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JP4434234B2 - 車両用撮像システム、及び車両用制御装置 - Google Patents

車両用撮像システム、及び車両用制御装置 Download PDF

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Description

本発明は、車両周辺を撮像して画像データを出力する車両用撮像システム、及びこれを利用した車両用制御装置に関する。
近年、道路に描画又は敷設された道路区画線の位置を検知して自車両と走行車線との位置関係を認識し、走行車線を自車両が逸脱せずに走行できるようにステアリングトルクを自動的に出力する（以下、この種の制御を車線維持制御と称する）制御システムが、ＬＫＡ（Lane Keeping Assist）等の名称で知られている。
また、車両前方の障害物を検知し、自車両と障害物との衝突可能性を予測して種々の制御を行なう（以下、この種の制御を衝突予測制御と称する）制御システムが、プリクラッシュ・セーフティシステム等の名称で知られ、研究が進められている。
一方、赤外線撮像手段により撮像された障害物に対して所定の可視波長の光を発し、当該所定波長の光を運転者の眼に入射させないためのフィルターを備える車両用照明システムについての発明が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
また、インストルメントパネルから運転者の頭部を赤外線撮影する撮影装置であって、カメラの前に可視光カットフィルターを、フロントウインドガラスの上部に赤外カットフィルターを、それぞれ備える装置についての発明が開示されている（例えば、特許文献２参照）。この装置において赤外カットフィルターは、外部から車室内に入射する赤外線を遮蔽して、運転者の頭部に当たる赤外線の強度を一定に保つ役割を果たしている。
特開２００５−４７３９０号公報 特許第３１１９０３１号公報
上記の各制御システムにおいて必須の構成となるのが、道路区画線を認識するための手段、及び車両前方の障害物を検知するための手段であり、現状では、前者についてＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラが用いられ、後者についてミリ波レーダー等のレーダー装置が用いられている。ところが、カメラとレーダー装置の双方を備える場合、装置全体のサイズやコストが増大するという問題がある。また、レーダー装置には、誘電率の低い物体（レーダー波をあまり反射しない物体）を明確に認識できないという弱点が存在し、これにより、車両やガードレール等は比較的容易に認識できるが、歩行者等を認識することが困難であるという問題がある。
これに対し、赤外線を歩行者等に投射して反射された赤外線を撮像する、或いは歩行者等がその体温により自ら発する赤外線を撮像することが考えられる。そして、道路区画線を認識するためのカメラと赤外線を撮像するカメラが同一のものであれば、サイズやコストの問題も解消することとなる。
しかしながら、上記特許文献１及び２に記載の装置は、全く異なる目的のために創作されたものであり、車線維持制御や衝突予測制御のためのカメラ装置に適用することは不可能である。
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、簡易な構成により可視光撮像と赤外線撮像の双方を行なって、画像データを出力することが可能な車両用撮像システム、及びこれを利用した車両用制御装置を提供することを、主たる目的とする。
上記目的を達成するための本発明の第１の態様は、車両周辺を撮像する撮像手段と、撮像手段に入射する可視光の一部を減衰させる可視光減衰手段と、を備える車両用撮像システムであって、撮像手段は、可視光と赤外線との双方を電気変換可能な撮像素子を有し、可視光減衰手段を通過せずに入射した可視光を電気変換した信号に基づく画像データと、可視光減衰手段を透過した赤外線を電気変換した信号に基づく画像データと、の双方を出力可能な手段である、車両用撮像システムである。
この本発明の第１の態様によれば、撮像手段を複数備えることなく、すなわち簡易な構成により、可視光撮像と赤外線撮像の双方を行なって画像データを出力することができる。
