JP2013192003A - 撮像ユニットの露光制御装置 - Google Patents

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【課題】車両に搭載される撮像ユニットの露光量を走行環境に応じて最適な露光量に制御し、様々な明るさで発光する物体の色味を正確に認識可能とする。
【解決手段】赤信号と認識されてR成分の最大輝度が閾値Hr1を超えていない場合、G成分とR成分との比が赤と認識できる最大の比率となるまで露光時間を長くし(S13)、黄信号と認識されてR成分の最大輝度が閾値Hr2を超えていない場合、R成分とG成分との比が黄色と認識できる比率となるまで露光時間を長くし(S17)、緑色の信号と認識されてG成分の最大輝度が閾値Hgrを超えていない場合、R成分とG成分及びB成分とが緑色と認識可能な最大の比率となるまで露光時間を長くする(S20)。一方、各閾値を超えている場合には、露光時間を短くする(S14,S18,S21)。これにより、様々な明るさで発光する物体の色味を正確に認識可能とすることができる。
【選択図】図5

Description

本発明は、車両に搭載されて車外環境をカラー撮像する撮像ユニットの露光量を制御する撮像ユニットの露光制御装置に関する。
近年、自動車等の車両においては、カメラにより前方の走行環境を撮像して画像認識処理し、前方障害物に対して警報制御を行う技術や、認識した走行環境から先行車を検出し、先行車に対して追従制御や警報制御を行う技術が開発され、実用化されている。
この場合、画像から認識される走行環境には、様々なシーンがあり、例えば車両のテールランプやブレーキランプ、信号灯が点灯された信号機等、光源を有する物体が含まれる。これらの光源からの光が明るすぎると、周囲に拡散されて撮像画像中で輝度値が飽和し、画像認識が困難となる虞がある。
このため、例えば、特許文献1には、撮像手段により撮像された画像中から物体に設けられた光源を検出し、物体の光源が撮像された画像領域を含む画像中の所定の画像領域における輝度値の分布形状に基づいて撮像手段の露光量と撮像手段から出力される画素の輝度値の少なくとも一方の調整を行うことにより、撮像画像中で物体の光源の光が拡散しないようにする技術が開示されている。
特開2009−177311号公報
特許文献1に開示される技術では、物体の大きさを正確に認識するために、撮像手段の露光量を絞って光が拡散するのを防止するようにしている。しかしながら、露光量を絞っていくと、画像中の光の拡散を抑えて物体の大きさを認識可能となるが、発光色の色味を明確に認識することができるとは限らない。
特に、交差点等における信号機を認識してドライバに対する警報、車両の停止制御やブレーキ制御等を行う場合、一義的に露光量を絞るのでは、信号灯の発光色を識別することは困難である。また、同じ信号機であっても、機器毎の相違や周囲の環境条件の相違により、必ずしも同じ明るさであると限らず、信号灯の発光色を正確に認識するには、走行環境に応じて最適な露光量に制御する必要がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、車両に搭載される撮像ユニットの露光量を走行環境に応じて最適な露光量に制御し、様々な明るさで発光する物体の色味を正確に認識可能とすることのできる撮像ユニットの露光制御装置を提供することを目的としている。
本発明による撮像ユニットの露光制御装置は、車両に搭載されて車外環境をカラー撮像する撮像ユニットの露光量を制御する撮像ユニットの露光制御装置であって、前記撮像ユニットで撮像した画像中から所定の明るさの発光色で発光する発光部を有する物体を検出する発光物体検出部と、前記発光部に対して現在認識している発光色の成分の最大輝度が色相毎に設定した閾値を超えているか否かを判断する最大輝度判断部と、現在認識している発光色の成分の最大輝度が前記閾値を超えていると判断された場合には、前記撮像ユニットの露光量を減少させ、現在認識している発光色の成分の最大輝度が前記閾値を超えていないと判断された場合には、前記発光部の色成分の比率が前記発光部の色相を適正に認識可能な最大比率となるまで前記撮像ユニットの露光量を増加させる露光調整部とを備えるものである。
