JP2011027574A - 距離画像処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】 距離画像センサの位置調整を容易に行うことのできる距離画像処理システムを提供する。
【解決手段】 所定の被測定対象の距離値を検出する距離画像センサ１と、距離画像センサ１から入力される各画素の距離値に基づいて生成された距離画像から特徴部を抽出する画像処理回路４６を備えた画像データ処理装置２と、を備え、画像処理回路４６は、調整しようとする距離画像センサ１から入力される距離値に基づいて生成された距離画像から調整対象となる特徴部を抽出し、この調整対象となる特徴部と、あらかじめ抽出された基準となる特徴部とを比較し、その位置の誤差を演算するように構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は距離画像処理システムおよびこれを用いた距離画像処理システムに係り、特に、プレーナ型アクチュエータなどの二次元スキャナを用いた距離画像処理システムを用い、異常な受光信号を適正に検出することを可能とした距離画像処理システムおよびこれを用いた距離画像処理システムに関するものである。

従来から、枠状の固定部に平板状の可動部を回動可能に軸支する構造のアクチュエータとして、例えば半導体製造技術を利用し、シリコン基板を異方性エッチングし、枠状の固定部と平板状の可動部と固定部に可動部を軸支するトーションバーとを一体に形成し、可動部に駆動コイルを設け、可動部の駆動コイルに静磁界を付与する例えば永久磁石のような静磁界発生手段を設け、通電により駆動コイルに発生する磁界と静磁界発生手段による静磁界との相互作用により発生するローレンツ力を利用して可動部を回動させる電磁駆動タイプのプレーナ型アクチュエータがある。そして、このようなアクチュエータを駆動しながら、このアクチュエータに光を照射することにより、光を二次元領域に走査させてその反射光を受光することにより、画像を撮影するようにした技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

そして、近年、このような画像を形成するデバイスとして、アクチュエータに光を照射して検出対象領域を走査させ、その反射光を受光することにより、検出対象となる二次元領域の距離値を取得する距離画像センサが開発されており、この距離画像センサにより得られた距離値に基づいてフレーム画像を生成することにより、種々の画像処理を行うようになっている。

このような距離画像センサにおいて、位置関係が重要な画像処理を行う場合には、距離画像センサの設置位置の調整が不可欠である。この場合に、従来、距離画像センサを動作させない状態で、アクチュエータに光を照射すると、走査の中心点に光のビームを放射させることができることを利用して、赤外線カメラなどにより、光ビームの位置を確認しながら、距離画像センサの中心の方向を合わせることにより、距離画像センサの位置調整を行うようにしていた。

特許第４２１４３６４号公報

しかしながら、前記従来の調整手段においては、距離画像センサを設置する際に、光を照射してその光のビームスポットを確認しながら調整作業を行うものであるため、太陽光が照射されている昼間の作業では、ビームスポットを視認することが困難であり、適正に位置調整を行うことができないという問題を有している。

本発明は前記した点に鑑みてなされたものであり、距離画像センサの位置調整を容易に行うことのできる距離画像処理システムを提供することを目的とするものである。

本発明は前記目的を達成するために、請求項１の発明に係る距離画像処理システムは、 所定の被測定対象に光を走査させてこの走査領域における各画素の距離値を検出する距離画像センサと、
前記距離画像センサから入力される各画素の距離値に基づいて背景画像を生成するとともに、この背景画像の距離値の差分から距離画像を生成し、この距離画像から特徴部を抽出する画像処理回路を備えた画像データ処理装置と、を備え、
前記画像処理回路は、調整しようとする前記距離画像センサから入力される距離値に基づいて生成された距離画像から調整対象となる特徴部を抽出し、この調整対象となる特徴部と、あらかじめ抽出された基準となる特徴部とを比較し、その位置の誤差を演算するように構成されていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１において、前記距離画像センサは、プレーナ型アクチュエータからなり、二次元領域に光を走査させる二次元スキャナを備えていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２において、前記画像データ処理装置は、調整対象となる特徴部の位置の誤差を演算した後、この誤差に応じて、画素の座標値を補正することにより、調整対象となる特徴部の位置を基準となる特徴部の位置に一致させるように構成されていることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１または請求項２において、前記画像データ処理装置により演算された誤差を表示させるための出力装置を備えていることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項４において、前記距離画像センサは、位置調整機構を備えており、前記出力装置は、前記画像データ処理装置により演算された誤差に基づいて前記位置調整機構を動作させて前記距離画像センサを正しい位置に位置調整するものであることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、画像処理回路により、調整しようとする距離画像センサから入力される距離値に基づいて生成された距離画像から調整対象となる特徴部を抽出し、この調整対象となる特徴部と、あらかじめ抽出された基準となる特徴部とを比較し、その位置の誤差を演算するようにしているので、この位置誤差に応じて、容易に距離画像センサの位置を調整することができる。