本発明の第１の態様において、可視光減衰手段は、フロントウインドシールドに配設され、撮像手段は、フロントウインドシールドを介して車両前方を撮像する手段であるものとしてもよい。この場合、車両前方に赤外線を投射可能な赤外線投射手段を備え、可視光減衰手段は、赤外線投射手段が赤外線を投射する範囲から入射する可視光を減衰させるように配置されると、好適である。更にこの場合、赤外線投射手段は、車両から見て、ロービームヘッドランプが可視光を照射する範囲よりも遠方側に、赤外線を投射する手段であると、好適である。
また、本発明の第１の態様において、可視光減衰手段は、前記撮像手段が有する撮像素子と撮像レンズとの間に配設されるものとしてもよい。
本発明の第２の態様は、本発明の第１の態様の車両用撮像システムが有する撮像手段が出力する、赤外線を電気変換した信号に基づく画像データに基づいて衝突予測制御を行なう衝突予測制御手段と、可視光を電気変換した信号に基づく画像データに基づいて車線維持制御を行なう車線維持制御手段と、を備える車両用制御装置である。
本発明によれば、簡易な構成により可視光撮像と赤外線撮像の双方を行なって、画像データを出力することが可能な車両用撮像システム、及びこれを利用した車両用制御装置を提供することができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら実施例を挙げて説明する。
以下、本発明の一実施例に係る車両用撮像システム１０、及びこれを利用した車両用制御装置１について説明する。
［構成］
図１は、車両用制御装置１の全体構成の一例を示す図である。車両用制御装置１は、主要な構成として、車両用撮像システム１０と、車線維持ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０と、衝突予測ＥＣＵ６０と、を備える。図中、破線矢印は、有線又は無線による主要な情報通信の流れを示す。
車両用撮像システム１０は、カメラ２０と、可視光カットフィルター３０と、ヘッドランプＡＳＳＹ４０と、ライトＥＣＵ４５と、を備える。
カメラ２０は、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等の固体撮像素子を利用したカメラである。カメラ２０は、例えば、車室内の天井部付近に配設され、車両前方の斜め下方に向いた光軸を有し、車両前方の路面から略水平方向に至るまでを撮像領域とするように画角が調節されている。図２は、カメラ２０が撮像する車両前方の風景の一例を示す図である。図示する如く、カメラ２０は、車両前方に存在する路面に描画・敷設等された道路区画線や他車両、歩行者等を撮像することが可能である。
図３は、カメラ２０のハードウエア構成の一例を示す図である。カメラ２０は、例えば、前述の撮像領域を実現する撮像レンズ２２と、イメージセンサー２４と、電子制御部２６と、を備える。以下、カメラ２０がＣＣＤカメラであるものとして説明する。
イメージセンサー２４は、例えばインターライン型イメージセンサーであり、光電変換を行なう受光素子であるフォトダイオードと、これに対応するＣＣＤとをそれぞれ２次元平面状に配列し、フォトダイオードとＣＣＤの間にアナログスイッチとして機能するトランスファゲートを有する。各フォトダイオードの前側（撮像レンズ２２側）には、集光のためのマイクロレンズが取り付けられている。なお、こうした構造は、あくまでイメージセンサー２４の機能を簡易に説明するために模式的に例示したものであり、機能性向上等のための如何なる設計変更も許容される。また、インターライン型イメージセンサーに限らず、ＣＣＤ自体が受光素子として機能するフルフレームトランスファ型やフレームトランスファ型のイメージセンサーを用いてもよい。
また、イメージセンサー２４は、通常の可視光領域についてのみならず、近赤外線まで感知領域を拡大している。これにより、カメラ２０は、近赤外線を発する物体（発熱を行なっている物体）を撮像することが可能である。