本発明によれば、車両に搭載される撮像ユニットの露光量を走行環境に応じて最適な露光量に制御し、様々な明るさで発光する物体の色味を正確に認識可能とすることができる。
画像認識システムの構成図 シャッタ速度制御に係る機能ブロック図 画像上の信号機の領域を示す説明図 信号機に対する露光制御のメインルーチンを示すフローチャート 信号灯の色に応じた露光制御のサブルーチンを示すフローチャート
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図1に示す画像認識システム1は、例えば自動車等の車両に搭載され、カメラ2で撮像した車外の状況から外部環境を認識するものであり、カメラ2の撮像画像を処理する画像処理エンジン3と、画像処理エンジン3で処理した画像情報に基づいて外部環境を認識するマイクロコンピュータを主とする認識コントローラ4とを備えている。この画像認識システム1は、外部環境の認識結果に基づいてドライバに対する各種運転支援を行う運転支援システムの一機能を担い、例えば、危険性を予測して衝突を回避若しくは衝突被害を軽減するためのプリクラッシュブレーキ制御、全車速域における追従機能付きのクルーズ制御、自車両の車線内でのふらつきや車線からの逸脱を監視してドライバに警報する警報制御等がドライバに対する運転支援として実行される。
本実施の形態においては、車外の状況を撮像するカメラ2は、同一物体を異なる視点から撮像するステレオカメラであり、以下、適宜、カメラ2をステレオカメラ2と記載する、尚、本実施の形態では、2台のカメラを用いてステレオ撮像した画像を処理する例について説明するが、単数のカメラであっても良い。
画像認識システム1は、ステレオカメラ2で撮像した画像を処理して対象物の3次元位置を測距し、3次元位置情報を用いて各種認識処理を行う。具体的には、ステレオカメラ2は、互いの光軸が平行となるように配置された左右2台のカメラ2a,2bから構成され、これらの2台のカメラ2a,2bが所定の基線長(光軸間隔)で機械的に固定されている。各カメラ2a,2bは、CCDやCMOSイメージセンサ等の撮像素子を有するカラー撮像用の撮像ユニットであり、画像処理エンジン3及び認識コントローラ4と共にステレオカメラユニットとして一体化され、例えば車室内上部のフロントウィンドウ内側に設置されている。
尚、カメラ2a,2bは、シャッタースピード可変で互いに同期が取られ、一方のカメラ(左カメラ)2aは、ステレオ処理の際の基準画像を撮像するメインカメラ、他方のカメラ(右カメラ)2bは、ステレオ処理の際の比較画像を撮像するサブカメラとして用いられる。
画像処理エンジン3は、ステレオカメラ2で撮像された左右1対の画像を読み込み、2つの画像の対応点を探索するステレオマッチングにより同一物体に対する視差を検出し、この視差に基づく三角測量の原理により測距を行う。認識コントローラ4は、画像処理エンジン3で測距された物体の3次元位置を用いて各種認識処理を行い、認識結果を車両制御装置(図示せず)に出力する。
詳細には、画像処理エンジン3は、左右のカメラ2a,2bの撮像信号をそれぞれ前処理する前処理部10a,10b、前処理された左右の撮像画像を記憶する入力画像メモリ15、入力画像メモリ15に記憶された撮像画像に対して各種補正処理を行う画像補正部20、画像補正部20からの出力に対してステレオマッチング処理を行い、距離情報を画像化した距離画像を生成するステレオ処理部30、ステレオ処理部30で生成した距離画像と左右のカメラ2a,2bで撮像された画像(前処理及び補正処理後の左右元画像)とを記憶する出力画像メモリ40を備えている。
