DE102017207609A1 - Construction and method for height calibration of a monocular vehicle camera - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Aufbau, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Höhenkalibrierung einer monokularen Fahrzeugkamera (2) und kann insbesondere bei Fahrzeugkameras für Fahrerassistenzsysteme verwendet werden.
Das Verfahren zur Höhenkalibrierung der monokularen Fahrzeugkamera (2) umfasst die Schritte:
- Aufnehmen einer Folge von Bildern (20) mittels der monokularen Fahrzeugkamera (2);
- Fahren des Fahrzeugs (1) gemäß einem definierten Ablauf auf einer befahrbaren Oberfläche (3), die in einem vorgegebenen Abstand d zwei Markierungen (4, 5) aufweist, wobei die Markierungen (4, 5) einen visuellen Kontrast zur übrigen befahrbaren Oberfläche (3) aufweisen;
- Bestimmen des Verhältnisses d/h durch eine Auswertung der Folge von Bildern (20), wobei h die Höhe der Fahrzeugkamera ist; und
- Berechnen der Höhe der monokularen Fahrzeugkamera aus dem bestimmten Verhältnis d/h und dem vorgegebenen Abstand d.
The invention relates to a structure, a method and a device for height calibration of a monocular vehicle camera (2) and can be used in particular for vehicle cameras for driver assistance systems.
The method for height calibration of the monocular vehicle camera (2) comprises the steps:
- taking a sequence of images (20) by means of the monocular vehicle camera (2);
Driving the vehicle (1) according to a defined sequence on a drivable surface (3) which has two markings (4, 5) at a predetermined distance d, the markings (4, 5) visually contrasting the other drivable surface (3). 3);
- determining the ratio d / h by an evaluation of the sequence of images (20), where h is the height of the vehicle camera; and
Calculating the height of the monocular vehicle camera from the determined ratio d / h and the predetermined distance d.
Description
Die Erfindung betrifft einen Aufbau, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Höhenkalibrierung einer monokularen Fahrzeugkamera und kann insbesondere bei Fahrzeugkameras für Fahrerassistenzsysteme verwendet werden.The invention relates to a structure, a method and a device for height calibration of a monocular vehicle camera and can be used in particular for vehicle cameras for driver assistance systems.
Die exakte Verbauhöhe der Kamera ist wichtig für viele kamerabasierte Fahrerassistenzfunktionen und Fahrzeugumfelddaten. Die Verbauhöhe wird bisher durch verschiedene Methoden bestimmt:
- - auf Basis von CAD-Nominal-Daten kann die Verbauhöhe in der Fahrzeugkamera kodiert werden, d.h. als Verbauhöhe wird die in den CAD (computer-aided design, „rechnerunterstütztes Konstruieren“)-Plänen angegebene Verbauhöhe übernommen;
- - Target-basierte End-of-line Calibration (im Folgenden durch ECM abgekürzt), also eine Kalibrierung, die nach Einbau der Kamera und Fertigstellung des Fahrzeugs am Band-Ende mittels einer Kalibriertafel durchgeführt wird; oder
- - Auto-Kalibrierung auf Basis von Odometer-Werten (s. unten).
- - Based on CAD nominal data, the shoring height can be coded in the vehicle camera, ie as shoring height, the shoring height specified in the CAD (computer-aided design) plans is adopted;
- Target-based end-of-line calibration (hereafter abbreviated to ECM), ie a calibration performed after installation of the camera and completion of the vehicle at the end of the belt by means of a calibration panel; or
- - Auto calibration based on odometer values (see below).
Die bekannten Methoden können folgende Probleme mit sich bringen:
- - CAD-Nominal-Daten sind mitunter:
- o für ein einzelnes Kameraexemplar aus einer Serienproduktion eines Kameratyps nicht genau, da sie die Produktionsvariation (Abweichungen, die sich bei der Kamera- bzw. Fahrzeugproduktion ergeben) nicht berücksichtigen, bzw.
- o teuer, da die CAD-Nominal-Daten für jede die Höhe beeinflussende Fahrzeug-Variation (z.B. unterschiedliche Radgrößen) adaptiert werden müssen;
- - Target-basierte ECM:
- o Hierzu muss ein Target und jedes Fahrzeug in definierte Position relativ zueinander gebracht werden. Das benötigt Zeit und erzeugt hohe Kosten.