電子制御部２６は、例えば、マイクロコンピューターや電子回路等が用いられ、イメージセンサー２４が有するトランスファゲートの開閉タイミングを制御することによりカメラ２０のシャッタースピードや撮像周期（例えば、１秒間に数十回程度）を調節する。そして、電子制御部２６は、イメージセンサー２４の出力回路から出力されるデータに対して所定のゲインによる増幅等を行なって、画像データとして外部に出力する。
可視光カットフィルター３０は、可視光を遮蔽し又は減光させて近赤外線を透過させるフィルターであり、前述したカメラ２０の撮像領域のうち上側領域を覆うように、フロントウインドシールド３２に、貼り付け、挟み込み、或いは一体形成等される。なお、図１の位置関係から明らかなように、可視光カットフィルター３０は運転者の必要とする前方視界を殆ど妨げない。
図４は、図２に例示した車両前方の風景において、可視光カットフィルター３０により可視光が部分的に遮蔽又は減光される様子を示す図である。図示する如く、車両前端部から数十［ｍ］までの領域（以下、非遮蔽等領域という；図１において（Ｂ）部が相当する）について、可視光が遮蔽又は減光されないため、道路区画線が撮像可能である。一方、それよりも遠い領域（以下、遮蔽等領域という；図１において（Ａ）部が相当する）については、可視光が遮蔽又は減光され、近赤外線を反射する物体（歩行者等）のみが撮像可能である。
ヘッドランプＡＳＳＹ４０は、ロービームヘッドランプ４１と、ハイビームヘッドランプ４２と、可動フィルター４３と、を備える。ロービームヘッドランプ４１は、例えば白色発光ダイオードを用いたＬＥＤ（Light Emitting Diode）ランプである。ハイビームヘッドランプ４２は、例えば赤外線を比較的多く発するハロゲンランプである。可動フィルター４３は、可視光を遮蔽し又は減光させるフィルターである。可動フィルター４３は、図示しないアクチュエーターにより駆動され、ハイビームヘッドランプ４２の前面を覆う状態と、ハイビームヘッドランプ４２の前面から除去された状態とを切り替え可能に構成される。
また、本実施例のヘッドランプシステムは、昼間等、ヘッドランプが点灯されていないときであっても、赤外線を前方に照射してカメラ２０との協働により車両前方の歩行者等を積極的に監視する赤外投射モードをユーザー操作によって選択可能に構成される。ここで、ユーザー操作は、例えばタッチパネル上に設定されたＧＵＩ（Graphical User Interface）スイッチやその他の機械的スイッチに対して行なわれる。
各ヘッドランプの点灯制御や可動フィルター４３の駆動制御は、ライトＥＣＵ４５により行なわれる。ライトＥＣＵ４５は、（１）運転者の操作によりロービーム点灯が指示されたときには、ロービームヘッドランプ４１とハイビームヘッドランプ４２の双方を点灯させると共に、可動フィルター４３でハイビームヘッドランプ４２の前面を覆うようにアクチュエーターを駆動する。また、（２）運転者の操作によりハイビーム点灯が指示されたときには、ハイビームヘッドランプ４２のみを点灯させると共に、可動フィルター４３をハイビームヘッドランプ４２の前面から除去するようにアクチュエーターの駆動を行なう。また、（３）昼間であっても赤外投射モードが運転者により選択されている場合は、ハイビームヘッドランプ４２のみを点灯させると共に、可動フィルター４３でハイビームヘッドランプ４２の前面を覆うようにアクチュエーターを駆動する。（以上、図５参照）なお、運転者の操作はステアリングホイール脇のコンビネーションスイッチやタッチパネル上のＧＵＩ（Graphical User Interface）スイッチ等に対して行なわれる。また、（２）において、ロービームヘッドランプ４１を点灯させてもよい。ライトＥＣＵ４５は、こうした各ヘッドランプの状態（特にハイビームヘッドランプ４２の点灯状態）を、電子制御部２６に随時（定期的に、又は変更された度に）出力している。
そして、ロービームヘッドランプ４１の投射範囲が前述した非遮蔽等領域に含まれ、ハイビームヘッドランプ４２の投射範囲が前述した遮蔽等領域に含まれるように、可視光カットフィルター３０の位置、大きさ、範囲が調節されることが好ましい（図６参照）。こうすることにより、非遮蔽等領域については、昼間の太陽光又はロービームヘッドランプ４１の投射光が当たることとなり、道路区画線が常時撮像できるようになる。また、遮蔽等領域については、ハイビームヘッドランプ４２の投射する赤外線（及び可動フィルターが除去されている場合には可視光）が当たることとなり、歩行者等が撮像できるようになる。