請求項２に係る発明によれば、距離画像センサが、プレーナ型アクチュエータからなり、二次元領域に光を走査させる二次元スキャナを備えているので、光の走査を高速にかつ確実に行うことができる。

請求項３に係る発明によれば、画像データ処理装置により、調整対象となる特徴部の位置の誤差を演算した後、この誤差に応じて、画素の座標値を補正することにより、調整対象となる特徴部の位置を基準となる特徴部の位置に一致させるようにしているので、距離画像センサ自体の位置調整を行うことなく、生成された距離画像の画素の調整だけで位置調整が可能となる。

請求項４に係る発明によれば、画像データ処理装置により演算された誤差を表示させるための出力装置を備えているので、誤差の演算結果を容易に認識することができる。

請求項５に係る発明によれば、距離画像センサに位置調整機構を設け、出力装置により、画像データ処理装置により演算された誤差に基づいて位置調整機構を動作させて距離画像センサを正しい位置に位置調整するようにしているので、誤差に応じて、距離画像センサの位置調整を自動的に行うことができる。

本発明に係る距離画像処理システムの第１実施形態を示す概略構成図である。 本発明に係る距離画像処理システムに用いられる二次元スキャナの実施形態を示す概略図である。 本発明に係る距離画像処理システムによる特徴部の抽出例を示す正面方向からの説明図である。 本発明に係る距離画像処理システムによる特徴部の抽出例を示す側面方向からの説明図である。 本発明に係る距離画像処理システムの基準となる特徴部の抽出動作を示すフローチャートである。 本発明に係る距離画像処理システムの調整対象となる特徴部の誤差演算の動作を示すフローチャートである。 本発明に係る距離画像処理システムの第２実施形態を示す概略構成図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明に係る距離画像処理システムの第１実施形態を示したものであり、距離画像処理システムは、距離画像センサ１およびこの距離画像センサ１から送られる距離値に基づいて画像処理を行う画像データ処理装置２を備えている。画像データ処理装置２には、出力装置３が接続されている。

また、距離画像センサ１は、二次元スキャナ１０を備えており、本実施形態においては、二次元スキャナ１０として、プレーナ型アクチュエータを用いている。

本実施形態の二次元スキャナ１０は、図２に示すように、図示しないデバイス基板上に設置された枠状の固定部１１を備えている。この固定部１１の内側には、第２トーションバー１２を介して枠状の第２可動部１３が揺動自在に支持されており、この第２可動部１３の内側には、第１トーションバー１４を介して第１可動部１５が揺動自在に支持されている。すなわち、第１可動部１５と第２可動部１３とは、第２トーションバー１２を介して互いに直交する方向に揺動自在とされており、第１可動部１５と第２可動部１３とは、異なる駆動周波数で駆動されるように構成されている。なお、これら固定部１１、第２可動部１３、第１可動部１５、第１トーションバー１４および第２トーションバー１２は、一体的に形成されている。

第１可動部１５上には、第１可動部１５を駆動するための図示しない駆動コイルが、第２可動部１３上には、第２可動部１３を駆動するための図示しない駆動コイルがそれぞれ設けられており、固定部１１の周囲には、第１可動部１５を挟んで互いに反対磁極を対向させて配置される二対の静磁界発生部材（図示せず）が配置されている。なお、静磁界発生部材は、永久磁石でも電磁石でもよい。