- - Auto-Kalibrierung auf Basis von Odometer-Werten:
- o Es ist möglich die Kamerahöhe durch Techniken, wie Structure-from-Motion (SFM) oder Simultaneous Localization and Mapping (SLAM), im Verhältnis zur zurückgelegten Strecke zu bestimmen. Die zurückgelegte Strecke wird üblicherweise durch den Odometer im Fahrzeug bestimmt und damit die Höhe errechnet. Ein Problem ist dabei, dass Odometer extrem ungenau sind und z.B. ebenfalls vom Radumfang abhängen.
- - CAD nominal data may include:
- o for a single camera copy from a series production of a camera type not exactly because they do not consider the production variation (deviations that result in the camera or vehicle production), or
- o expensive, since the CAD nominal data must be adapted for each height varying vehicle variation (eg different wheel sizes);
- Target-based ECM:
- o For this purpose, a target and each vehicle must be brought into a defined position relative to each other. This takes time and generates high costs.
- - Auto calibration based on odometer values:
- o It is possible to determine the camera height in relation to the distance covered by techniques such as Structure-from-Motion (SFM) or Simultaneous Localization and Mapping (SLAM). The distance traveled is usually determined by the odometer in the vehicle and thus calculates the height. One problem is that odometers are extremely inaccurate and, for example, also depend on the wheel circumference.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen verbesserten Aufbau und ein Verfahren zur Höhenkalibrierung einer monokularen Fahrzeugkamera anzugeben.It is an object of the invention to provide an improved structure and method for height calibration of a monocular vehicle camera.
Ein erster Aspekt betrifft eine Anordnung, die eine Vermessung der Kamerahöhe nach einer Montage einer monokularen Kamera im Fahrzeug am Band-Ende (End-Of-Line, EOL) der Fahrzeug-Produktion ermöglicht.A first aspect relates to an arrangement that allows a measurement of the camera height after mounting a monocular camera in the vehicle at the end-of-line (EOL) of the vehicle production.
Ein zweiter Aspekt betrifft ein Verfahren zur Höhenkalibrierung einer monokularen Fahrzeugkamera unter Verwendung einer entsprechenden Anordnung.A second aspect relates to a method for height calibration of a monocular vehicle camera using a corresponding arrangement.
Ein dritter Aspekt betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung eines entsprechenden Verfahrens, insbesondere eines oder mehrerer Steuergeräte.A third aspect relates to a device for carrying out a corresponding method, in particular one or more control devices.
Ein vierter Aspekt betrifft ein Fahrzeug mit einer entsprechenden Vorrichtung.A fourth aspect relates to a vehicle with a corresponding device.
Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Höhenkalibrierung einer monokularen Fahrzeugkamera umfasst eine von einem Fahrzeug befahrbare Oberfläche. Die Oberfläche ist vorzugsweise sehr eben, zumindest hinreichend eben (z.B. Höhenunterschiede von weniger als einem Zentimeter, vorzugsweise weniger als 5 Millimeter bzw. maximale Höhenunterschiede von weniger als 1 % bezogen auf den vorgegebenen Abstand d).An arrangement according to the invention for height calibration of a monocular vehicle camera comprises a surface which can be driven by a vehicle. The surface is preferably very flat, at least sufficiently even (e.g., differences in height of less than one centimeter, preferably less than 5 millimeters or maximum height differences of less than 1% relative to the predetermined distance d).
Die befahrbare Oberfläche weist in einem vorgegebenen Abstand d zwei Markierungen auf. Die Markierungen sind derart beschaffen, dass sie einen visuellen Kontrast zur übrigen befahrbaren Oberfläche aufweisen.The drivable surface has two markings at a predetermined distance d. The markings are such that they have a visual contrast to the rest of the drivable surface.
Bevorzugt sind die Markierungen zueinander parallele Streifen.Preferably, the markings are mutually parallel stripes.
Vorteilhaft verläuft eine virtuelle gerade Linie, die den Abstand d zwischen beiden Streifen definiert, senkrecht zur Richtung der parallelen Streifen.Advantageously, a virtual straight line which defines the distance d between the two strips is perpendicular to the direction of the parallel strips.
Weiterhin umfasst die Anordnung vorteilhaft im Bereich der Fahrbahn (also auf der befahrbaren Oberfläche oder in deren unmittelbarer Umgebung) angeordnete Objekte, die als distinktive Merkmale in mit der Fahrzeugkamera aufgenommenen Bildern beobachtbar sind. Ein Merkmal wird als distinktiv bezeichnet, wenn es von anderen Merkmalen im Bild unterscheidbar ist und wenn es in einem weiteren Bild einer Folge von Bildern wieder auffindbar (also identifizierbar) ist.Furthermore, the arrangement advantageously comprises objects arranged in the region of the road surface (that is to say on the drivable surface or in its immediate surroundings) which can be observed as distinctive features in images recorded with the vehicle camera. A feature is said to be distinctive if it is distinguishable from other features in the image and if it is in another image a sequence of images is retrievable (ie identifiable).