本実施の形態においては、各カメラ2a,2bは、撮像素子からのアナログ撮像信号を増幅するアンプや、アナログ撮像信号を所定のビット数のデジタル信号に変換するA/Dコンバータ等の各種回路を内蔵した撮像ユニットとして構成されている。従って、前処理部10a,10bは、カメラ2a,2bに対する電子シャッター制御、アンプのゲイン・オフセットの制御及び調整、LUTテーブルによるγ補正等を含む輝度補正、シェーディング補正等を行う。また、前処理部10a,10bは、入力画像メモリ15にデータを書き出す際のアドレス制御を行い、入力画像メモリ15の所定のアドレスに、左右のカメラ画像(デジタル画像)が記憶される。
画像補正部20は、画像処理座標の設定、画像サイズ調整、アドレス制御等における各種パラメータを設定するパラメータ設定部21、左右の撮像画像に対応して、レンズ歪を含む光学的な位置ズレを補正する補正処理を行うアフィン補正部22a,22b、ノイズ除去処理等を行うフィルタ補正部23a,23bを備えている。
アフィン補正部22a,22bは、入力画像メモリ15から読み込んだ画像データに対して、各カメラ2a,2bのレンズの歪み、各カメラ2a,2bの取り付け位置のズレや焦点距離のバラツキ、更には、各カメラの撮像面のズレ等に起因する光学的な位置ズレを補正する処理を実行する。光学的な位置ズレの補正は、各カメラ2a,2bで撮像した画像における回転ズレ、並進ズレ等をアフィン変換補正テーブルを用いて幾何学的に補正すると共に、レンズ歪み等の非線形な歪みを非線形補正テーブルによって補正するものであり、これにより、各カメラ2a,2bの光学的位置が等価的に精密調整される。
フィルタ補正部23a,23bは、入力画像メモリに記憶された左右のデジタル画像(諧調画像)に含まれるノイズを、3×3フィルタ等の空間フィルタを用いて除去する。このノイズ除去処理は、アフィン補正部22a,22bでレンズ歪補正を含む幾何補正を施された画像データに対しては、対応するフィルタ値を切換えて適用する。
以上の画像補正部20から出力される左右の画像データは、ステレオ処理部30に入力される。ステレオ処理部30は、ステレオカメラ2で撮像した自車両外部の周辺環境の画像対(基準画像及び比較画像)から対応する位置のズレ量(視差)をステレオマッチング処理により求め、このズレ量に基づく距離画像を出力画像メモリ40に保存する。
ステレオマッチング処理としては、基準画像内の或る1つの点の周囲に小領域(ブロック或いはウィンドウとも称され、以下ではブロックと記載)を設定し、比較画像内の或る点の周囲に同じ大きさのブロックを設けて対応点を探索する周知の領域探索法を採用することができる。この領域探索法による対応点の探索処理では、比較画像上でブロックをずらしながら基準画像のブロックとの相関演算を行い、相関値が最も大きいブロックの座標のズレ量を算出する。このズレ量は、画像座標系の対応する位置の輝度値に置き換えられ、画像形態の距離画像として保存される。
認識コントローラ4は、画像処理エンジン3で生成した距離画像が有する距離情報を用いて、実空間での距離を得ると共に各種認識処理を行う。すなわち、画像処理エンジン3からの距離情報に対して、所定の閾値内にあるデータをグループ化するグルーピング処理を行い、予め記憶しておいた3次元的な道路形状データ、側壁データ、立体物データ等の枠(ウインドウ)と比較し、白線データ、道路に沿って存在するガードレール、縁石等の側壁データを抽出すると共に、立体物を、2輪車、普通車両、大型車両、歩行者、電柱等その他の立体物に分類して抽出する。
認識した各データは、自車両を原点とし、自車両の前後方向及び幅方向を軸とする座標系におけるそれぞれの位置が演算される。特に、2輪車、普通車両、大型車両の車両データにおいては、その前後方向長さが、例えば、3m、4.5m、10m等と予め推定され、また、幅方向は検出した幅の中心位置を用いて、その車両の存在する中心位置が演算される。
更に、立体物データにおいては、自車両からの距離の各軸方向の変化から自車両に対する相対速度が演算され、この相対速度に自車両の速度を考慮して演算することにより、それぞれの立体物の各軸方向の速度が演算される。こうして得られた各情報、すなわち、白線データ、道路に沿って存在するガードレール、縁石等の側壁データ、及び、立体物データ(種別、自車両からの距離、中心位置座標、速度等の各データ)から、自車両周辺の歩行者或いは軽車両、自車両が走行する道路に接続する道路上を走行する他車両等の移動物体を認識する。
