JPH10960A - 運転者監視装置 - Google Patents

運転者監視装置

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JPH10960A
JPH10960A JP8151143A JP15114396A JPH10960A JP H10960 A JPH10960 A JP H10960A JP 8151143 A JP8151143 A JP 8151143A JP 15114396 A JP15114396 A JP 15114396A JP H10960 A JPH10960 A JP H10960A
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JP
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driver
face
data
bright spot
inclination
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JP8151143A
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Masato Nakajima
真人 中島
Kazuyuki Sasaki
佐々木一幸
Naoto Ishikawa
直人 石川
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Yazaki Corp
Original Assignee
Yazaki Corp
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Publication date
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    • G08BSIGNALLING SYSTEMS, e.g. PERSONAL CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
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    • G08B21/02Alarms for ensuring the safety of persons
    • G08B21/06Alarms for ensuring the safety of persons indicating a condition of sleep, e.g. anti-dozing alarms
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    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60NSEATS SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLES; VEHICLE PASSENGER ACCOMMODATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B60NSEATS SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLES; VEHICLE PASSENGER ACCOMMODATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 車両への取り付けを考慮して、性能・信頼性
・安全性が確保され、運転者の運転の支障になることな
く簡易な運転者監視装置を提供する。 【解決手段】 直交して重ねた2枚のファイバグレイテ
ィングを有するパターン光投光手段Zが運転者の顔に投
影した輝点パターンを撮像手段4が撮像する。撮像して
得た画像をデータ処理手段6が処理して運転者の顔をサ
ンプリングし、各サンプリング点の3次元位置データを
求め、この3次元位置データを処理して運転者の顔の上
下、左右、斜めの傾きを求める。顔の傾きによって運転
者が危険な状態にあるかどうかを判定手段62が判定す
る。警告手段8,9が危険状態となったとき運転者に警
告を行う。一体化されてパターン光投光手段及び撮像手
段が車両のステアリングコラム上に設置される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は運転者監視装置に係
り、特に、運転者の脇見や居眠りなどの危険な状態での
運転を監視する運転者監視装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、運転者の脇見や居眠りなどの異常
運転状態を検出する方法として、運転者の生態的な現象
をセンシングすることによって検出する方法がある。こ
の方法のなかには生体信号を用いる方法と身体的反応を
用いる方法とがある。前者の場合、脳波、皮膚電位、心
拍などの生体信号を運転者から直接導いて観察するので
精度がよくできる可能性があるが、センサの装着が必要
なため、運転者にとって煩わしいという欠点がある。こ
れに対し、後者の場合、運転者の頭の動き、姿勢の変化
などを観察すればよいので、運転者にセンサを装着する
必要がないが、挙動から間接的に判断するため精度の向
上が問題となっている。また、この他に運転者の閉眼発
生頻度の変化を観察するものもある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、車両にシステ
ムを実装する場合を考えたとき、システムは次のような
条件、すなわち、装置が簡易であること、装置の性能・
信頼性・安全性が確保されていること、運転者の運転の
支障にならないことを考慮に入れなければならない。
【0004】以上の条件を考慮したとき、実際に有効で
あるものと考えられるのは、運転者の身体的反応をセン
サの装着なしに観察するもので、ほとんどの場合、画像
処理によって検出することになる。運転者にセンサの装
着を必要とせずに、顔の3次元情報を取得し、運転者の
顔の向きを検出することによって、運転者の居眠り・よ