また、図１に示すように、距離画像センサ１は、制御部２０を備えており、この制御部２０には、レーザ光およびスキャナを制御するためのレーザコントローラ２１が設けられている。制御部２０には、レーザコントローラ２１からの内軸駆動信号および外軸駆動信号が入力されるスキャナドライバ２２が設けられており、このスキャナドライバ２２は、二次元スキャナ１０に対して、レーザコントローラ２１から出力される内軸駆動信号および外軸駆動信号に基づいて、第１可動部１５を駆動させるための内軸駆動パルスを出力するとともに、第２可動部１３を駆動させるための外軸駆動パルスを出力するように構成されている。制御部２０のレーザコントローラ２１には、二次元スキャナ１０の図示しない検出装置から第１可動部１５および第２可動部１３の駆動位置を検出するためのスキャナ同期信号がフィルタ２３を介して送られるように構成されている。

また、距離画像センサ１は、レーザ投光部２４を備えており、レーザ投光部２４には、レーザ光を発光するためのレーザ素子２５が設けられている。レーザ投光部２４には、レーザコントローラ２１から送られるレーザ放射タイミング信号に基づいてレーザ素子２５に投光駆動パルスを出力するレーザドライバ２６が設けられている。レーザ投光部２４には、レーザ素子２５から出射されるレーザ光をビームスプリッタ２７を介して二次元スキャナ１０に投光させるための、例えば、ミラーやレンズなどで構成される投光光学装置２８が設けられている。さらに、投光光学装置２８には、レーザ光の投光タイミングを監視する発光モニタ２９が接続されている。発光モニタ２９は、図示しない受光素子を備えており、この受光素子により、投光光学装置２８から投光されるレーザ光を受光することにより、投光光学装置２８による投光タイミングを監視して、後述する時間計測回路３８に投光タイミング信号を出力するように構成されている。

さらに、距離画像センサ１は、レーザ受光部３０を備えており、レーザ受光部３０には、レーザ光を受光するための受光素子３１が設けられている。レーザ受光部３０には、レーザ素子２５から投光光学装置２８を介して投光され二次元スキャナ１０で反射されたレーザ光を受光素子３１に受光させるための、例えば、ミラーやレンズなどで構成される受光光学装置３２が設けられている。レーザ受光部３０には、受光素子３１からの受光信号を増幅するプリアンプ３３が設けられている。

距離画像センサ１は、測距計測部３４を備えており、この測距計測部３４には、レーザ受光部３０のプリアンプ３３から送られる受光信号を検出するための共振回路３５および立ち上がり回路３６がそれぞれ設けられている。共振回路３５は、主として測定する距離が比較的長い場合に用いられ、立ち上がり回路３６は、主として測定する距離が比較的短い場合に用いられるものである。測距計測部３４には、共振回路３５および立ち上がり回路３６を介して送られる受光信号に基づいて受光素子３１により受光したタイミングを生成するストップタイミング生成回路３７，３７が設けられている。測距計測部３４には、ストップタイミング生成回路３７により生成された受光タイミングと、発光モニタ２９から送られる投光タイミング信号とから、投光タイミングから受光タイミングまでの時間を計測するための時間計測回路３８，３８が設けられている。

また、制御部２０には、距離値算出回路３９が設けられており、時間計測回路３８による時間データは、Ａ／Ｄ変換器４０，４０を介して距離値算出回路３９に送られるようになっている。そして、距離値算出回路３９は、時間計測回路３８による時間データに基づいて、距離値を取得することができるように構成されており、取得した距離値は、外部インタフェース４１を介して後述する画像データ処理装置２に出力されるように構成されている。すなわち、二次元スキャナ１０の第１可動部１５および第２可動部１３を動作させながら、この二次元スキャナ１０にレーザ投光部２４からレーザ光を投光させることにより、二次元領域でレーザ光を走査させ、二次元スキャナ１０から投光されて物体で反射されたレーザ光を二次元スキャナ１０で反射されてレーザ受光部３０により受光することにより、二次元スキャナ１０により走査した範囲における各画素における距離値を取得することができるものである。なお、レーザ受光部３０には、プリアンプ３３から出力される受光信号をＡ／Ｄ変換して受光量として距離値算出回路３９に送るＡ／Ｄ変換器４２が設けられている。

