JPH0785260A - ２次元センサ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高い汎用性および高い機能が得られるととも
に、たくさんのセンサを配設することが可能な２次元セ
ンサ装置を１つのＬＳＩ中に構成できるようにすること
を目的とする。 【構成】 複数個のセンサ８１の出力データを１個のプ
ロセッサ９１に供給し、上記１個のプロセッサ９１で複
数のデータ処理を行うようにすることにより、センサ８
１を配設する個数に対してプロセッサ９１の配設個数を
減らすことができるようにして、プロセッサ９１を設置
するのに必要な面積が少なくて済むようにし、２次元セ
ンサ装置を設計する際の設計的な自由度を向上させるこ
とができるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、視覚情報などの２次元
的情報を複数のセンサによって並列的に検出し、その検
出したデータを並列的に処理するための２次元センサ装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、２次元的な視覚情報の処理には、
視覚センサとしてのビデオカメラと画像処理装置との組
み合わせが用いられていた。このような装置は、画像検
査装置や視覚データを用いた制御装置などとして使用さ
れるが、視覚情報を高速に処理するために、ビデオカメ
ラから取り込んだデータを画像処理装置によって並列的
に処理することが行われる。

【０００３】ところで、高速化を達成するためには画像
処理だけでなく、その前段の視覚センサの速度も画像処
理の速度と同程度に高速化することによって、装置全体
としての高速化をはじめて達成できる。

【０００４】しかし、現状では視覚センサからのデータ
は、視覚センサからのデータの取り出しの段階で直列化
され、逐次的に外部へ送出されるようになされている。
このため、画像処理装置では３０フレーム／秒程度の速
度でしかビデオカメラから画像情報を受け取ることがで
きず、画像処理だけを並列化して高速化を行っても、装
置全体としての高速化には限界があった。同様のこと
は、触覚センサなどの他のセンサアレイについても当て
はまる。

【０００５】一方、上記ビデオカメラのセンサアレイが
視覚情報を検知した段階では、２次元データは並列に取
り込まれている。そして、上記並列に取り込まれた２次
元データを外部へ送出する段階で直列化して画像処理装
置へ送り、画像処理装置内で並列に処理を行うようにな
っている。

【０００６】そこで、センサ出力とプロセッサ入力とを
１対１に結合し、且つプロセッサが並列処理を行うよう
にすれば、プロセッサの個数に応じた高速化を図ること
ができる。しかし、このようにした場合はセンサとプロ
セッサとの結合のための配線をそのまま行うと、配線が
膨大なものになってしまうという問題がある。そこで、
１つのＬＳＩ上にセンサとプロセッサとを一組にして実
装すれば、配線が不要で、且つ非常に高速な視覚センサ
装置を構成することができる。

【０００７】このように、センサとプロセッサとを一体
化し、検出機能と処理機能とを並列的に行うようにした
視覚センサ装置は、過去にもいくつか開発された例があ
り、例えば、”C.Mead:Analog VLSI AND Neural System
s, Addison-Wesley(1989) ”に報告されている。

【０００８】しかし、これらのＬＳＩのほとんどは回路
が固定されており、決められた目的に使用されるように
作られている。したがって、１つのセンサの持つ機能は
１通りに限られており、また個々の用途に対して別々の
視覚センサ装置を開発する必要があるため、手間とコス
トがかかるという問題があった。

【０００９】これに対して、各プロセッサとして、プロ
グラムによって制御される汎用プロセッサを使用するよ
うにすれば、１つの視覚センサ装置で複数の機能を実現
したり、汎用プロセッサのプログラムを書き換えること
によって、異なる用途に使用したりすることができる。
この結果、個々の用途に対して別々の視覚センサ装置を
開発する手間が省け、高機能で低価格な視覚センサ装置
を提供することが可能となる。

【００１０】しかしながら、この汎用プロセッサを通常
のマイクロコンピュータのように多くのトランジスタを
使用して実現すると、視覚センサ装置の汎用性や機能を
向上させることができるが、このようにした場合には限
られたＬＳＩの面積に収まるセンサの数が減少し解像度
が劣化する問題が生じる。