［利用態様］
カメラ２０が出力する画像データは、画像認識を経て車線維持制御や衝突予測制御に用いられる。ここで、カメラ２０が出力する画像データの利用例について説明する。
車線維持ＥＣＵ５０は、例えば、ＣＰＵを中心としてＲＯＭやＲＡＭ等がバスを介して相互に接続されたコンピューターユニットであり、その他、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）やＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等の記憶媒体やＩ／Ｏポート、タイマー、カウンター等を備える。ＲＯＭには、ＣＰＵが実行するプログラムやデータが格納されている。
車線維持ＥＣＵ５０は、カメラ２０から入力された画像データのうち非遮蔽等領域に係る部分を解析することにより、自車両と走行車線との位置関係を認識する。そして、走行車線を自車両が逸脱せずに走行するための補助ステアリングトルクを出力するように、電動パワーステアリング装置に干渉制御を行なう（車線維持制御）。また、走行車線を自車両が逸脱しそうなタイミングで警告音を発するようにスピーカー、ブザー等を吹鳴させる。これにより、運転者のステアリング操作負担を軽減すると共に、車両の走行軌跡を安定させ、交通安全に寄与することができる。
自車両と走行車線との位置関係は、カメラ２０の撮像画像（画像データに基づき復元された画像をいう。以下同じ。）に占める道路区画線の位置に基づいて認識される。そして、カメラ２０の撮像画像における道路区画線の認識は、例えば、輝度勾配（隣接する画素との輝度差）が閾値以上の点を特徴点として抽出し、直線状又は曲線状に並んだ点を道路区画線の輪郭であると認識する。また、ボッツドッツやキャッツアイ等の点列状道路区画線に対しては、適宜モルフォロジー演算による認識処理等が組み合わされる。いずれにしても、道路区画線を正確に認識するには、カメラ２０の撮像画像において、道路面（アスファルト等）と道路区画線とのコントラスト（輝度差）が明確である必要がある。この点、カメラ２０の撮像画像における自車両の手前から数十［ｍ］までの領域については可視光が遮蔽等されていないため、道路面と道路区画線とのコントラストが十分に明確なものとなる。
衝突予測ＥＣＵ６０は、カメラ２０から入力された画像データのうち遮蔽等領域に係る部分を解析することにより、自車両と歩行者等との距離や位置関係を認識する。そして、歩行者等との衝突を回避するように電動パワーステアリング装置や電子制御ブレーキ装置に干渉制御を行なう（衝突予測制御）。具体的には、例えば、歩行者等が自車両の走行する走行車線上に存在し、自車両との距離が所定距離以内となり、且つ自車両の速度が所定速度以上である場合に、歩行者を回避するように操舵力を自動的に出力したり、歩行者の手前で自車両が停止するように制動力を自動的に出力したりする。また、これに限らず、自車両において衝突の衝撃に備えるためにシートベルトの自動巻き取りやプリクラッシュエアバッグの展開を行なったり、歩行者の頭部を保護するためにボンネット上にエアバッグを展開したり、ボンネットを持ち上げて歩行者の頭部を受け止めたりする制御を行なってもよい。
自車両と歩行者等との距離や位置関係は、カメラ２０の撮像画像に占める歩行者等の位置、大きさに基づいて認識される。ここで、歩行者等を可視光の画像により背景と区別するのは、コントラストが必ずしも明確でないため困難な場合が多いが、赤外線を投射して反射されたものを撮像することにより、撮像画像に占める歩行者等を比較的容易に認識することができる。なお、非遮蔽領域においては、こうした歩行者等の認識は困難となるが、より遠い遮蔽領域において歩行者等を認識して、既に前述した衝突回避や衝突からの保護のための制御が開始されているため、衝突予測制御の機能は保たれる。
以上の利用態様から理解できるように、本実施例の車両用撮像システム１０によれば、同一のカメラ装置から、可視光を撮像した部分と赤外線を撮像した部分との双方を含む画像データを出力することができる。これにより、可視光を撮像した部分を解析して道路区画線を認識し、赤外線を撮像した部分を解析して歩行者等の存在を認識する等の用に供することができる。しかも、撮像画像の上側（自車両から遠い側）において可視光を遮蔽し又は減衰させるので、道路区画線や歩行者等を認識するのに適合しており、また、運転者の必要とする前方視界を殆ど妨げない。従って、簡易な構成により可視光撮像と赤外線撮像の双方を行なって画像データを出力することができる。