このような認識コントローラ4からの白線データ、道路に沿って存在するガードレール、縁石等の側壁データ、立体物データ等は、図示しない車両制御用の制御コントローラに入力される。制御コントローラは、認識コントローラ4からの情報と自車両の車速やヨーレート等の車両情報とに基づいて走行環境を認識し、プリクラッシュブレーキ制御、追従機能付きクルーズ制御、ふらつき及び車線逸脱に対する警報制御等のドライバに対する運転支援制御を指令する。
ここで、カメラ2の撮像画像から認識される車外環境には様々なシーンがあり、例えば車両のテールランプやブレーキランプ、信号灯が点灯された信号機等、光源を有する物体が含まれる。これらの光源からの光が明るすぎると、周囲に拡散されて撮像画像中で輝度値が飽和し、物体の大きさを認識できない場合がある。このため、従来では、撮像画像中で光源からの光が拡散しないようにカメラの露光量を絞ることで、物体の大きさを正確に認識するようにしているが、光源の色味を明確に認識することは困難である。
このため、認識コントローラ4は、画像処理エンジン3からの画像情報に基づく認識処理に加え、光源の色味が明確に認識可能な露光量となるように、前処理部10a,10bにカメラ2のシャッタ速度の調整値を送信し、撮像画像の露光量を調整する。このような認識コントローラ4の露光制御に係る機能は、図2に示すように、発光物体検出部51、最大輝度判断部52、露光調整部53によって代表される。認識コントローラ4は、これらの各機能部により、カメラ2の撮像画像中に、信号機等の所定の明るさの発光色で発光する発光部を有する物体を検出した場合、カメラ2のシャッタ速度を制御して撮像画像の露光量を適正化し、発光色の色味を正確に認識可能とする。
詳細には、発光物体検出部51は、ステレオカメラ2で撮像した画像中から先行車両の左右のテールランプやブレーキランプ、自車両前方に設置された信号機等の所定の明るさの発光色で発光する発光部を有する物体を検出する。例えば、赤、黄、緑の発光色で発光する信号灯を発光部として有する信号機の場合、図3に示すように、撮像画像上に、信号機SGを包囲するように設定された枠線Fwの領域を設け、形状や高さ、輝度分布等から信号機SGの信号灯SLを発光部として検出する。
最大輝度判断部52は、検出された発光部の画像領域に対して現在認識している発光色の成分の最大輝度が色相毎に設定した閾値を超えているか否かを判断する。この閾値は、画像領域の色を表現する色空間における色味(色相)に対応する色成分が飽和(サチュレーション)を生じる状態若しくはそれに近い状態であることを表しており、カラー撮像素子の分光特性(フィルタ特性)や感度特性等を考慮して、予めシミュレーション或いは実験により決定されている。
露光調整部53は、最大輝度判断部52の判断結果に応じてカメラ2のシャッタ速度を制御し、発光部の発光色に応じた最適露光に制御する。すなわち、現在認識している発光色の成分の最大輝度が上述の閾値を超えていると判断された場合には、カメラ2のシャッタ速度を速くして撮像画像の露光量を減少させ、現在認識している発光色の成分の最大輝度が閾値を超えていないと判断された場合には、発光部の色成分を比較し、各成分の比率が発光部の色相を適正に認識可能な最大比率となるまでカメラ2のシャッタ速度を遅くして露光量を増加させる。
尚、本実施の形態においては、露光量調整としてカメラ2のシャッタ速度を切り換えるが、カメラ2がアイリス機構を備えている場合には、アイリス値、撮像素子からの信号を増幅するアンプのゲインを変更して露光量を調整するようにしても良い。但し、アイリス値を変更する場合には、応答性を考慮してシャッタ速度を切り換えるタイミングよりも早期に切り換える必要があるため、調整マップ等を用いて徐々に切り換える。
以上の露光制御に係る処理は、図4,5のフローチャートに示すプログラム処理によって実行される。以下、露光制御のプログラム処理について説明する。
