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）を代入して、式
（７）を得る。ｆｘ，ｆｙはシステムパラメータであ
る。ｘ＝ｆｘ・Ｘ／Ｚｙ＝ｆｙ・Ｙ／Ｚ …（６）ｘ＝ｆｘ・Ｘ１／Ｚ１ｙ＝ｆｙ・Ｙ１／Ｚ１ …（７）ここで、（ｘ，ｙ）はカメラ画像上の測定値であるか
ら、式（７）より、ｆｘ，ｆｙが求まる。

【０１２７】次に、図２１（ａ）に示すように、光強度
変調を施した２種類のパターン光をベクトルＶの方向に
照射し、Ｚ＝Ｚ１の較正面ＣＰ１での反射光をカメラ１
１０４によって撮像する。各パターン光の光強度をそれ
ぞれＩａ２，Ｉｂ２とし、それらの光強度比をρ２（＝
Ｉａ２／Ｉｂ２）とする。この光強度比ρ２の直線光に
よって、図２１（ｂ）に示すように、カメラ画像上には
１本のエピポーラ線１７０１が形成される。

【０１２８】カメラ画像上の画素位置Ｂ（ｘ１，ｙ１）
および光強度比ρ２が測定されると、既知のＺ座標値Ｚ
１と、先に式（７）で求めたシステムパラメータｆｘ，
ｆｙとから、式（６）を用いて、Ｘ１，Ｙ１が次式
（８）のように求まる。Ｘ１＝ｘ１・Ｚ１／ｆｘＹ１＝ｙ１・Ｚ１／ｆｙ …（８）また、点Ａから点Ｂへの方向ベクトルＶは、次式によっ
て表される。Ｖ＝（Ｘ１−Ｘｍ，Ｙ１−Ｙｍ，Ｚ１−Ｚｍ） …（９）

【０１２９】方向ベクトルＶの大きさが、式（５）の方
向ベクトルＵと同じ大きさになるように変形すると、次
式（１０）となる。Ｖ’＝（Ｘ１−Ｘｍ／｛（Ｘ１−Ｘｍ）²＋（Ｚ１−Ｚｍ）²｝^1/2，Ｙ１−Ｙｍ／｛（Ｘ１−Ｘｍ）²＋（Ｚ１−Ｚｍ）²｝^1/2，Ｚ１−Ｚｍ／｛（Ｘ１−Ｘｍ）²＋（Ｚ１−Ｚｍ）²｝^1/2）…（１０）式（１０）と式（５）の第１および第３成分を比較し
て、式（１１）が得られる。ｃｏｓφ＝Ｘ１−Ｘｍ／｛（Ｘ１−Ｘｍ）²＋（Ｚ１−Ｚｍ）²｝^1/2 ｓｉｎφ＝Ｚ１−Ｚｍ／｛（Ｘ１−Ｘｍ）²＋（Ｚ１−Ｚｍ）²｝^1/2…（１１）式（１１）からφが決まる。また、式（１０）の第２成
分から、ｔａｎωの値が決まる。

【０１３０】このような処理の結果、点Ｂについて、光
強度比ρと回転角φとの対応関係、および光強度比ρと
直線ＡＢを含む鉛直面内でのあおり角ωとの対応関係が
求まる。エピポーラ線１７０１を形成する他の複数の点
についても、同様にして、光強度比ρと回転角φとの対
応関係および光強度比とあおり角との対応関係を求め
る。

【０１３１】図２２は１本のエピポーラ線に対するＬＵ
Ｔに格納される情報を示す図であり、同図中、（ａ）は
光強度比と回転角との対応関係を表すグラフ、（ｂ）は
光強度比とあおり角（ｔａｎω）との対応関係を表すグ
ラフである。同図中、１８０１ａ，１８０１ｂは図２１
の点Ｂに対応するポイントである。同一エピポーラ線を
形成する各点について、ポイント１８０１ａ，１８０１
ｂと同じようにグラフ上にプロットし、プロットした分
布を３次式でフィティングする等によって、一本のエピ
ポーラ線に対応するＬＵＴを作成することができる。