そ見といった運転者の危険な状態を検知することが必要
である。
【0005】よって本発明は、上述した状況に鑑み、車
両への取り付けを考慮して、性能・信頼性・安全性が確
保され、運転者の運転の支障になることなく簡易な運転
者監視装置を提供することを課題としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明により成された請求項1記載の運転者監視装置
は、図1の基本構成図に示すように、運転者の顔に輝点
パターンを投影するパターン光投光手段Zと、運転者の
顔に投影した前記輝点パターンを撮像する撮像手段4
と、該撮像手段によって撮像して得た画像を処理し運転
者の顔をサンプリングし、各サンプリング点の3次元位
置データを求め、該求めた3次元位置データを処理して
運転者の顔の傾きを求めるデータ処理手段61と、該デ
ータ処理手段により求めた顔の傾きによって運転者が危
険な状態にあるかどうかを判定する判定手段62と備え
ることを特徴としている。
【0007】上記構成において、パターン光投光手段Z
が運転者の顔に投影した輝点パターンを撮像手段4が撮
像し、撮像手段によって撮像して得た画像をデータ処理
手段61が処理して運転者の顔をサンプリングし、各サ
ンプリング点の3次元位置データを求め、この3次元位
置データを処理して運転者の顔の傾きを求める。そし
て、データ処理手段により求めた顔の傾きによって運転
者が危険な状態にあるかどうかを判定手段62が判定す
るようになっている。
【0008】以上のように、運転者が危険な状態にある
かどうかを判定するために、運転者の顔に投影した輝点
パターンにより、運転者の顔のサンプリング点の3次元
位置データを利用して運転者の顔の傾きを求めるように
しているので、サンプリング点はあらくてもよく、また
運転者の顔に輝点パターンを投影でき、かつ投影された
輝点パターンを撮像できる場所にパターン光投光手段Z
と撮像手段4とを設置するだけで装着できる。
【0009】上記課題を解決するため本発明により成さ
れた請求項2記載の運転者監視装置は、図1の基本構成
図に示すように、請求項1記載の運転者監視装置におい
て、前記判定手段による判定の結果、危険状態となった
とき運転者に警告を行う警告手段8,9をさらに備える
ことを特徴としている。
【0010】上記構成において、危険状態になったこと
を警告手段が運転者に警告するようになっているので、
居眠りや脇見によって運転者の顔が傾いたときには、運
転者に対して行う警告によって、運転者を覚醒させた
り、あるいは、運転者に注意を喚起させることができ
る。
【0011】上記課題を解決するため本発明により成さ
れた請求項3記載の運転者監視装置は、図1の基本構成
図に示すように、請求項1又は2記載の運転者監視装置
において、前記データ処理手段が、前記パターン光投光
手段が運転者の顔の背後の基準平面に輝点パターンを投
影したときに得られるサンプリング点に相当する参照デ
ータを格納する記憶手段7を有し、該記憶手段に格納し
た参照データのサンプリング点に対する前記運転者の顔
のサンプリング点の移動量を求め、該求めた移動量に基
づいて前記運転者の顔の各サンプリング点の3次元位置
データを求めることを特徴としている。
【0012】上記構成において、運転者の顔に投影した
輝点パターンを撮像することによってサンプリングした
点が参照データの対応する点からどの程度移動している
かによって3次元位置データを求めているので、この3
次元位置データの変化によって簡単に運転者の顔の傾き
を求めることができる。
【0013】上記課題を解決するため本発明により成さ
れた請求項4記載の運転者監視装置は、図1の基本構成
図に示すように、請求項1〜3のいずれかに記載の運転
者監視装置において、前記データ処理手段が、前記3次
元位置データを処理して運転者の顔の上下の向きの傾き
角度を求め、前記判定手段が、前記データ処理手段によ
り求めた顔の傾き角度が所定値以上でかつ所定時間以上
継続したとき危険状態と判定することを特徴としてい
る。
【0014】上記構成において、運転者の顔の上下の向
きの傾き角度を求めているので、平常の運転のできない
ような角度のとき、その状態が所定時間以上継続したと
きには居眠り状態に入る前兆と判断できる。
【0015】上記課題を解決するため本発明により成さ
れた請求項5記載の運転者監視装置は、図1の基本構成
図に示すように、請求項1〜4のいずれかに記載の運転
者監視装置において、前記データ処理手段が、前記3次
元位置データを処理して運転者の顔の左右の向きの傾き
角度を求め、前記判定手段が、前記データ処理手段によ
り求めた顔の傾き角度が所定値以上でかつ所定時間以上
継続したとき危険状態と判定することを特徴としてい
る。
【0016】上記構成において、運転者の顔の左右の向
きの傾き角度を求めているので、平常の運転のできない
ような角度のとき、その状態が所定時間以上継続したと
きには脇見状態にあると判断できる。
【0017】上記課題を解決するため本発明により成さ
れた請求項6記載の運転者監視装置は、図1の基本構成
図に示すように、請求項1〜5のいずれかに記載の運転
者監視装置において、前記データ処理手段が、前記3次
元位置データを処理して運転者の顔の斜めの傾きの角度
を求め、前記判定手段が、前記データ処理手段により求
めた顔の傾き角度が所定値以上でかつ所定時間以上継続
したとき危険状態と判定することを特徴としている。
【0018】上記構成において、運転者の顔の斜めの傾
き角度を求めているので、平常の運転のできないような
角度のとき、その状態が所定時間以上継続したときには
居眠り状態あるいは運転者の疲れや肩こりをほぐすため
に顔を振った状態と判断できる。
【0019】上記課題を解決するため本発明により成さ
れた請求項7記載の運転者監視装置は、図1の基本構成
図に示すように、請求項1〜6のいずれかに記載の運転
者監視装置において、前記パターン光投光手段が、光源
からの光を入力し、この入力した光により監視領域に輝
点マトリクスを投影する直交して重ねた2枚のファイバ
グレイティングを有することを特徴としている。