さらに、制御部２０には、制御部２０および測距計測部３４に電源を供給するための主電源４３が設けられており、さらに、主電源４３からの電源供給を受けてレーザドライバ２６、プリアンプ３３およびスキャナドライバ２２に電源を供給するＨＶ電源４４が設けられている。

また、画像データ処理装置２には、距離画像センサ１から入力インタフェース４５を介して入力される各画素において取得された距離値に基づいて、二次元のフレーム画像を生成する画像処理回路４６が設けられている。この画像処理回路４６は、例えば、各画素における距離値を、二次元スキャナ１０による各走査毎に記憶するように構成されており、各画素において距離値の最も大きい値、すなわち最も遠い距離値により生成される画像を背景画像として記憶するとともに、この背景画像を基準として、背景画像の距離値と新たに取得された距離値との差分を求めることにより、距離画像を生成するように構成されている。

また、画像処理回路４６は、演算用メモリ４７に格納された演算プログラムを実行することにより、前述の距離画像に基づいて基準物の特徴部を抽出するように構成されている。すなわち、例えば、図３および図４に示すように、水平な床面に支柱が立設されている場所の距離画像を生成すると、距離画像に表示された床面は、支柱の基部方向に近づくにしたがって徐々に距離値が大きくなり、床面と支柱との境界部分で、距離値が最大となり、支柱の基部から上方に向かって徐々に距離値が小さくなる。このように距離値の変曲点となる箇所など、距離値から特定することができる箇所を特徴部として抽出するものである。この特徴部としては、本実施形態においては、支柱の基部を抽出するようにしたが、その他、例えば、壁面、物体のエッジ部分など適宜設定することができるものである。

なお、特徴部を抽出する場合、画像データ処理装置２の利用者が特徴部を指定し、利用者が直接画像データ処理装置２に入力するようにしてもよい。この場合、特徴部を直接指定してもよいし、特徴部が存在しそうな領域を指定し、この指定した領域から画像処理回路４６により特徴部を抽出させるようにしてもよい。

画像データ処理装置２は、特徴部用メモリ４８を備えており、この特徴部用メモリ４８には、前述の動作で抽出された特徴部が、その距離値、座標位置、形状など必要な情報とともに基準となる特徴部として格納されるように構成されている。この基準となる特徴部の情報は、距離画像センサ１と対象となる特徴部との実際の位置関係（距離値、座標位置、形状など必要な情報）があらかじめ設定されているものである。

また、前記画像処理回路４６は、距離画像センサ１の位置調整を行う場合には、前述のように距離画像センサ１から入力される距離値に基づいて距離画像を生成し、調整対象となる特徴部を抽出し、この対象となる特徴部の距離値、座標位置、形状などを取得する。そして、画像処理回路４６は、特徴部用メモリ４８に格納されている基準画像の基準となる特徴部の距離値、座標位置、形状などの情報と、調整対象となる特徴部の距離値、座標位置、形状などの情報とを比較することにより、基準となる特徴部に対する調整対象となる特徴部の位置の誤差を演算するように構成されている。そして、画像処理回路４６は、誤差の演算結果が所定の許容範囲内であるか否かを判定するように構成されている。なお、この誤差は、例えば、特徴部までの距離および角度で表すことができる。

基準となる特徴部に対する調整対象となる特徴部の位置の誤差の演算結果は、出力インタフェース４９を介して出力装置３に出力されるように構成されている。出力装置３は、例えば、ディスプレイなどの表示装置であり、誤差の演算結果を表示させるように構成されている。なお、出力装置３は、音響装置としてもよく、この場合は、誤差の演算結果を音声により知らせるものである。そして、利用者は、出力装置３に出力された誤差の演算結果に基づいて、距離画像センサ１の位置調整を行うことができるものである。その結果、距離画像センサ１と対象となる特徴部とが実際の位置関係となるように調整することが可能となる。