【０１３２】他の所望のエピポーラ線についても、上記
と同様に、ＬＵＴをそれぞれ作成する。

【０１３３】＜Ｚ座標値の測定方法＞次に、着目点Ｐの
Ｚ座標値の測定方法について説明する。

【０１３４】着目画素Ｐのカメラ座標系における座標値
（ｘ，ｙ）から、用いるべきＬＵＴが決まる。そして、
測定された着目画素Ｐの光強度比ρから、決定されたＬ
ＵＴを参照することによって、光源から着目点Ｐへの方
向ベクトル（ｃｏｓφ，ｔａｎω，ｓｉｎφ）が決ま
る。

【０１３５】よって、光源と着目点Ｐとを結ぶ直線は、
媒介変数ｔを用いて、次式（１２）として表される。

【０１３６】

【数２】

【０１３７】また、式（６）を変形すると次式（１３）
となり、さらに式（１３）から次式（１４）が得られ
る。ｆｘ・Ｘ−ｘ・ｚ＝０ｆｙ・Ｙ−ｙ・ｚ＝０ …（１３）ｆｘ・Ｘ＋ｆｙ・Ｙ−（ｘ＋ｙ）Ｚ＝０ …（１４）

【０１３８】式（１２）で表される直線と式（１４）で
表される平面との交点が、着目点Ｐであるので、次式
（１５）を解いて、着目点Ｐのワールド座標系における
座標値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を得る。

【０１３９】

【数３】

【０１４０】なお、座標値Ｘ，Ｙ，Ｚを全て測定する必
要がなくＺ座標値のみを測定する場合には、式（１２）
の一部である次式（１６）と式（１３）より、式（１
７）を解いて、Ｚ座標値を得る。Ｘｍ＋ｃｏｓφ・ｔ＝ＸＺｍ＋ｓｉｎφ・ｔ＝Ｚ …（１６）

【０１４１】

【数４】

【０１４２】なお、この場合、ＬＵＴは、光強度比ρと
回転角φとの対応関係に関するもののみを用いれば良
い。

【０１４３】以上のように本実施形態によると、カメラ
および光源の配置の自由度を第２の実施形態よりも拡大
することができる。

【０１４４】＜第３の実施形態の変形例＞なお、上述し
た第３の実施形態では、レンズ中心１０７ａとワールド
座標系の原点Ｏとが一致している場合について説明し
た。ところが、レンズ中心１０７ａと原点Ｏとは必ずし
も一致している必要はない。ただし、この場合には、座
標系の補正を行う必要がある。

【０１４５】図２３は本変形例におけるワールド座標系
の原点Ｏとレンズ中心１０７ａとの位置関係を示す図で
ある。図２３に示すような場合には、既知のカメラのキ
ャリブレーション方法（昭晃堂「三次元画像計測」井口
征士、佐藤宏介共著、ｐ９２−９５参照）を用いて、レ
ンズ中心１０７ａと原点Ｏとの位置関係を測定し、座標
系の補正を行えばよい、まず、既知のカメラキャリブレ
ーション方法により、カメラパラメータ行列式（１８）
を求める。

【０１４６】

【数５】

【０１４７】式（１８）のカメラパラメータ行列によっ
て、カメラ座標（ｘ，ｙ）とワールド座標（Ｘ，Ｙ，
Ｚ）とは、次式（１９）のように関係づけられる。

【０１４８】

【数６】

【０１４９】回転ミラーの回転中心１０４ａの位置Ａ
（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）および消失点Ｓ（ｘｍ，ｙｍ）の
決定、並びにＬＵＴの生成については、第３の実施形態
と同様に行う。

【０１５０】着目点ＰのＺ座標値の測定方法は、基本的
には、第３の実施形態と同様であるが、式（１２）と式
（１４）の交点を求める代わりに、式（１２）と式（１
９）から、次式（２０）を解いて、座標値（Ｘ，Ｙ，
Ｚ）を得る。

【０１５１】

【数７】

【０１５２】なお、光強度比ρから角度φおよびωを求
めるときには、カメラ画像上のｘおよびｙ座標値の双方
が必要である。

【０１５３】本変形例によって、カメラおよび光源の設
置の自由度を、さらに拡大することができる。

【０１５４】なお、第２および第３の実施形態では、所
定のエピポーラ線毎にＬＵＴを備えるものとしたが、こ
れに限らず例えば、全ての画素について、同様の原理に
基づいてＬＵＴを設けてもかまわない。ただし、この場
合は、ＬＵＴ同士で情報の重複が生じるため、構成とし
ては冗長となる。