図4は信号機に対する露光制御のメインルーチンを示し、未だ信号機を確定できていない段階での処理を示している。この露光制御のメインルーチンは、最初のステップS1において、カメラ2の撮像画像中に信号機の候補となる物体が撮像されているか否かを、所定の地上高さで一定値以上の輝度値を有する領域の有無に基づいて判断する。その結果、信号機の候補が撮像されていない場合には、ステップS2〜S6で露光時間を調整して信号機の候補を再探索する。
このステップS2〜S6の処理では、先ず、ステップS2において、撮像画像中に輝度が飽和しているサチュレーション領域があるか否かを調べる。ステップS2は、換言すれば、明るすぎて色味が判断できない状態であるか否かを調べるステップである。そして、ステップS2においてサチュレーション領域がある場合には、ステップS3で現在のシャッタ速度を一段階だけ早い速度に変更して露光時間を短くし、信号機候補の再探索を行う。
一方、ステップS2においてサチュレーション領域がない場合には、ステップS2からステップS4へ進み、露光時間の上限閾値(シャッタ速度が最も遅い値)を超えていないか否かを調べる。このステップS4は、ステップS2とは逆に、暗すぎて色味が判断できない状態であるか否かを調べるステップである。そして、ステップS4において、露光時間の上限閾値を超えていない場合、ステップS5で現在のシャッタ速度を一段階だけ遅い速度に変更して露光時間を長くして信号機候補の再探索を行い。露光時間の上限閾値を超えている場合には、ステップS6でシャッタ速度を基準値に戻して信号機候補の再探索を行う。
その後、シャッタ速度の変更を伴う信号機候補の再探索により信号機の候補が撮像されていると判断されると、ステップS1からステップS7へ進み、各信号灯の色に応じて最適露光量を決定する。この最適露光量は、図5に示す露光制御のサブルーチンによって決定される。次に、図5の露光制御のサブルーチンについて説明する。
図5の露光制御のサブルーチンでは、最初のステップS11において、信号機の候補となる物体の発光色が赤の信号灯の点灯(赤信号)による色と認識されているか否かを調べる。そして、赤信号であると認識される場合、ステップS11からステップS12へ進み、過去数フレーム分の画像中の信号機候補の領域を表す赤色成分(R成分)と緑色成分(G成分)と青色成分(B成分)とのうち、R成分の最大輝度が閾値Hr1を超えているか否かを判断する。
閾値Hr1は、R成分がサチュレーションを生じる状態若しくはそれに近い状態であることを表す上限値(最大輝度)である。本実施の形態においては、LEDを用いた信号機等のように所定の周波数で点滅する光源を考慮して、過去の数フレーム分の画像を用いて最大輝度が閾値Hr1を超えているかを判断することにより、本当に赤信号を認識できているか(赤みが強すぎて誤認識していないか)を調べる。
そして、ステップS12において、R成分の最大輝度が閾値Hr1を超えていない場合には、露光時間を長くできる可能性があるため、ステップS13で最大輝度があった画素のG成分とR成分とを比較し、赤と認識できる最大の比率まで露光時間を長くする(シャッタ速度を遅くする)。また、R成分の最大輝度が閾値Hr1を超えている場合には、ステップS12からステップS14へ進んで露光時間を短くし(シャッタ速度を速くし)、サチュレーション状態になることを回避する。
一方、ステップS11において、赤信号が認識されていない場合には、ステップS11からステップS15へ進んで、黄色の信号灯の点灯(黄信号)による色と認識されているか否かを調べる。そして、黄信号と認識されていない場合には、ステップS15からステップS19以降へ進み、黄信号と認識されている場合、ステップS15からステップS16へ進んで、過去数フレーム分の画像中の信号機候補の領域のR成分の最大輝度が閾値Hr2を超えているか否かを判断する。
閾値Hr2は、黄色の色相に対応するR成分とG成分との比率において、サチュレーションを生じることなく黄色を識別可能なR成分の上限値(最大輝度)である。ステップS16においても、ステップS12と同様に所定の周波数で点滅する光源を考慮して過去の数フレーム分の画像を用い、この過去の数フレーム分の画像における最大輝度が閾値Hr2を超えているかを判断することにより、赤みが強すぎて黄信号を誤認識していないか調べる。