次に、本実施形態の作用について説明する。

まず、レーザコントローラ２１からスキャナドライバ２２に内軸駆動信号および外軸駆動信号を出力させることにより、スキャナドライバ２２から二次元スキャナ１０に内軸駆動パルスおよび外軸駆動パルスを出力させることにより、二次元スキャナ１０の駆動コイルに通電させ、これにより、第１可動部１５および第２可動部１３を揺動動作させる。

この状態で、まず、レーザコントローラ２１からレーザ投光部２４にレーザ放射タイミング信号を出力させる。レーザ投光部２４にレーザ放射タイミング信号が入力されたら、レーザドライバ２６から投光駆動パルスをレーザ素子２５に出力させることにより、レーザ素子２５から投光光学装置２８を介してレーザ光が二次元スキャナ１０に投光される。

そして、二次元スキャナ１０により二次元領域でレーザ光を走査させ、二次元スキャナ１０から投光されて物体で反射されたレーザ光は、二次元スキャナ１０で反射されて受光光学装置３２を介してレーザ受光部３０により受光される。この受光信号は、共振回路３５または立ち上がり回路３６およびストップタイミング生成回路３７を介して時間計測回路３８に出力される。

そして、時間計測回路３８により、ストップタイミング生成回路３７により生成された受光タイミングと、発光モニタ２９から送られる投光タイミングとから、投光タイミングから受光タイミングまでの時間が計測されて距離値算出回路３９に出力される。そして、距離値算出回路３９により、時間計測回路３８による時間データに基づいて、二次元スキャナ１０により走査した範囲における各画素における距離値を算出し、この距離値は、画像データ処理装置２に送られる。

次に、画像データ処理装置２による基準となる特徴部の抽出動作について、図５に示すフローチャートを参照して説明する。

前述の動作により、画像データ処理装置２により距離値が取得されると（ＳＴ１）、画像処理回路４６により、各画素における最も遠い距離値を基準として背景画像を生成するとともに、この背景画像と新たに取得された距離値との差分を求めることにより、距離画像を生成する（ＳＴ２）。

そして、画像処理回路４６は、演算用メモリ４７に格納された演算プログラムを実行することにより、距離画像に基づいて基準となる特徴部を抽出し（ＳＴ３）、この抽出された特徴部の距離値、座標位置、形状などの情報を特徴部用メモリ４８に格納する（ＳＴ４）。

次に、画像データ処理装置２による調整対象となる特徴部の誤差演算の動作について、図６に示すフローチャートを参照して説明する。

距離画像センサ１の位置調整をする場合には、前述の動作と同様に、距離画像センサ１を動作させて距離値を検出し（ＳＴ５）、画像データ処理装置２により距離値に基づいて、前述のように距離画像センサ１から入力される距離値に基づいて距離画像を生成し（ＳＴ６）、調整対象となる特徴部を抽出し（ＳＴ７）、この調整対象となる特徴部の距離値、座標位置、形状などを取得する。そして、画像処理回路４６により、特徴部用メモリ４８に格納されている基準となる特徴部の距離値、座標位置、形状などの情報と、調整対象となる特徴部の距離値、座標位置、形状などの情報とを比較し、基準となる特徴部に対する調整対象となる特徴部の位置の誤差を演算する（ＳＴ８）。

そして、誤差が許容範囲内である場合は（ＳＴ９：ＹＥＳ）、調整が不要である旨を出力装置３に表示させるようになっている（ＳＴ１０）。一方、誤差が許容範囲外である場合は（ＳＴ９：ＮＯ）、特徴部の距離と角度誤差を表示させるようになっている（ＳＴ１１）。そして、利用者は、出力装置３に出力された誤差に基づいて、距離画像センサ１の位置調整を行うものである（ＳＴ１２）。

以上述べたように、本実施形態においては、距離画像に基づいてあらかじめ抽出された基準となる特徴部と、調整対象となる特徴部とを比較して、誤差を演算し、出力装置３により表示させるようにしているので、距離画像センサ１の位置誤差を容易に認識することができ、この位置誤差に応じて適正に距離画像センサ１の位置を調整することができる。