【0020】上記構成において、パターン光投光手段が
2枚のファイバグレイティングを直交して重ねた簡単な
構成であるので構成が簡単で制作が容易で、しかも輝点
パターンとして輝点マトリクスを投影するための投光手
段として使いやすい。
【0021】上記課題を解決するため本発明により成さ
れた請求項8記載の運転者監視装置は、図1の基本構成
図に示すように、請求項1〜7のいずれかに記載の運転
者監視装置において、前記パターン光投光手段及び前記
撮像手段が一体化されて車両のステアリングコラム上に
設置されたことを特徴としている。
【0022】上記構成において、一体化されてパターン
光投光手段及び撮像手段が車両のステアリングコラム上
に設置されるので、運転者の顔を正面から見たときの3
次元位置データを容易に得られる。
【0023】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図2は本発明による運転者監視装
置の一実施の形態を示すブロック図である。同図におい
て、運転者監視装置は、レーザ光源1と、レーザ光源1
を駆動するレーザ光源駆動装置2と、レーザ光源1から
のレーザ光1aを入力し、この入力したレーザ光1aに
より監視領域に輝点マトリクスを投影するパターン光投
光素子3とを有する。レーザ光源1と、レーザ光源駆動
装置2と、パターン光投光素子3とは、運転者の顔に輝
点パターンを投影するパターン光投光手段Zを構成して
いる。
【0024】同図において、運転者監視装置はまた、運
転者の顔に投影した輝点マトリクスからなる輝点パター
ンを撮像する撮像手段としてのCCDカメラ4と、CC
Dカメラ4から得られる映像信号を一時的に蓄えるフレ
ームメモリ5と、予め定めたプログラムに従って動作す
るコンピュータによって構成されるデータ処理部6と、
所定位置に設置したスクリーンに投影したときに得られ
る輝点マトリクスの画像データを参照データとして予め
記憶した参照データ記憶部7と、運転者への危険を警告
する警報音を発するブザーや、運転者への危険を警告す
る警報メッセージを発するスピーカなどの発音手段8
と、運転者への危険を警告する警報表示などを行う表示
器9とを備えている。
【0025】上記パターン光投光素子3としては、図3
(a)に示すように、2枚のファイバグレイティング
(FG)31を直交して重ねたものが使用される。各F
G31は、直径20μmから50μm程度の光ファイバ
を約100本シート状に並べた位相分布型の回折格子で
ある。図4(a)に示すように、このFG31にレーザ
光1aが垂直入射されると、光ファイバ一本一本がそれ
ぞれシンドリカルレンズとして作用し、同図(a)に示
すように、レーザ光1aはファイバの焦点で集光した
後、多数の球面波となり干渉しつつ広がっていき、その
結果投影面には同図(b)に示すように一定の間隔で輝
点が投影されて回折パターンが形成される。なお、FG
31を2枚直交して重ねた場合には、図3(b)に示す
ように、FG31後方の平面状の投影面には正方格子状
に輝点マトリクス14が投影される。FG31は構成が
簡単であるため制作が容易であること、微小幅のスリッ
ト列15(図4(a))と見なすことができること、回
折光の強度分布が高次まで一様であることから、観察領
域に輝点マトリクスを投影するための投光素子として使
いやすいという利点がある。
【0026】FG31はCCDカメラ4とともに一体化
されて視覚センサ部を構成し、図5の正面図(a)及び
側面図(b)に示すように、視覚センサ部10は車両の
ステアリングコラム11上に設置され、このことで運転
者Dの顔Fを正面方向から見た場合の3次元位置計測を
行う。しかし、センサ部の設置位置はステアリングコラ
ム上に限らず、顔の3次元位置を検出し易い場所であれ
ば、他の場所に設置することも可能である。
【0027】以上の構成により、パターン光投光素子3
により監視領域に投影された輝点マトリクス14がCC
Dカメラ4によって撮像され、CCDカメラ4から得ら
れる映像信号はフレームメモリ5に一時的に蓄えられた
後、データ処理部6に取り込まれる。データ処理部6
は、フレームメモリ5から得られる画像データと、参照
データ記憶部7に予め記憶された参照データとを比較す
ることによって、CCDカメラ4のイメージプレーン上
での輝点の移動量を求める。
【0028】図2の運転者監視装置の光学配置は図6に
示すようになっており、CCDカメラ4のレンズ4aを
原点とする座標系(x1 ,y1 ,z1 )において、FG
が(0, d, 0)、CCDカメラ4のイメージプレーン
4bが(0,0,l)にそれぞれ配置される。この光学
配置において、顔の3次元データの取得のために輝点が
顔に投影された場合、図中のa及びbに示すように、イ
メージプレーン4b上では輝点が一定の方向に移動す
る。この際、輝点の3次元位置(x,y,z)は、イメ
ージプレーン4b上での輝点の移動量δを用いて基準平
面PL上に原点を持つ座標系(x,y,z)において次
式(1)〜(3)によって与えられる。イメージプレーン4b
のu,v座標上のaは基準平面PLに輝点が投光された
場合の点で、つまりaの座標(ua ,va )は参照デー
タである。bは輝点が運転者の顔にあたった場合の点
で、aからδ移動している。
【0029】
【数1】
【0030】ここで、hは基準平面PLからレンズ4a
までの距離、dはFGとレンズとの中心間距離、lはレ
ンズ4aとイメージプレーン4bとの距離を示す。
【0031】FGにより取得される3次元情報は、FG
により投影される各輝点の基準位置(観察領域内に顔が
ない場合の輝点の位置)からの移動量より、輝点の高さ
を求めるものであるため、まずイメージプレーン4b上
での各輝点の位置を求める必要がある。イメージプレー
ン4b上における各輝点は、数ピクセルの大きさがある
ため、各輝点の位置は、輝点の重心座標を用いる。
【0032】輝点の移動量は、基準平面PLに投影され
た場合の対応する輝点からの距離である。従って、図7
(a)〜(c)に示されるように、基準平面PL上の輝
点に対応する参照データとしての基準面データ(a)
と、顔上の輝点に対応する顔のデータ(b)とに基づい
て、互いに対応する輝点の移動量(c)を求めることが