【００１１】したがって、プロセッサの汎用的な機能を
維持しながら、より少ない数のトランジスタでプロセッ
サを実現すること必要となる。例えば、“石川：大規模
並列処理機構による視覚機能の工学的実現，理研シンポ
ジウム第１２回非接触計測と画像処理，１９９１年１０
月，（ｐ．１８左半分１３行目〜２１行目）”では、図
５に示すようなプロセッサが示されている。

【００１２】このプロセッサは、センサ１としてフォト
トランジスタを備え、出力として発光ダイオード３を備
えている。そして、６４×６４＝４０９６個のプロセッ
サ２をマトリックス状に配置した並列演算処理システム
において、センサ１とプロセッサ２とを１対１に接続
し、アーキテクチャを工夫することにより回路のコンパ
クト化を図り、１プロセッサエレメント当たり３３７ゲ
ートのプロセッサエレメント回路を実現している。しか
し、この回路規模ではまだ十分な集積度が得られていな
い。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】例えば、視覚センサ装
置においては、センサアレイとプロセッサアレイとを１
つのＬＳＩによって実現することより、高速、小型、軽
量、低価格、低消費電力などの効果が得られる。その
際、プロセッサアレイを構成する各プロセッサの回路規
模を小型化すればするほど集積度を高めることができ、
より高い解像度を有する視覚センサ装置を実現すること
ができる。

【００１４】すなわち、ＬＳＩ上においては、プロセッ
サの占有面積はセンサの占有面積に比較して相対的に大
きくなっていて、プロセッサの占有面積がＬＳＩの面積
を規定している。したがって、集積度を高めるにはプロ
セッサの回路規模を削減することが効果的である。しか
し、プロセッサの機能を保持したままでプロセッサの回
路規模を小型化するには限界があり、それ以上の小型化
を図るためにはプロセッサの機能を削減しなければなら
なかった。

【００１５】本発明は上述の問題点にかんがみ、高い汎
用性および高い機能が得られるとともに、たくさんのセ
ンサを配設することが可能な２次元センサ装置を限られ
た面積内に構成できるようにすることを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の２次元センサ装
置は、上述した課題を解決するために、２次元的に配置
された複数のセンサにより構成されるセンサアレイと、
上記複数のセンサからそれぞれ出力されるデータを受け
取り、これに所定のデータ処理を施すためのプロセッサ
が２次元的に配置されて構成されたプロセッサアレイと
を具備する２次元センサ装置において、上記プロセッサ
アレイを構成する各々のプロセッサに上記複数のセンサ
を接続するとともに、上記複数のセンサが接続された各
々のプロセッサに、他のプロセッサとの間でデータの授
受を行う通信手段と、上記複数のセンサから与えられる
データや上記通信手段を介して与えられる他のプロセッ
サからのデータに所定の演算処理を施す演算手段とを設
けている。

【００１７】

【作用】本発明の２次元センサ装置は、プロセッサアレ
イを構成する各々のプロセッサに複数のセンサを接続
し、複数のセンサからそれぞれ出力される複数の信号を
上記１つのプロセッサで処理するようにしているので、
センサの個数に対してプロセッサの個数を減少させるこ
とが可能となり、２次元センサ装置を形成する所定の領
域内において、上記減少させたプロセッサを形成するの
に必要な面積に相当する面積を自由に使用することがで
きるようになる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の２次元センサ装置の一実施例
について、図１および図２を参照しながら説明する。図
１は、本実施例による視覚センサ装置の概略構成を示す
ブロック図である。

【００１９】先ず、視覚センサ装置全体の構成を簡単に
説明する。図１において、８１はセンサ、８５は通信手
段、９１はプロセッサを示しており、４個のセンサ８１
の出力信号が１個のプロセッサ９１の入力端子に供給さ
れるように接続されている。なお、この実施例では、４
個のセンサ８１の出力信号を１個のプロセッサ９１の入
力端子に供給するようにした例を示したが、１個のプロ
セッサ９１に接続するセンサ８１の数は４個以外の数で
もよい。