【０１５５】また、第３の実施形態のようにエピポーラ
線がｘ軸に平行ではない場合であっても、ｙ座標毎にＬ
ＵＴを設けることによって、従来よりも３次元情報の精
度を向上することができる。また、例えば、ｘ座標毎に
ＬＵＴを設けた場合でも、カメラ画像全体で１個のＬＵ
Ｔを備えた場合よりは、生成される３次元情報の精度は
向上する。

【０１５６】また、第２および第３の実施形態では、光
源を２個設けた装置構成としたが、これに限らず例え
ば、光源を１個にし、２種類の変調光を所定周期で交互
に照射する構成としてもよい。また、レーザー光源およ
び回転ミラーを用いた装置構成としたが、これに限らず
例えば、第１の実施形態のようなフラッシュランプを光
源とした構成であっても、同様の効果が得られる。この
場合、計測範囲内で、２個のフラッシュランプに係るエ
ピポーラ線が実用上一致していると見なせるようにする
ために、双方のランプの垂直方向の間隔はなるべく小さ
い方が望ましい。

【０１５７】

【発明の効果】以上のように本発明によると、たとえ投
射光の光強度が変動したとしても、その変動による反射
光画像の光強度の変動が補正されるので、精度良く３次
元情報を生成することができる。

【０１５８】また、本発明によると、たとえ、反射光の
光特性と投射光の投射方向との対応関係がカメラ画像内
で１対１に対応していなくても、画素位置に応じて選択
されたルックアップテーブルが参照されるので、精度よ
く、３次元情報を生成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係るレンジファインダ
装置の構成を示す図である。

【図２】図１のレンジファインダ装置における光源の構
成を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図で
ある。

【図３】図２に示す光源から輻射される光パタンを示す
図である。

【図４】図３の光パタンにおける水平方向の位置と光強
度との関係を示すグラフである。

【図５】図４の部分αにおける投射光角度と光強度比と
の関係を示すグラフである。

【図６】図１のレンジファインダ装置における距離計算
部の内部構成を示す図である。

【図７】（ａ）〜（ｆ）は図１に示すレンジファインダ
装置の動作を示すタイミングチャートである。

【図８】３次元位置Ｘ，Ｙ，Ｚの計算に用いる角度ωの
概念図である。

【図９】図１のレンジファインダ装置における距離計算
部の内部構成の他の例を示す図である。

【図１０】第１の実施形態の変形例に係る距離計算部の
内部構成の例を示す図である。

【図１１】本発明の第２の実施形態に係るレンジファイ
ンダ装置の構成を示す図である。

【図１２】（ａ），（ｂ）は図１１の装置における光源
に係る光学系の構成を示す図である。

【図１３】図１１の装置におけるＬＵＴ保持部および距
離計算部の内部構成を示す図である。

【図１４】カメラ画像とＬＵＴとの対応関係を示すため
の模式図である。

【図１５】本発明の第２の実施形態に係るレンジファイ
ンダ装置の動作原理をワールド座標系に基づいて表した
模式的斜視図である。

【図１６】図１５の略示平面図である。

【図１７】図１５における各着目点のカメラ画像上の位
置とＣＣＤラインとの関係を示す模式図である。

【図１８】本発明の第３の実施形態に係るレンジファイ
ンダ装置の動作原理をワールド座標系に基づいて表した
模式的斜視図である。

【図１９】本発明の第３の実施形態におけるエピポーラ
線の形状を表す図であり、（ａ）はカメラ画像上におい
てエピポーラ線が異なる３本の直線光を示す図、（ｂ）
は（ａ）に示す各直線光によるエピポーラ線を示す図で
ある。

【図２０】光強度比一定の直線光を照射した場合の略示
平面図である。

【図２１】本発明の第３の実施形態におけるＬＵＴの生
成を説明するための図であり、（ａ）はパターン光の照
射を示す図、（ｂ）は（ａ）に示すパターン光によるエ
ピポーラ線を示す図である。

【図２２】１本のエピポーラ線に対するＬＵＴに格納さ
れる情報を示すグラフであり、（ａ）は光強度比と回転
角との対応関係を表すグラフ、（ｂ）は光強度比とあお
り角との対応関係を表すグラフである。