Vorzugsweise weisen die Objekte eine definierte Objekthöhe auf. Den distinktiven Merkmalen kann dadurch eine bekannte Höhe im Fahrzeugkoordinatensystem zugeordnet werden. Die übrigen geometrischen Gegebenheiten der Anordnung der Merkmale werden als unbekannt vorausgesetzt.The objects preferably have a defined object height. The distinctive features can be assigned a known altitude in the vehicle coordinate system. The remaining geometric conditions of the arrangement of the features are assumed to be unknown.
Vorzugsweise sind die Objekte bzw. Merkmale so im Raum angeordnet, dass diese einen großen Bereich des Bildes abdecken.Preferably, the objects or features are arranged in space so that they cover a large area of the image.
Vorteilhaft ist die befahrbare Oberfläche so beschaffen, dass auf dieser bereits distinktiv erkennbare Merkmale vorhanden sind. Bevorzugt hat die Oberfläche ein Asphaltmuster. Somit ergeben sich gut wiedererkennbare Merkmale mit bekannter Höhe im Fahrzeugkoordinatensystem, die einen großen Anteil (die untere Bildhälfte) des Bildes abdecken.Advantageously, the drivable surface is such that features that are already recognizable are already present on it. Preferably, the surface has an asphalt pattern. Thus, well-recognizable features of known height in the vehicle coordinate system that cover a large portion (the lower half of the image) of the image result.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Höhenkalibrierung einer monokularen Fahrzeugkamera umfasst die Schritte:
- - Aufnehmen einer Folge von Bildern mittels der monokularen Fahrzeugkamera;
- - Fahren des Fahrzeugs gemäß einem definierten Ablauf auf einer befahrbaren Oberfläche, die in einem vorgegebenen Abstand d zwei Markierungen aufweist, wobei die Markierungen einen visuellen Kontrast zur übrigen befahrbaren Oberfläche aufweisen;
- - Bestimmen des Verhältnisses d/h durch eine Auswertung der Folge von Bildern, wobei h die Höhe der Fahrzeugkamera ist; und
- - Berechnen der Höhe der monokularen Fahrzeugkamera aus dem bestimmten Verhältnis d/h und dem vorgegebenen Abstand d.
- - taking a sequence of images by means of the monocular vehicle camera;
- - Driving the vehicle according to a defined sequence on a drivable surface having two markings at a predetermined distance d, wherein the markings have a visual contrast to the rest of the drivable surface;
- Determining the ratio d / h by evaluating the sequence of images, where h is the height of the vehicle camera; and
- Calculating the height of the monocular vehicle camera from the determined ratio d / h and the predetermined distance d.
Vorteilhaft wird das Fahrzeug so geführt, dass es unbeschleunigt und geradeaus mit bekannter Orientierung auf die Markierungen zufährt. Die Fahrt sollte einem definierten Ablauf in dieser Hinsicht mit hinreichender Genauigkeit folgen, um gute Kalibrierungsergebnisse zu erzielen.Advantageously, the vehicle is guided so that it feeds unaccelerated and straight with a known orientation to the markings. The ride should follow a defined schedule in this regard with sufficient accuracy to achieve good calibration results.
Bevorzugt wird das Fahrzeug entlang der oben angeführten virtuellen Linie senkrecht zu den als Streifen umgesetzten Markierungen geführt. Auch in dieser Hinsicht sollte die Fahrt einem definierten Ablauf entsprechend erfolgen.Preferably, the vehicle is guided along the above-mentioned virtual line perpendicular to the converted as a strip marks. In this respect too, the journey should take place in accordance with a defined procedure.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird bei der Auswertung der Folge von Bildern die Eigenbewegung des Fahrzeuges berücksichtigt.According to a preferred embodiment, the proper motion of the vehicle is taken into account in the evaluation of the sequence of images.
Vorzugsweise wird die Eigenbewegung des Fahrzeugs durch eine Auswertung der Folge von Bildern, z.B. mittels optischem Fluss oder einer Analyse von Merkmalskorrespondenzen und dem Detektieren des Durchfahrens der Markierungen rekonstruiert.Preferably, the self-motion of the vehicle is determined by an evaluation of the sequence of images, e.g. reconstructed by optical flow or an analysis of feature correspondences and detecting the passage of the markers.
Vorzugsweise wird das Verhältnis d/h aus der räumlichen Rekonstruktion der oben angeführten distinktiven Merkmale bekannter Höhe unter der Berücksichtigung der Markierungen ermittelt.Preferably, the ratio d / h is determined from the spatial reconstruction of the above-noted distinctive features of known height considering the markings.