【００２０】センサアレイ８０は、例えばセンサ８１を
１２８×１２８の格子状に並べたものからなる。また、
プロセッサアレイ９０は、例えば、プロセッサ９１を３
２×３２の格子状に並べたものからなっている。これら
のプロセッサ９１は、通信手段８５を介して近傍のプロ
セッサ９１と接続されており、図１には４近傍接続の例
が示してある。本実施例では、これらの構成の全てが１
つのＬＳＩ上に実現されている。

【００２１】ここで、センサアレイ８０のサイズは、１
２８×１２８以外の６４×６４や２５６×２５６などで
もよく、また、形状は正方格子以外でもよく、縦と横の
サイズが異なっていてもよい。また、プロセッサ９１間
のインターコネクションは４近傍接続以外の任意の数で
よい。

【００２２】図２は、図１のプロセッサ９１とそのプロ
セッサ９１に４個のセンサ８１を接続した例を示す構成
図である。図２（ａ）に示すように、４個のセンサ８１
からの出力される画像データはマルチプレクサ２０、Ａ
／Ｄ変換器３０を介してプロセッサ回路９１に入力され
る。

【００２３】この構成において、センサ８１からの出力
された画像データはサンプルホールド後にマルチプレク
サ２０に与えられ、所定の条件に従って選択される。そ
して、マルチプレクサ２０から出力された画像データ
は、Ａ／Ｄ変換器３０によりディジタルデータに変換さ
れた後、外部からの制御信号に従って、プロセッサ回路
９１に入力される。

【００２４】プロセッサ回路９１に入力された４個分の
画像データは、ここに設けられているレジスタ（図３参
照）に保管されるとともに所定の信号処理が施される。
これらの信号処理は、図１に示したように、１０２４個
のプロセッサ回路９１で構成されるプロセッサアレイ９
０で並列に処理される。

【００２５】４つのセンサ８１がプロセッサ９１内での
空間的配置例を、図２（ｂ）および図２（ｃ）に示す。
センサ８１はプロセッサ９１内の任意の位置に配置可能
であるが、通常は複数のプロセッサ９１をマトリックス
状に配置したときに、センサ８１が等間隔に配置される
ように、図２（ｂ）ではｂ＝ａ＋ｃ、ｅ＝ｄ＋ｆ、図２
（ｃ）ではｇ＝ｈ、ｉ＝ｊとなるようにセンサ８１をプ
ロセッサ９１内に配置するようにしている。

【００２６】本実施例においては、プロセッサ９１とし
て、プログラムによって制御される汎用プロセッサを用
いることにより、１つの視覚センサ装置でもって複数の
機能を実現できるようにするとともに、高機能な視覚セ
ンサ装置を低価格に構成できるようにしている。

【００２７】図３は、プロセッサ９１の一例を示す要部
のブロック図である。図３に示したように、このプロセ
ッサ９１は複数のレジスタ９２、乗算器および演算ユニ
ットなどから成る演算手段９３等によって構成されてお
り、複数のレジスタ９２はリード信号線９４およびライ
ト信号線９５との間に並列に接続されている。

【００２８】近傍のプロセッサ９１から入力される画像
データは、通信手段８５を介してリード信号線９４に与
えられる。また、このプロセッサ９１に接続されている
複数のセンサ８１から出力される画像データは、バッフ
ァ回路９６を介してリード信号線９４に与えられる。

【００２９】これらの画像データは、上述したように複
数のレジスタ９２に保管されるとともに、演算手段９３
によって所定の信号処理が施される。また、これらの画
像データは通信手段８５を介して近傍のプロセッサ９１
に出力される。このような画像データ処理動作および画
像データの送信動作は、上述したようにプログラムに従
って制御される。

【００３０】次に、本実施例の視覚センサ装置の動作を
説明する。センサアレイ８０で検出した画像データなど
の２次元データは、プロセッサアレイ９０へ送られる。
プロセッサアレイ９０を構成するプロセッサ９１は、外
部から順次送られるプログラムまたは命令に従って、送
られてきたデータを処理する。この場合、各プロセッサ
９１は通信手段８５を介して近傍のプロセッサ９１と通
信を行いながらデータの処理を行う。