できる。以下、移動量が検出される輝点を移動スポット
と呼ぶ。また、基準平面PLに投影された輝点投影画像
を基準画面像、その画像中の輝点を基準スポットと呼
び、その画像中の位置を(ui ,vi )とする。この際
iは輝点番号を示し、基準画面像において予めナンバリ
ングしておく。
【0033】データ処理部6は、基準スポットからの移
動量δを求めたら、このδを使用して顔の3次元座標位
置(x,y,z)を算出する。このように得られた3次
元データは、以後の処理を簡単にするために、計測され
たデータを用いてサンプリング点を正方格子上に並ぶよ
うに線形補間を用いてリサンプリングが行われる。デー
タ処理部6はまた、上述のようにして得られた顔の3次
元情報を用いて、運転者の顔の向きを検出し、この検出
した運転者の現在の顔の向きにより、運転者の危険を判
定して警報を発する。
【0034】以上概略説明した運転者監視装置のデータ
処理部6における処理は、大別して、図8及び図9のフ
ローチャートに示す参照データの作成処理と運転者監視
処理とからなる。
【0035】まず、参照データの作成処理を図8のフロ
ーチャートを参照して説明する。図示フローチャートに
示すように、ステップS1において、運転者はいない状
態で輝点パターンをスクリーン上に投光してCCDカメ
ラ4が撮像して出力する輝点マトリクスの画像信号を入
力し、これを例えば512×512ピクセル、輝度0〜
255階調の画素データに変換してフレームメモリ5に
一時的に蓄える。フレームメモリ5に一時的に蓄えられ
た画素データは、ステップS2において、まず輝点抽出
を行う。その後、ステップS3において、輝点重心の座
標位置を決定する処理を行い、これを参照データとして
参照データ記憶部7に記憶させる。
【0036】上記ステップS2の輝点抽出処理は、まず
フレームメモリ5の各画素データについて、画素の階調
値が予め設定されたしきい値より大きければその値を残
し、小さければその画素の階調値を0にする。以上の処
理を1画素づつずらして全ての画素について行い、この
処理によって、図10に示すような画素のかたまり(輝
点)が抽出される。
【0037】なお、各輝点間の輝度の差が大きく、固定
のしきい値では輝点の抽出ができない場合には、図11
に示すようなある画素を中心にしたm×nピクセルの窓
内の輝度平均値を求め、この平均値をしきい値としてそ
の画素を残すか否かを決定し、他の画素についても同様
の処理でしきい値を求めて、画素毎に異なるしきい値で
輝点を抽出する。
【0038】次に、上記ステップS3の輝点重心の座標
位置を決定する処理について説明する。この決定処理に
おいては、図12に示すような輝点の重心座標(U,
V)を輝点内の各画素の輝点の座標から輝点の重み付け
た重心位置を求める。上述の処理を行うことにより、図
13に示すように、各輝点のNo. に対する輝点重心座標
からなる最終基準輝点データ(参照データ)が得られ、
これが参照データ記憶部7に記憶される。データ処理部
6は、基準平面PLであるスクリーンに投影された輝点
パターンを撮像したCCDカメラ4からの画像信号によ
る画像データから各輝点座標を含む参照データを作成す
る手段として働く。
【0039】上記説明ではセンサ部10をステアリング
コラム上に設置し、スクリーンを運転者のヘッドレスト
周辺に設置した状態を示した。しかし、実際に車両にセ
ンサ部を設置しなくても、幾何学的に類似な状態であれ
ば、車両において、参照データ収集を行わなくても良
い。
【0040】上記運転者監視処理においては、図9のフ
ローチャートに示すように、まずステップS11におい
て参照データ記憶部7から参照データを取り込む処理を
行う。そして、続くステップS12において、輝点パタ
ーンを運転者の顔に投光してCCDカメラ4が撮像して
出力する輝点マトリクスの画像信号を入力し、これを例
えば512×512ピクセル、輝度0〜255階調の画
素データに変換してフレームメモリ5に一時的に蓄え
る。フレームメモリ5に一時的に蓄えられた画素データ
は、ステップS13において、移動輝点の抽出と輝点移
動量の算出を行う。その後、ステップS14において、
移動輝点の3次元座標位置の算出を行ってからステップ
S15に進んでステップS14で算出した3次元座標位
置に基づいて正方格子上の各格子点の3次元座標位置を
算出する、いわゆるリサンプリングを行う。
【0041】続いて、ステップS16において顔部分の
3次元座標データの抽出を行い、次のステップS17に
おいてステップS16において抽出した顔の3次元座標
データに外接四角形を当てはめを行ってからステップS
18に進んで前後、左右、斜めの傾きを算出する。そし
て。ステップS19において、ステップS18で算出し
た傾きなどに基づいて危険な状態であるか否かを判定
し、この判定がN0のときには上記ステップS12に戻
って上述の処理を繰り返し行う。ステップS19の判定
がYESのときにはステップS20に進んで発音手段8
や表示器9を介して運転者に警報を発してから上記ステ
ップS12に戻る。
【0042】以上の図9のフローチャートの説明から明
らかなように、データ処理部6は、CCDカメラ4によ
って撮像して得た画像を処理し運転者の顔をサンプリン
グし、各サンプリング点の3次元位置データを求め、該
求めた3次元位置データを処理して運転者の顔の傾きを
求めるデータ処理手段61としての他、求めた顔の傾き
によって運転者が危険な状態にあるかどうかを判定する
判定手段62として働いている。
【0043】上記ステップS13における移動輝点の抽
出処理及び移動量算出処理、ステップS14における移
動輝点の3次元座標位置の算出処理は、具体的には、以
下の手順で行う。 処理1.まず、輝点投影画像から輝点部分の画素を抽出
する。しかし、顔に投影された輝点の輝度は、頬の部分
では明るく、鼻のわきの部分では暗いといったように顔
の各部分によってまちまちであるため、一定のしきい値
処理では、輝点構成画素を抽出することは困難である。
そこで、図14(a)に示されるような監視領域内の輝
点投影画像の一走査線上の輝点をしきい値と比較して輝
点を抽出するに当たって、しきい値を固定することなく