また、夜間においてもロービームヘッドランプ４１が非遮蔽等領域を照射しているため、道路区画線の認識が常時可能となっており、時間帯を問わずハイビームヘッドランプ４２が赤外線（場合によっては、赤外線及び可視光）を遮蔽等領域に投射可能であるため、歩行者等の認識が可能となる。
なお、歩行者等の存在を検知するものとしてレーダー装置を用いることが考えられるが、歩行者の如く誘電率の低い物体はレーダー波を十分に反射しない等の問題が存在し、少なくとも歩行者の認識に関しては、赤外線を撮像して認識する方が優位である。
また、本実施例の車両用制御装置１によれば、同一のカメラ装置から出力された画像データに基づき、車線維持制御や衝突予測制御を行なうことができる。従って、簡易な構成により、複数の機能を実現することができる。
［制御例］
ところで、可視光を撮像した部分についての最適なシャッタースピードやゲインと、近赤外線を撮像した部分についての最適なシャッタースピードやゲインは異なるものであるため、電子制御部２６は、図７に示す如きフローチャートに従って、道路区画線を認識するのに適した画像データと、歩行者等を認識するのに適した画像データと、を交互に出力するものとした。なお、本図はあくまで一例であり、如何なる変更も許容されるものである。
まず、電子制御部２６は、ライトＥＣＵ４５から入力される情報を参照し、ハイビームヘッドランプ４２が点灯しているか否かを判定する（Ｓ１００）。この際に、可動フィルター４３の状態は問わない。すなわち、赤外線が遮蔽等領域に投射されているか否かを判定する。
ハイビームヘッドランプ４２が点灯していない場合（昼間で、且つ赤外投射モードが選択されていない場合；運転者が衝突予測制御を不要と考えている場面、或いは省エネルギーを優先している場面である）は、赤外線が遮蔽等領域に投射されていないため、歩行者等の認識が困難である。従って、道路区画線を認識するのに適したシャッタースピードでイメージセンサー２４を制御すると共に、道路区画線を認識するのに適したゲインで画像データを生成する（Ｓ１０４）。この場合、衝突予測制御は行なわれず、車線維持制御のみが可能となる。
一方、ハイビームヘッドランプ４２が点灯している場合は、送信しようとしている画像データが、偶数フレームであるか否かを判定する（Ｓ１０２）。ここで、１回の撮像動作に係るものとして送信される画像データには、車両起動時の最初の画像データから起算して順次整理番号（整数）が付与されており、当該整理番号が偶数であるものを偶数フレームと称している。
送信しようとしている画像データが偶数フレームである場合には、道路区画線を認識するのに適したシャッタースピードでイメージセンサー２４を制御すると共に、道路区画線を認識するのに適したゲインで画像データを生成する（Ｓ１０４）。一方、送信しようとしている画像データが奇数フレームである場合には、道路区画線を認識するのに適したシャッタースピードでイメージセンサー２４を制御すると共に、道路区画線を認識するのに適したゲインで画像データを生成する（Ｓ１０６）。すなわち、Ｓ１０４とＳ１０６の制御を交互に実行する。
［まとめ］
本実施例の車両用撮像システム１０によれば、同一のカメラ装置により可視光撮像と赤外線撮像の双方を行なって、画像データを出力することができる。
また、本実施例の車両用制御装置１によれば、同一のカメラ装置から出力された画像データに基づき、車線維持制御や衝突予測制御を行なうことができる。従って、簡易な構成により、複数の機能を実現することができる。
［変形例］
以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。
例えば、可視光カットフィルター３０をフロントウインドシールド３２に貼り付け等するものとしたが、図８に示す如く、カメラ２０の内部において、可視光カットフィルター３０を撮像レンズ２２とイメージセンサー２４の間に、イメージセンサー２４に近接させて配設するものとしてもよい。