そして、ステップS16において、R成分の最大輝度が閾値Hr2を超えていない場合、ステップS17で最大輝度であった画素のR成分とG成分とを比較し、R成分とG成分との比が明確に黄色と認識できる比率となるまで、露光時間を短くする(シャッタ速度を速くする)。これは、認識している信号の色が本当に黄色なのか、それとも露光時間が長すぎて赤色を黄色と誤認識しているのかを識別するためである。一方、R成分の最大輝度が閾値Hr2を超えている場合には、ステップS16からステップS18へ進んで露光時間を短くし(シャッタ速度を速くし)、サチュレーション状態になることを回避する。
次に、ステップS15において黄信号が認識されておらず、ステップS15からステップS19以降へ進んだ場合について説明する。この場合は、緑色の信号と認識されているため、ステップS19では、過去数フレーム分の画像中の信号機候補の領域のG成分の最大輝度が閾値Hgrを超えていないか否かを調べる。
閾値Hgrは、サチュレーションを生じることなく緑色を認識可能な上限値(最大輝度)である。ステップS19においても、ステップS12,S16と同様に所定の周波数で点滅する光源を考慮して過去の数フレーム分の画像を用い、最大輝度が閾値Hgrを超えているかを判断することにより、本当に緑色の信号を認識できているかを調べる。
そして、G成分の最大輝度が閾値Hgrを超えていない場合には、露光時間を長くできる可能性があるため、ステップS19からステップS20へ進んで、最大輝度であった画素のR成分とG成分及びB成分を比較し、緑色と認識可能な最大の比率まで露光時間を長くする(シャッタ速度を遅くする)。また、G成分の最大輝度が閾値Hgrを超えている場合には、ステップS19からステップS21へ進んで露光時間を短くし(シャッタ速度を速くし)、サチュレーション状態になることを回避する。
このように本実施の形態においては、カメラ2の撮像画像中に信号機等の所定の明るさの発光色で発光する発光部を有する物体を検出した場合、認識している発光色の成分の最大輝度が閾値を超えている場合には、露光量を絞ってサチュレーション状態になることを回避し、認識している発光色の成分の最大輝度が閾値を超えていない場合、発光部の色成分の比率が色相を適正に認識可能な最大比率となるまで露光量を増加させる。これにより、走行環境に応じて最適な露光量に制御し、様々な明るさで発光する物体の色味を正確に認識可能とすることができる。
1 画像認識システム
2 カメラ
3 画像処理エンジン
4 認識コントローラ
51 発光物体検出部
52 最大輝度判断部
53 露光調整部
Hgr,Hr1,Hr2 閾値
SG 信号機
SL 信号灯

Claims (3)

  1. 車両に搭載されて車外環境をカラー撮像する撮像ユニットの露光量を制御する撮像ユニットの露光制御装置であって、
    前記撮像ユニットで撮像した画像中から所定の明るさの発光色で発光する発光部を有する物体を検出する発光物体検出部と、
    前記発光部に対して現在認識している発光色の成分の最大輝度が色相毎に設定した閾値を超えているか否かを判断する最大輝度判断部と、
    現在認識している発光色の成分の最大輝度が前記閾値を超えていると判断された場合には、前記撮像ユニットの露光量を減少させ、現在認識している発光色の成分の最大輝度が前記閾値を超えていないと判断された場合には、前記発光部の色成分の比率が前記発光部の色相を適正に認識可能な最大比率となるまで前記撮像ユニットの露光量を増加させる露光調整部と
    を備えることを特徴とする撮像ユニットの露光制御装置。
  2. 最大輝度判断部は、過去の所定フレーム数の画像から前記最大輝度を得ることを特徴とする請求項1記載の撮像ユニットの露光制御装置。
  3. 前記発光部は、赤、黄、緑の発光色で発光する信号機の信号灯であることを特徴とする請求項1又は2記載の撮像ユニットの露光制御装置。
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