着目画素の周囲の画素を考慮した、図14(b)に示さ
れるような浮動しきい値処理によって、図14(c)に
示されるように輝点構成画素以外の画素の輝度値を0に
する。ここでは、着目画素近傍15×15画素における平均
輝度値を計算し、その値をもとに着目画素のしきい値処
理を行う。
【0044】処理2.座標位置(uj ,vj )での画素
の輝度値B(uj ,vj )が0である場合は、処理3を
行い、それ以外の場合は処理4に進む。輝度値B(uj
,vj )が0という事は輝点が座標位置(uj ,vj
)から大きく移動した事を意味する。その場合、処理
3にて移動した輝点を抽出する。
【0045】処理3.図15に示されるように、イメー
ジプレーン4b上における基準スポットiの可動範囲
(四角の太枠内)を走査することにより、0ではない輝
度値を持つ画素の位置を検出する。
【0046】処理4.輝点iの可動範囲内において0で
ない輝度値を持つ画素Ij について、u,vの1次モー
メントの加算和SUM -u及びSUM -vと0次モーメント加
算和SU -Bを次式(4)〜(6)により求める。
【0047】
【数2】
【0048】処理5.輝点の重心の位置gi (u'i,
v'i)を次式(7)により求める。
【0049】
【数3】
【0050】処理6.輝点iの移動量δi を次式(8)に
より求める。
【0051】
【数4】
【0052】ここで(ui ,vi )は基準画像における
輝点iの座標位置、(u'i,v'i)は計測時の輝点iの
座標位置である。
【0053】なお、図6に示す幾何学的配置においては
輝点はu方向にしか移動しない。しかし(8)式ではあえ
てv方向の移動(レンズ収差等により発生)も求め、移
動量算出に使用している。よって、ここはu方向のみの
移動量を輝点移動量としても良い。
【0054】処理7.入力輝点投影画像の全ての輝点に
対して、上述の処理2〜6を行う。この処理によって基
準スポットからの移動量δが求められ、このδを使用し
て上式(1)〜(3)から顔の3次元座標位置(x,y,z)
が算出できる。
【0055】上述した輝点パターンを投影する技術を使
用して得られる輝点投影画像は輝点マトリクスにより粗
くサンプリングされていること、場所により輝点の輝度
が異なっていて、単純なしきい値処理によって輝点構成
画素を検出することは困難であることがわかる。視覚セ
ンサ10では、機械的な走査なしにこの1枚の輝点投影
画像より3次元データが生成される。
【0056】輝点の重心画像は、輝点投影画像を先に述
べた浮動しきい値処理により輝点構成画素を抽出して得
られ、浮動しきい値処理により、輝度の異なる輝点も正
確に抽出される。
【0057】ところで、ステップS15のリサンプリン
グは、視覚センサ10により得られる3次元データが、
視覚センサ10を構成するFG31及びCCDカメラ4
と顔との位置関係によって、図16(a)に示すように
X軸に対して、サンプリング点が傾斜している場合(図
16(a)では約20度回転)に必要となる。この場合
X軸と平行にサンプリング点が存在しないことになり、
以後の処理を簡単にするために、計測されたデータを用
いてサンプリング点をX−Y平面上で図16(b)に示
す様に正方格子上に並ぶようにリサンプリングを行う。
このリサンプリングの方法には、線形補間を用いる。
【0058】以上の手順にて得られた顔の3次元データ
からは、鼻の形状など大まかな顔の形状が表わされてい
る。視覚センサ10は空間を粗くサンプリングするため
に空間分解能が低下する反面、機械的な走査なしに、1
枚の輝点投影画像上の輝点の可動範囲を走査することに
よって、距離データを高速に獲得することができる。
【0059】上述のようにして視覚センサ10により得
られた顔の3次元情報を用いて、運転者の顔の向きを検
出するためのステップS16〜ステップS18の処理
は、具体的には以下のように行う。
【0060】ところで、顔の向きは、図17に示すよう
に、 1.左右の耳を貫く直線を軸とした向き(X軸周り)
(a) 2.顎から頭の頂点を貫く直線を軸とした向き(Y軸周
り)(b) 3.後頭部から鼻の頂点を貫く直線を軸とした向き(Z
軸周り)(c) の3方向で表すことができる。よって、この3方向それ
ぞれについて運転者の顔の向きを検出すれば、現在の運
転者の顔の向きを検出することができる。
【0061】上述のように視覚センサ10により取得さ
れた3次元データは、顔の3次元情報だけでなく、運転
者の肩や車のシートといった3次元情報も得られてしま
う。運転者の顔の向きを検出するためには、この様な顔
以外の3次元情報は必要としない。そこで、取得される
3次元データの中から顔の情報のみを抽出する必要があ
る。以下、ステップS16における顔のみの情報を抽出
する具体的な方法の一例を示す。
【0062】まず、人の顔の形状について考える。人の
顔は、ほおや額などといった大まかな部分は、なめらか
な傾斜になっている。一方、顎の下や首は傾斜がやや大
きくなる。そこでリサンプリングに得られた3次元デー
タの各点(正方格子の各格子点の3次元データ)におけ
る法線ベクトルの傾きを考える。法線ベクトルの傾き
は、格子点の法線ベクトルが基準平面PLとなす角度を
いい、法線ベクトルがz軸方向を示すときが最大値90
°となる。ほおや額といった傾斜がなめらかな部分は、
法線ベクトルの傾きが大きく、顎の下や首といった部分
は、法線ベクトルの傾きが小さくなる。
【0063】そこで、まず取得された3次元データの中
で法線ベクトルの傾きが大きい部分を抽出する。その結
果は図18(a)のようになる。次に、X方向、Y方向
それぞれのプロジェクションをとる。このプロジェクシ
ョンでは、各格子点の(x,y,z)座標におけるZ値
について、x方向,y方向に累積した値を算出する。例
えば、1列に並んだ格子点 のZ値の累積がy方向プロ
ジェクションの1つの値となる。同様に他の列について
も累積値を求める事で図18(b)に示すy方向プロジ
ェクションが求められる。x方向プロジェクションにつ
いても同様である。その結果は、図18(b)のよう
に、このプロジェクションによりしきい値処理をするこ
とにより首や肩などの必要としない3次元データを削除