また、カメラ２０は、実施例で説明した如くフロントウインドシールドを介して車両前方を撮像するものに限られず、車両周辺を撮像するものであれば如何なる位置に配設されてもよく、如何なる方向を撮像するものであってもよい。例えば、ドアミラーに内蔵されて車両側方を撮像するものであってもよいし、フロントバンパー付近に配設されて車両前側方を撮像するものであってもよい。これらの場合、可視光カットフィルター３０は、カメラ２０の配設位置に応じてカメラ２０に入射する可視光の一部を減衰させることができる任意の位置に配設されてよい（上記の如く撮像レンズ２２とイメージセンサー２４の間に配設されてもよい）。
また、赤外線を投射する手段は、ハイビームヘッドランプ４３とは別体として備えられてもよい。また、赤外線を投射する手段を備えず、カメラ２０は、歩行者が体温により発する赤外線のみを撮像するものとしてもよい。
また、必ずしも実施例で説明した赤外投射モードが選択可能に構成される必要はなく、歩行者等の認識は夜間にのみ行なわれるものとしてもよい。
本発明は、自動車製造業や自動車部品製造業等に利用可能である。
車両用制御装置１の全体構成の一例を示す図である。 カメラ２０が撮像する車両前方の風景の一例を示す図である。 カメラ２０のハードウエア構成の一例を示す図である。 図２に例示した車両前方の風景において、可視光カットフィルター３０により可視光が部分的に遮蔽又は減光される様子を示す図である。 ライトＥＣＵ４５により実行される、各ヘッドランプの点灯制御や可動フィルター４３の駆動制御の一例を示す図である。 ロービームヘッドランプ４１の投射範囲が前述した非遮蔽等領域に含まれ、ハイビームヘッドランプ４２の投射範囲が前述した遮蔽等領域に含まれるように、可視光カットフィルター３０の位置、大きさ、範囲が調節される様子を示す図である。 電子制御部２６が、実行する制御の流れを示すフローチャートである。 カメラ２０の内部において、可視光カットフィルター３０を撮像レンズ２２とイメージセンサー２４の間に配設した状態を示す図である。
符号の説明
１ 車両用制御装置
１０ 車両用撮像システム
２０ カメラ
２２ 撮像レンズ
２４ イメージセンサー
２６ 電子制御部
３０ 可視光カットフィルター
３２ フロントウインドシールド
４０ ヘッドランプＡＳＳＹ
４１ ロービームヘッドランプ
４２ ハイビームヘッドランプ
４３ 可動フィルター
４５ ライトＥＣＵ
５０ 車線維持ＥＣＵ
６０ 衝突予測ＥＣＵ

Claims (4)

  1. フロントウインドシールドを介して車両前方を撮像する撮像手段と、
    フロントウインドシールドに配設され、前記撮像手段に入射する可視光の一部を減衰させる可視光減衰手段と、を備える車両用撮像システムであって、
    前記撮像手段は、可視光と赤外線との双方を電気変換可能な撮像素子を有し、前記可視光減衰手段を通過せずに入射した可視光を電気変換した信号に基づく画像データと、前記可視光減衰手段を透過した赤外線を電気変換した信号に基づく画像データと、の双方を出力可能な手段である、
    車両用撮像システム。
  2. 請求項１に記載の車両用撮像システムであって、
    車両前方に赤外線を投射可能な赤外線投射手段を備え、
    前記可視光減衰手段は、前記赤外線投射手段が赤外線を投射する範囲から入射する可視光を減衰させるように配置される、
    車両用撮像システム。
  3. 請求項２に記載の車両用撮像システムであって、
    前記赤外線投射手段は、車両から見て、ロービームヘッドランプが可視光を照射する範囲よりも遠方側に、赤外線を投射する手段である、
    車両用撮像システム。
  4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の車両用撮像システムと、
    該車両用撮像システムが有する撮像手段が出力する、赤外線を電気変換した信号に基づく画像データに基づいて衝突予測制御を行なう衝突予測制御手段と、可視光を電気変換した信号に基づく画像データに基づいて車線維持制御を行なう車線維持制御手段と、
    を備える車両用制御装置。
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