Bevorzugt wird die Homographie berechnet, die der befahrbaren Oberfläche entspricht. Hieraus kann direkt das Verhältnis d/h bestimmt werden.Preferably, the homography is calculated, which corresponds to the drivable surface. From this, the ratio d / h can be determined directly.
Vorteilhaft werden also bei der Rekonstruktion der Eigenbewegung oder bei der Berechnung der Homographie die distinktiven Merkmale in der Folge von mit der Fahrzeugkamera aufgenommenen Bildern berücksichtigt.Advantageously, therefore, the distinctive features in the sequence of images taken with the vehicle camera are taken into account in the reconstruction of the intrinsic motion or in the calculation of the homography.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Höhenkalibrierung einer monokularen Fahrzeugkamera umfasst mindestens ein Steuergerät, welches dazu ausgebildet ist,
- - eine Folge von Bildern als Eingangsdaten zu empfangen, wobei die Folge von Bildern mittels einer monokularen Fahrzeugkamera während einer definierten Fahrt des Fahrzeugs auf einer befahrbaren Oberfläche, die in einem vorgegebenen Abstand d zwei Markierungen aufweist, wobei die Markierungen einen visuellen Kontrast zur übrigen befahrbaren Oberfläche aufweisen, aufgenommen sind;
- - das Verhältnis d/h zu bestimmen wird durch eine Auswertung der Folge von Bildern, wobei h die Höhe der Fahrzeugkamera ist; und
- - die Höhe der monokularen Fahrzeugkamera aus dem bestimmten Verhältnis d/h und dem vorgegebenen Abstand d zu berechnen.
- receiving a sequence of images as input data, wherein the sequence of images by means of a monocular vehicle camera during a defined travel of the vehicle on a drivable surface which has two markings at a predetermined distance d, wherein the markings in visual contrast to the rest of the drivable surface have been included;
- to determine the ratio d / h by an evaluation of the sequence of images, where h is the height of the vehicle camera; and
- to calculate the height of the monocular vehicle camera from the determined ratio d / h and the predetermined distance d.
Mit anderen Worten kann folgende Lösung realisiert werden:
- - Verwendung von einfachen Markierungen auf dem Boden (z.B. zwei dicke schwarze oder weiße Quer-Linien die überfahren werden) in einem bekannten Abstand (z.B. 10m). Diese Markierungen können auf einfache Weise in der Kamera detektiert werden. So kann die tatsächlich zurückgelegte Wegstrecke (Odometrie unabhängig) bestimmt werden und somit die Kamera-Einbau-Höhe exakt vermessen werden (siehe Ausführungsbeispiel).
- - Use of simple markings on the ground (eg two thick black or white cross lines to be crossed) at a known distance (eg 10m). These markings can be easily detected in the camera. Thus, the actually traveled distance (odometry independent) can be determined and thus the camera installation height can be measured exactly (see embodiment).
Vorteile der Erfindung sind:
- - Robust gegenüber Verschmutzung/Beschädigung
- - Großes Kosteneinsparungspotenzial
- - Zeitersparnis in der Produktion
- - Verbesserung der Genauigkeit (durchschnittlicher Fehler gegenüber dem wahren Wert, sowie die Streuung)
- - Robust against dirt / damage
- - Great cost saving potential
- - Time savings in production
- - Improvement of accuracy (average error against the true value, as well as the dispersion)
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei zeigen:
-
1 schematisch eine Anordnung von Markierungen auf einer Fahrbahn zur Höhenkalibrierung einer monokularen Fahrzeugkamera; -
2 schematisch ein von der Fahrzeugkamera aufgenommenes Bild mit einem Messfeld; -
3 schematisch einen in einem Messfeld gemessenen durchschnittlichen Intensitätsverlauf während einer Folge von Bildern der Fahrzeugkamera; und -
4 schematisch eine Seitenansicht zur Veranschaulichung eines beispielhaften Verfahrens der Höhenermittlung.
-
1 schematically an arrangement of markings on a roadway for height calibration of a monocular vehicle camera; -
2 schematically an image taken by the vehicle camera with a measuring field; -
3 schematically an average intensity profile measured in a measuring field during a sequence of images of the vehicle camera; and -
4 schematically a side view illustrating an exemplary method of height determination.