することで顔部分の3次元座標データの抽出が行われ
る。
【0064】これにより抽出された3次元データは、運
転者の顔の情報だけとなる。この抽出された顔の3次元
データに対して、ステップS17において外接四角形を
当てはめ、ステップS18における傾きの算出を行うた
めに、図19のように3つの領域に分割する。中央の領
域には、運転者の鼻の部分が入るように設定する。中央
の領域は、縦方向に例えば8cmとしている。以後、外
接四角形を分割した3つの領域を上から順に領域1、領
域2、領域3と呼ぶ。
【0065】まず、ステップS18において、運転者の
X軸周り(上下)の顔の向きを検出する具体的な方法の
一例について説明する。ここでは、図20(a)のよう
に、先に当てはめた外接四角形の領域1と領域3の高さ
の変化に注目する。例えば、運転者の顔が前方に傾いた
場合、図20(b)にようになる。このとき、運転者の
額の部分、すなわち領域1の部分の高さは平常状態の場
合よりも高くなる。また、顎の部分、すなわち領域3の
部分の高さは平常状態の場合よりも低くなる。このよう
に、運転者の顔が前方、あるいは後方に傾いた場合、顔
に当てはめた外接四角形の領域1の部分の高さと領域3
の部分の高さに変化が現われる。そこで、領域1の部分
と領域3の部分のそれぞれの高さの平均値に注目し、各
領域の高さの平均値を結ぶベクトルとY軸との角度θを
運転者のX軸周り(上下)の顔の傾きとして決定する。
これにより、運転者が前方または後方へ傾いた場合、初
期状態(平常状態)からの前方または後方への傾きの変
化を取得することができる。
【0066】次に、ステップS18において、運転者の
Y軸周り(左右)の顔の向きを検出する具体的な方法の
一例について説明する。ここでは、当てはめた外接四角
形の領域2に注目する。領域2には、鼻の部分が入って
いるので、この領域2についてY軸方向のプロジェクシ
ョンを行うと図21(a)のように鼻のある部分が最も
高くなる。このピーク位置で鼻の大まかな位置が分か
り、この鼻の位置を顔のY軸周り(左右)の向きとして
検出することができる。しかし、顔が大きく横を向いた
場合、図21(b)のようにプロジェクションのピーク
が2つ存在してしまう。これは、ほおの部分が前に出て
来るため、Y軸方向の高さの積分値が鼻を含む部分より
も高くなってしまうからである。このように、ピークが
2つある場合、正しく鼻の部分を選ぶ場合と誤って頬の
部分を選ぶ場合があり、正しく顔の向きを検出できない
結果となってしまう。
【0067】そこで、ピークが複数現れた場合、図21
(c)のようにそのピーク付近での小領域を考える。そ
れぞれの小領域を領域a、領域bとする。このとき、ど
ちらかの領域には鼻が含まれていることになる。鼻が含
まれている領域では、鼻の凹凸により傾斜の変化が大き
くなっている。一方、頬の部分の領域では、なめらかな
傾斜になっている。そこで、それぞれの領域(領域a,
領域b)の法線ベクトルの傾きの分散値に着目する。先
に述べたように、鼻を含む領域では、傾斜の変化が大き
いため法線ベクトルの傾きにはばらつきがあり、法線ベ
クトルの傾きの分散値は、大きくなる。一方、頬を含む
領域ではなめらかな傾斜のため法線ベクトルの傾きには
ほとんどばらつきがなく、法線ベクトルの傾きの分散値
は、小さくなる。したがって、領域aと領域bにおい
て、法線ベクトルの傾きの分散値を比較し、分散値が大
きい方の領域に含まれるピークをとることにより正しい
ピークの位置が検出される。
【0068】そして、図21(d)は上から見た図であ
るが、このように、検出された鼻の位置と頭の重心を結
ぶベクトルの角度θをY軸周り(左右)の顔の傾きとし
て決定する。これにより、運転者が外観に目を奪われた
り、助手席の人物との会話などで、よそ見をした場合、
初期状態(平常状態)からのY軸周り(左右)の顔の向
きの変化が検出できる。ただし、ここでは回転軸を固定
して考えている。回転中心は、個人差もありまた状況に
より異なってしまうためである。
【0069】最後に、ステップS18において、Z軸周
りの顔の向きを検出する具体的な方法の一例について説
明する。ここでは、顔の形はほぼ楕円であると考え、顔
に当てはめた外接四角形中の高さを持った点に対して図
22(a)に示すように慣性等価楕円をあてはめる。そ
して、図22(b)のように、この楕円の長軸の傾き
を、Z軸周りの顔の傾きとする。ここで、慣性等価楕円
は、2次元平面上に存在する質点群の慣性主軸を長軸と
し、慣性主軸に関する慣性モーメントが等価な楕円板で
ある。以下に慣性等価楕円の長軸の傾きの求め方を示
す。
【0070】1.高さを持つ点のイメージプレーン4b
上での座標(u,v)に関する0次モーメントをm00、
1次モーメントをm01、m10、2次モーメントをm20、
m11、m02として、これらを次式により求める。ここで
g(u,v)はイメージプレーン上の座標(u,v)に
位置する輝点の基準平面PLからの高さを示す。
【0071】
【数5】
【0072】2.高さを持つ点群の重心G(Ug ,Vg
) は次式(15)により求める。
【0073】
【数6】
【0074】3.慣性主軸の傾きθは次式(16)により求
める。
【0075】
【数7】
【0076】ここで、M20、M11、M02 は重心Gの周
りの2次モーメントであり、次式によって計算される。
【0077】
【数8】
【0078】以上で求まった慣性主軸の傾きθをZ軸周
りの顔の傾きとして決定する。これにより、運転者が疲
れや肩のこりをほぐすために顔をふった場合の顔の向き
の検出ができる。
【0079】以上の処理により、運転者の現在の顔の向
きが検出できる。以下では、ステップS19における運
転者の危険の判定方法について述べる。
【0080】運転者がよそ見をした場合、Y軸周り(左
右)の顔の向きを検出した角度が大きく変化する。しか
し、Y軸周り(左右)の向きは、運転者がサイドミラー
を確認した場合にも変化がでるため、検出された角度が
大きいからといってそのまま危険な状態とは言いがた
い。そこで、前フレームで検出した顔の傾きの情報を用
いて運転者の状態を判断することにする。数フレームに