【００３１】以上のような構成によって、視覚センサ装
置を実現しているので、４個のセンサ８１からの信号を
処理するときに、従来例では４個のプロセッサ９１が必
要であったが、この実施例では１個のプロセッサ９１で
よい。

【００３２】したがって、従来必要とされていたプロセ
ッサ９１の個数を、この実施例では１／４に削減するこ
とができ、プロセッサ９１の個数の減少に対応する領域
を有効に利用することにより、視覚センサ装置の高解像
度化、プロセッサ９１の高機能化を達成できる。例え
ば、プロセッサ９１に新たな処理機能回路を付加し、あ
る特定の演算処理を高速に実行するハードウエア回路を
プロセッサ９１内に取り込むことや、従来のように２値
処理ではなくグレイスケール処理などの機能を付加する
ことが可能となる。

【００３３】例えば、２近傍または４近傍のセンサ８１
への入力に対する論理演算によるエッジ検出、４近傍ま
たは８近傍の細線化処理、入力の時間微分による動物体
のエッジ検出、一定時間毎の入力情報の論理和による動
物体の軌跡の検出などが短時間で実行可能である。

【００３４】次に、本実施例の視覚センサ装置により実
現されるデータ処理の具体例を、図４のフローチャート
を参照しながら説明する。なお、図４は、不規則かつ高
速に運動する対象物を追従するような制御を行う場合に
ついての視覚センサ装置の動作を示したものである。

【００３５】図４において、ステップＰ１では、対象物
の位置と視覚センサ装置の向きとにより決定される画像
データを、センサアレイ８０による撮像によって取り込
む。そして、センサアレイ８０は、この撮像により得た
画像データを対象物画像データとしてプロセッサアレイ
９０に送出する。

【００３６】次に、ステップＰ２において、プロセッサ
アレイ９０は、その構成要素である例えば１０，０００
個のプロセッサ９１により、ステップＰ１においてセン
サアレイ８０により取り込まれた対象物画像データに超
高速に並列処理を施すことによって、対象物画像データ
の中から着目している対象物のデータを高速に検出す
る。

【００３７】そして、プロセッサアレイ９０は、このよ
うにして検出した対象物データの中から、追従しようと
する特徴点、例えば、四角形の特定の頂点などの存在分
布を表すデータを、並列処理された二次元データとして
変換装置１に送出する。つまり、１００個×１００個の
正方格子状に並べられた１０，０００個のプロセッサ
（４０，０００個のセンサ）のうち、特徴点を検出した
プロセッサは“１”を送出し、特徴点を検出しなかった
他のプロセッサは“０”を送出する。したがって、この
段階で、並列処理された二次元データは、１０，０００
個のデータから成っている。

【００３８】次に、ステップＰ３において、ＬＳＩ上に
設けられた変換装置（図示せず）は、プロセッサアレイ
９０から送られてくる対象物の特徴点の存在分布データ
をもとに、特徴点が存在する位置を表す位置情報を特徴
データとして抽出する。この場合、四角形の頂点の位置
を表す特徴データは、例えば、センサアレイ８０の中央
を基準としたＸ，Ｙ座標におけるＸ方向およびＹ方向の
位置を表す座標データになる。

【００３９】このようにして、変換装置は、１０，００
０個のデータから成る大量の二次元データを、座標デー
タという非常にデータ量が少ない特徴データに変換する
処理を行う。

【００４０】なお、変換装置では、このステップＰ３
で、複数の特徴点を抽出したのち、それらの特徴点の重
心を求める処理を行うようにしてもよい。これによって
求められる特徴データは、例えば、対象物の特徴点の重
心が一つであれば、重心のＸ方向およびＹ方向の位置を
表す２個のデータとなる。

【００４１】上述したステップＰ１〜ステップＰ３の処
理は、フィードバック制御が行われている間は繰り返
し、ステップＰ４においてフィードバック制御の終了が
確認されたときに処理が終了する。

【００４２】本実施例の視覚センサ装置は、プロセッサ
９１を設置する領域を広く確保することができるように
したので、プロセッサ９１に種々の機能を付加すること
ができる。したがって、上述したようにＬＳＩ上におい
て種々の処理を行うことが可能となり、高度な処理を極
めて高速に行うようにすることができる。