図７は本発明に係る距離画像処理システムの第２実施形態を示したものであり、本実施形態においては、距離画像センサ１に、この距離画像センサ１を水平方向および垂直方向にそれぞれ駆動することができる位置調整機構５０を設けるようにしたものである。また、本実施形態においては、位置調整機構５０は、出力装置３により、動作させるように構成されている。すなわち、画像データ処理装置２から演算された誤差が出力装置３に出力された場合、特徴部までの距離および角度で表わされた誤差に基づいて、位置調整機構５０を水平方向および／または垂直方向に動作させることにより、距離画像センサ１の位置を調整するものである。なお、位置調整機構５０による距離画像センサ１の位置調整は、距離画像センサ１のそのものの位置を調整することにより行うようにしてもよいし、レーザ光と二次元スキャナとの位置関係を調整することにより行うようにしてもよいし、さらに、二次元スキャナのミラーの振れ角を調整することにより行うようにしてもよい。その他の構成は、前記第１実施形態と同様であるため、その説明を省略する。

本実施形態においては、画像データ処理装置２から特徴部の位置の誤差が出力された場合、この誤差に応じて、出力装置３により調整機構を動作させて距離画像センサ１の位置調整を行うことができるものである。その結果、距離画像センサ１の位置調整を自動的に行うことができる。

なお、前記各実施形態においては、誤差に応じて距離画像センサ１の位置調整を行うようにしたが、例えば、画像データ処理装置２により調整対象となる特徴部の位置の誤差を演算した後、この誤差に応じて、データ上で画素の座標値を補正することにより、調整対象となる特徴部の位置を基準となる特徴部の位置に一致させるようにしてもよい。この場合は、距離画像センサ１自体の位置調整は不要となり、生成された距離画像の画素の調整だけで位置調整が可能となる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能である。

１ 距離画像センサ
２ 画像データ処理装置
３ 出力装置
１０ 二次元スキャナ
１１ 固定部
１３ 第２可動部
１５ 第１可動部
２０ 制御部
２１ レーザコントローラ
２２ スキャナドライバ
２４ レーザ投光部
２５ レーザ素子
２６ レーザドライバ
２８ 投光光学装置
２９ 発光モニタ
３０ レーザ受光部
３１ 受光素子
３２ 受光光学装置
３４ 測距計測部
３７ ストップタイミング生成回路
３８ 時間計測回路
３９ 距離値算出回路
４５ 異常測距検出回路
４６ 画像処理回路
４８ 特徴部用メモリ
５０ 位置調整機構

Claims (5)

1. 所定の被測定対象に光を走査させてこの走査領域における各画素の距離値を検出する距離画像センサと、
   前記距離画像センサから入力される各画素の距離値に基づいて背景画像を生成するとともに、この背景画像の距離値の差分から距離画像を生成し、この距離画像から特徴部を抽出する画像処理回路を備えた画像データ処理装置と、を備え、
   前記画像処理回路は、調整しようとする前記距離画像センサから入力される距離値に基づいて生成された距離画像から調整対象となる特徴部を抽出し、この調整対象となる特徴部と、あらかじめ抽出された基準となる特徴部とを比較し、その位置の誤差を演算するように構成されていることを特徴とする距離画像処理システム。
2. 前記距離画像センサは、プレーナ型アクチュエータからなり、前記二次元領域に光を走査させる二次元スキャナを備えていることを特徴とする請求項１に記載の距離画像処理システム。
3. 前記画像データ処理装置は、調整対象となる特徴部の位置の誤差を演算した後、この誤差に応じて、画素の座標値を補正することにより、調整対象となる特徴部の位置を基準となる特徴部の位置に一致させるように構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の距離画像処理システム。
4. 前記画像データ処理装置により演算された誤差を表示させるための出力装置を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の距離画像処理システム。
5. 前記距離画像センサは、位置調整機構を備えており、前記出力装置は、前記画像データ処理装置により演算された誤差に基づいて前記位置調整機構を動作させて前記距離画像センサを正しい位置に位置調整するものであることを特徴とする請求項４に記載の距離画像処理システム。

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