Mit Hilfe von Structure-From-Motion Methoden ist es möglich auf Basis einer Sequenz von Bildern und bekannten intrinsischen Kamera-Parametern die Umgebung bis auf eine Skalen-Mehrdeutigkeit zu rekonstruieren. Nimmt man zusätzlich an, dass in einem bestimmten Bildbereich (region-of-interest, ROI) nur der Boden vor dem Fahrzeug sichtbar ist, kann daraus die Kamerahöhe (bis auf eine Skalen-Mehrdeutigkeit) bestimmt werden.Using structure-from-motion methods it is possible to reconstruct the environment down to a scale ambiguity based on a sequence of images and known intrinsic camera parameters. Assuming additionally that only the ground in front of the vehicle is visible in a certain image area (region-of-interest, ROI), the camera height (except for a scale ambiguity) can be determined from this.
Das hier vorgestellte Verfahren dient dazu, am Band-Ende nach der Fahrzeugproduktion, diese Skalen-Mehrdeutigkeit aufzulösen und so die Kamerahöhe eindeutig zu bestimmen.The method presented here is used at the end of the tape after vehicle production to resolve this scale ambiguity and thus to determine the camera height clearly.
Zur Vermessung der Einbau- bzw. Verbauhöhe der Kamera (
In
Im Kamerabild (
Innerhalb des Messfeldes (
Vorteilhaft sollte mit Bildverarbeitungsmethoden überprüft werden, ob das Fahrzeug näherungsweise geradeaus auf die Markierungen zufährt (Bewegungsrichtung senkrecht zu den Markierungen), so dass die Fahrt über die Kalibrierungsstrecke gemäß einem definierten Ablauf erfolgt. Ist letzteres nicht der Fall, so kann ein Fehler ausgegeben und die Anfahrt wiederholt werden. Alternativ kann die Richtung der Fahrt über die Kalibrierstrecke z.B. durch das Anbringen von Pylonen definiert werden oder das Fahrzeug wird entlang von Schienen bewegt.Advantageously, it should be checked with image processing methods, whether the vehicle is approximately straightforward on the markers moves (direction of movement perpendicular to the markers), so that the drive over the calibration distance according to a defined procedure. If the latter is not the case, then an error can be output and the approach can be repeated. Alternatively, the direction of travel over the calibration path may be e.g. be defined by attaching pylons or the vehicle is moved along rails.
Beim Überfahren einer Markierung (
Dadurch kann der Bild-Index
Zum Zeitpunkt
Grundsätzlich liefern bekannte Verfahren zur Schätzung der Eigenbewegung (Ego-motion, EMO) einer monokularen Kamera (
Das Verhältnis c=d/h kann vorzugsweise durch das Bestimmen einer Homographie berechnet werden, welche die Bewegung von Punkten auf der Fahrbahnebene zwischen den Zeitpunkten
Wenn distinktive Merkmale bekannter Höhe im Fahrzeugkoordinatensystem wie beschrieben (z.B. auf dem Boden) vorhanden und daher mit der Fahrzeugkamera zu beobachten sind, können die beobachteten distinktiven Merkmale bei der Rekonstruktion der Eigenbewegung oder insbesondere zur Berechnung der Homographie aus der Bilderfolge benutzt werden.If distinctive features of known height are present in the vehicle coordinate system as described (e.g., on the ground) and therefore observable with the vehicle camera, the observed distinctive features can be used in the reconstruction of the self-motion or, in particular, to compute the homography from the sequence of images.
Das spezielle Verfahren hängt von der räumlichen Anordnung der Merkmale im Raum ab und vereinfacht sich zur klassischen Homographieschätzung nach Hartley und Zisserman, falls die Merkmale auf der Bodenebene und/oder auf einer zum Boden parallelen Ebene liegen.The special method depends on the spatial arrangement of the features in space and simplifies the classical homography estimation according to Hartley and Zisserman if the features lie on the ground level and / or on a plane parallel to the ground.
Die Homographie H der Fahrbahn- bzw. Bodenebene besitzt eine Faktorisierung in intrinsische Kameraparameter (Matrix K), in Rotation (R) und auf Länge
Es wird vorzugsweise oben angenommen, dass die intrinsichen Kameraparameter (Matrix K) bekannt sind.It is preferably assumed above that the intrinsic camera parameters (matrix K) are known.
Aus Gleichung (2) können somit die Unbekannten bzw. das Verhältnis c bestimmt werden.From equation (2), the unknown or the ratio c can thus be determined.
Insgesamt ergibt sich aus der Faktorisierung der Homographie zwischen den Bildern zu Zeitpunkten des Detektierens jeweils beider Markierungen durch Einsetzen des gemäß Gleichung (2) bestimmten Verhältnisses c und des bekannten Abstandes d in Gleichung (1) die Kamerahöhe
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