わたって、検出された角度がしきい値以上であれば危険
であるとする。ここで、しきい値は例えば±7度とす
る。高速道路を走行している場合、2秒以上のよそ見
は、非常に危険であると考えられる。よって、検出され
た角度がしきい値以上の状態で例えば2秒以上続いた場
合は、運転者の状態が危険であるとする。
【0081】次に、運転者が居眠り状態に陥った場合、
筋肉の緊張度が低下し、頭部を支える僧帽筋が弛緩し、
運転者の顔が前方あるいは後方へ傾くことが知られてい
る。そこで、運転者の危険状態は、前フレームの情報を
用いて、運転者の顔のX軸周り(上下)の顔の傾きが、
しきい値より大きい状態で例えば2秒以上続いた場合、
危険とみなす。ここでしきい値は、例えば±7度とす
る。
【0082】最後に、Z軸周りの動きに関してである
が、この状態でも検出される角度が大きい状態が続くと
いうことは、顔を斜めに傾けて運転していることになる
ので、危険であるとする。ここで、しきい値を例えば±
15度として、しきい値以上の状態が例えば2秒以上続
いた場合は、危険であるとする。以上の説明では、傾斜
角度、時間を例示したが、これらの値に限定されるもの
ではない。
【0083】なお、上述の実施の形態によれば、輝点パ
ターンを投影するために、レーザ光を使用しているが、
レーザ光に代えて赤外線を使用するようにしてもよい。
【0084】また、運転者を監視して居眠りや脇見を運
転者に警告を発するようにしているが、監視結果を警告
以外の制御などに利用するようにしてもよい。
【0085】さらに、上述した実施例では、センサ部1
0をステアリングコラム上に設置しているが、これ以外
の例えばルームミラー、フェンダーミラー、サンバイザ
部、ルーフ部、ダッシュボード上、Aピラー部(ウイン
ドシールド両側の柱の部分)などに設置するようにして
もよい。
【0086】
【発明の効果】以上説明したように請求項1記載の本発
明によれば、運転者が危険な状態にあるかどうかを判定
するために、運転者の顔に投影した輝点パターンによ
り、運転者の顔のサンプリング点の3次元位置データを
利用して運転者の顔の傾きを求めているだけでよいの
で、サンプリング点はあらくてもよく、また運転者の顔
に輝点パターンを投影でき、かつ投影された輝点パター
ンを撮像できる場所に装置を設置するだけで装着でき、
構成が簡単で、車両への取り付け性が良好で、性能・信
頼性・安全性が確保され、運転者の運転の支障になるこ
とがない。
【0087】請求項2記載の本発明によれば、危険状態
になったことを警告手段が運転者に警告するようになっ
ているので、居眠りや脇見によって運転者の顔が傾いた
ときには、運転者に対して行う警告によって、運転者を
覚醒させたり、あるいは、運転者に注意を喚起させるこ
とができ、車両運転の安全性を向上させることができ
る。
【0088】請求項3記載の本発明によれば、運転者の
顔に投影した輝点パターンを撮像することによってサン
プリングした点が参照データの対応する点からどの程度
移動しているかによって3次元位置データを求めている
ので、この3次元位置データの変化によって簡単に運転
者の顔の傾きを求めることができ、最小のデータ処理に
よって短い時間で3次元位置データを得ることができ
る。
【0089】請求項4記載の本発明によれば、運転者の
顔の上下の向きの傾き角度を求めているので、平常の運
転のできないような角度のとき、その状態が所定時間以
上継続したときには居眠り状態に入る前兆と判断するこ
とができ、居眠り状態に入る前の運転者の様子を監視で
きる。
【0090】請求項5記載の本発明によれば、運転者の
顔の左右の向きの傾き角度を求めているので、平常の運
転のできないような角度のとき、その状態が所定時間以
上継続したときには脇見状態にあると判断することがで
き、脇見状態の運転者を監視できる。
【0091】請求項6記載の本発明によれば、運転者の
顔の斜めの傾き角度を求めているので、平常の運転ので
きないような角度のとき、その状態が所定時間以上継続
したときには居眠り状態あるいは運転者の疲れや肩こり
をほぐすために顔を振った状態と判断することができ、
居眠り状態に入る前、あるいは疲れや肩こりの生じてい
る運転者の様子を監視することができる。
【0092】請求項7記載の本発明によれば、パターン
光投光手段が2枚のファイバグレイティングを直交して
重ねた簡単な構成であるので構成が簡単で制作が容易
で、しかも輝点パターンとして輝点マトリクスを投影す
るための手段として使いやすく、安価で車両への取り付
け性も良好である。
【0093】請求項8記載の本発明によれば、一体化さ
れてパターン光投光手段及び撮像手段が車両のステアリ
ングコラム上に設置されるので、運転者の顔を正面から
見たときの3次元位置データを容易に得られ、しかも構
成が簡単で、車両への取り付け性が良好で、性能・信頼
性・安全性が確保され、運転者の運転の支障になること
がない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による運転手監視装置の基本構成を示す
図である。
【図2】本発明による運転手監視装置の一実施の形態を
示すブロック図である。
【図3】FGによって生成される輝点マトリクスを示
し、(a)にFGが、(b)に輝点マトリクスがそれぞ
れ示されている。
【図4】FGにレーザ光を入射することによって生じる
回折パターンを示し、(a)にFGがスリットとして作
用している様子が、(b)に回折パターンがそれぞれ示
されている。
【図5】車両のステアリングコラム上への視覚センサの
設置の様子を示し、(a)が正面図、(b)が側面図で
ある。
【図6】視覚センサの光学配置を示す模式図である。
【図7】顔の3次元位置データを取得する原理を説明す
るための説明図である。
【図8】参照データを作成するための処理を示すフロー
チャートである。
【図9】運転者監視処理を示すフローチャートである。
【図10】輝点抽出処理によって得られる輝点の画素デ
ータを示す図である。
【図11】フレームメモリ内の画素データを示す図であ
る。
【図12】輝点重心の求め方を説明するための図であ
る。
【図13】作成された参照データを示す図である。