【図２３】本発明の第３の実施形態の変形例におけるワ
ールド座標系の原点Ｏとレンズ中心との位置関係を示す
図である。

【図２４】従来のレンジファインダ装置の構成図であ
る。

【図２５】従来のレンジファインダ装置の光源の波長特
性を示す特性図である。

【図２６】（ａ），（ｂ）は従来のレンジファインダ装
置の光源の強度変調の特性図である。

【図２７】（ａ），（ｂ）はレンジファインダにおける
計測原理図である。

【符号の説明】

１カメラ部２光源部６，６Ａ，６Ｂ距離計算部（３次元情報生成部）２１ａ，２１ｂ受光素子６２ａ，６２ｂ光強度補正部１０６被写体２００光源部２２１ルックアップテーブル３００カメラ部４００３次元情報生成部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０４Ｎ 5/225 Ｇ０１Ｂ 11/24 Ｋ 13/02 Ｇ０６Ｆ 15/62 ４１５

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光の強度が被写体上で少なくとも位置的
に見て変化する投射光を投射する光源部と、前記投射光の前記被写体からの反射光を撮像するカメラ
部と、前記カメラ部によって撮像された反射光画像から、前記
被写体の３次元情報を生成する３次元情報生成部とを備
え、前記３次元情報生成部は、前記反射光画像における光強度を、前記投射光の光強度
に応じた補正情報に基づいて補正する光強度補正部を有
し、この光強度補正部によって補正された画像を用い
て、前記３次元情報を生成するものであることを特徴と
するレンジファインダ装置。
【請求項２】請求項１記載のレンジファインダ装置に
おいて、前記光源部は、互いに異なる投射パターンを有する複数
の光を、投射するものであり、前記光強度補正部は、前記複数の光の反射光画像毎に、
前記補正を行い、前記３次元情報生成部は、前記光強度補正部によって補
正された各反射光画像の光強度比に基づいて、３次元情
報の生成を行うものであることを特徴とするレンジファ
インダ装置。
【請求項３】請求項１記載のレンジファインダ装置に
おいて、前記光源部から投射される投射光の光強度を検出し、前
記補正情報として出力する受光素子を備えたことを特徴
とするレンジファインダ装置。
【請求項４】請求項１記載のレンジファインダ装置に
おいて、前記光強度補正部は、前記カメラ部の撮像画像内の所定
領域の輝度を、前記補正情報として用いるものであるこ
とを特徴とするレンジファインダ装置。
【請求項５】請求項１記載のレンジファインダ装置に
おいて、前記光強度補正部は、前記反射光画像について、画像データから黒レベル成分
を差し引くオフセット処理を施し、その後、補正を行う
ものであることを特徴とするレンジファインダ装置。
【請求項６】光の特性がその投射方向に応じて変化す
る投射光を投射する光源部と、前記投射光の被写体からの反射光を撮像するカメラ部
と、前記カメラ部によって撮像された反射光画像から、前記
被写体の３次元情報を生成する３次元情報生成部とを備
え、前記３次元情報生成部は、前記反射光の光特性と前記投射光の投射方向との対応関
係を記述したルックアップテーブルを複数個有し、カメ
ラ画像内の画素位置に応じて、前記複数のルックアップ
テーブルのいずれかをそれぞれ選択し、選択したルック
アップテーブルを参照して、前記３次元情報を生成する
ものであることを特徴とするレンジファインダ装置。
【請求項７】請求項６記載のレンジファインダ装置に
おいて、前記複数のルックアップテーブルは、それぞれ、カメラ
画像内のエピポーラ線に対応して、設けられていること
を特徴とするレンジファインダ装置。
【請求項８】請求項７記載のレンジファインダ装置に
おいて、前記３次元情報生成部は、ルックアップテーブルが設けられていないエピポーラ線
上の画素位置について、当該エピポーラ線近傍のエピポ
ーラ線に対応して設けられたルックアップテーブルを補
間して、ルックアップテーブルを得るものであることを
特徴とするレンジファインダ装置。
【請求項９】請求項７記載のレンジファインダ装置に
おいて、前記光源部およびカメラ部は、前記光源部と前記カメラ部とを結ぶ直線が、ワールド座
標系におけるＸ軸に一致し、かつ、カメラ座標系におけ
るｘ軸に平行になるように、設置されていることを特徴
とするレンジファインダ装置。