【００４３】ところで、視覚センサの場合、センサ８１
を設置する間隔が広すぎると、光学的な歪みや偽信号が
発生したりするため、用途によっては、センサ８１の間
の間隔をある値以下にする必要がある。そのため、本実
施例の視覚センサ装置のように、１つのプロセッサ９１
に複数のセンサ８１を接続してプロセッサ９１の個数を
削減することは、視覚センサ装置を視覚センサとして利
用するときには特に有効である。

【００４４】なお、１個のプロセッサ９１に接続するセ
ンサ８１の出力の個数は多ければ多いほど単位面積当た
りの画素数の大きい視覚センサ装置を構成できるが、１
個のプロセッサ９１に接続するセンサ８１の個数を多く
すると、各センサ８１からの信号を取り込むための時間
間隔が長くなるので、１個のプロセッサ９１に接続する
センサ８１の個数は用途、目的に応じて適切に選択する
必要がある。

【００４５】以上、本発明の一実施例につき説明した
が、本発明は上述の実施例に限定されることなく、本発
明の技術的思想に基づき各種の有効な変更が可能であ
る。例えば、上述の実施例では視覚センサについて説明
したが、本発明は圧力センサ、音響センサ、温度センサ
などのその他のセンサに適用可能である。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は所定のデ
ータ処理を施すプロセッサアレイを構成する各々のプロ
セッサに複数のセンサを接続し、１つのプロセッサで上
記複数のセンサからそれぞれ出力される複数の信号をそ
れぞれ処理するとともに、各プロセッサ間で通信を行う
ようにしたので、センサの個数に対してプロセッサの個
数を減少させることができ、上記減少させたプロセッサ
を形成するのに必要な面積に相当する面積を自由に使用
できるようにすることができる。

【００４７】したがって、例えば、ＬＳＩ上のように２
次元センサ装置を設置する箇所の大きさが規制されてい
る場合に、プロセッサの機能を削減することなしに、よ
り多くのセンサを配設したり、各プロセッサを実現する
回路規模を大きくして機能の向上や高速化を図るように
したりすることが可能となる。

【００４８】これにより、例えば、２次元情報を一度に
取り込んで並列的に高速処理するようにしたり、各プロ
セッサを実現する回路規模を大きくして、プロセッサの
機能を向上させたり、高速化を図ったりすることが可能
となる。

【００４９】さらに、従来の２次元センサ装置と比べて
少ないプロセッサで同一機能を実現できるので、駆動す
るトランジスタの数を減少させることができ、消費電力
を低減することができる。このことは、１つのＬＳＩの
内部に数千から数万個のプロセッサを実現する場合には
特に有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による２次元センサ装置の概
略構成図である。

【図２】本発明の一実施例による２次元センサ装置のプ
ロセッサの部分を示す概略構成図である。

【図３】プロセッサの一例を示す要部のブロック図であ
る。

【図４】視覚センサ装置により実現されるデータ処理の
具体例を示すフローチャートである。

【図５】従来の２次元センサ装置の概略構成図である。

【符号の説明】

２０ マルチプレクサ ３０ Ａ／Ｄ変換器 ８０ センサアレイ ８１ センサ ８５ 通信手段 ９０ プロセッサアレイ ９１ プロセッサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２次元的に配置された複数のセンサによ
   り構成されたセンサアレイと、上記複数のセンサからそ
   れぞれ出力されるデータを受け取り、これに所定のデー
   タ処理を施すプロセッサが２次元的に配置されて構成さ
   れたプロセッサアレイとを具備する２次元センサ装置に
   おいて、 上記プロセッサアレイを構成する各々のプロセッサに複
   数のセンサを接続するとともに、 上記複数のセンサが接続された各々のプロセッサに、他
   のプロセッサとの間でデータの授受を行う通信手段と、
   上記複数のセンサから与えられるデータや上記通信手段
   を介して与えられる他のプロセッサからのデータに所定
   の演算処理を施す演算手段とを設け、 上記複数のセンサからそれぞれ出力されるデータを並列
   処理方式により処理するようにしたことを特徴とする２
   次元センサ装置。