【図14】浮動しきい値処理の仕方を示す図である。
【図15】輝点構成画素の抽出の仕方を示す図である。
【図16】リサンプリングの仕方を示す図である。
【図17】顔の向きを示す図である。
【図18】顔の3次元位置データの抽出の仕方を示す図
である。
【図19】外接四角形の当てはめの仕方を示す図であ
る。
【図20】上下の顔の向きの検出の仕方を示す図であ
る。
【図21】左右の顔の向きの検出の仕方を示す図であ
る。
【図22】斜めの傾きの検出の仕方を示す図である。
【符号の説明】 Z パターン光投光手段 4 撮像手段(CCDカメラ) 61 データ処理手段(データ処理部) 62 判定手段(データ処理部) 7 記憶手段(参照データ記憶部) 8,9 警告手段(発音手段、表示器)
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成9年3月26日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0028
【補正方法】変更
【補正内容】
【0028】図2の運転者監視装置の光学配置は図6に
示すようになっており、CCDカメラ4のレンズ4aを
原点とする座標系(x,y,z)において、FG
が(d,0,0)、CCDカメラ4のイメージプレーン
4bが(0,0,1)にそれぞれ配置される。この光学
配置において、顔の3次元データの取得のために輝点が
顔に投影された場合、図中のa及びbに示すように、イ
メージプレーン4b上では輝点が一定の方向に移動す
る。この際、輝点の3次元位置(x,y,z)は、イメ
ージプレーン4b上での輝点の移動量δを用いて基準平
面PL上に原点を持つ座標系(x,y,z)において次
式(1)〜(3)によって与えられる。イメージプレー
ン4bのu,v座標上のaは基準平面PLに輝点が投光
された場合の点で、つまりaの座標(ua,va)は参
照データである。bは輝点が運転者の顔にあたった場合
の点で、aからδ移動している。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0038
【補正方法】変更
【補正内容】
【0038】次に、上記ステップS3の輝点重心の座標
位置を決定する処理について説明する。この決定処理に
おいては、図12に示すような輝点の重心座標(U,
V)を輝点内の各画素の輝点の座標から輝度の重み付け
た重心位置を求める。上述の処理を行うことにより、図
13に示すように、各輝点のNo.に対する輝点重心座
標からなる最終基準輝点データ(参照データ)が得ら
れ、これが参照データ記憶部7に記憶される。データ処
理部6は、基準平面PLであるスクリーンに投影された
輝点パターンを撮像したCCDカメラ4からの画像信号
による画像データから各輝点座標を含む参照データを作
成する手段として働く。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 運転者の顔に輝点パターンを投影するパ
    ターン光投光手段と、 運転者の顔に投影した前記輝点パターンを撮像する撮像
    手段と、 該撮像手段によって撮像して得た画像を処理し運転者の
    顔をサンプリングし、各サンプリング点の3次元位置デ
    ータを求め、該求めた3次元位置データを処理して運転
    者の顔の傾きを求めるデータ処理手段と、 該データ処理手段により求めた顔の傾きによって運転者
    が危険な状態にあるかどうかを判定する判定手段とを備
    えることを特徴とする運転者監視装置。
  2. 【請求項2】 前記判定手段による判定の結果、危険状
    態となったとき運転者に警告を行う警告手段をさらに備
    えることを特徴とする請求項1記載の運転者監視装置。
  3. 【請求項3】 前記データ処理手段が、前記パターン光
    投光手段が運転者の顔の背後の基準平面に輝点パターン
    を投影したときに得られるサンプリング点に相当する参
    照データを格納する記憶手段を有し、該記憶手段に格納
    した参照データのサンプリング点に対する前記運転者の
    顔のサンプリング点の移動量を求め、該求めた移動量に
    基づいて前記運転者の顔の各サンプリング点の3次元位
    置データを求めることを特徴とする請求項1又は2記載
    の運転者監視装置。
  4. 【請求項4】 前記データ処理手段が、前記3次元位置
    データを処理して運転者の顔の上下の向きの傾き角度を
    求め、 前記判定手段が、前記データ処理手段により求めた顔の
    傾き角度が所定値以上でかつ所定時間以上継続したとき
    危険状態と判定することを特徴とする請求項1〜3のい
    ずれかに記載の運転者監視装置。
  5. 【請求項5】 前記データ処理手段が、前記3次元位置
    データを処理して運転者の顔の左右の向きの傾き角度を
    求め、 前記判定手段が、前記データ処理手段により求めた顔の
    傾き角度が所定値以上でかつ所定時間以上継続したとき
    危険状態と判定することを特徴とする請求項1〜4のい
    ずれかに記載の運転者監視装置。
  6. 【請求項6】 前記データ処理手段が、前記3次元位置
    データを処理して運転者の顔の斜めの傾きの角度を求
    め、 前記判定手段が、前記データ処理手段により求めた顔の
    傾き角度が所定値以上でかつ所定時間以上継続したとき
    危険状態と判定することを特徴とする請求項1〜5のい
    ずれかに記載の運転者監視装置。
  7. 【請求項7】 前記パターン光投光手段が、光源からの
    光を入力し、この入力した光により監視領域に輝点マト
    リクスを投影する直交して重ねた2枚のファイバグレイ
    ティングを有することを特徴とする請求項1〜6のいず
    れかに記載の運転者監視装置。
  8. 【請求項8】 前記パターン光投光手段及び前記撮像手
    段が車両のステアリングコラム上に設置したことを特徴
    とする請求項1〜7のいずれかに記載の運転者監視装
    置。
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