CN102481879A - 视频系统的失真校正 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于透过挡风玻璃(10)无失真地采集图像数据的方法。在采集图像数据时，图像拍摄系统(50)透过一透明的校正片(30)检测所述拍摄区域。所述透明的校正片具有相对于所述挡风玻璃的形状偏差并且设置在所述机动车的内部。本发明还涉及一种图像校正装置，其具有：保持装置(24)，所述保持装置被设置用于在机动车内部间接或直接地固定在挡风玻璃(10)上；透明的校正片(30)，所述透明的校正片固定在所述保持装置(24)上。所述保持装置通过所述固定将所述校正片带有相对于所述挡风玻璃的形状偏差地定位在所述机动车的内部。本发明最后涉及一种具有根据本发明的图像校正装置的图像拍摄系统。

Description

视频系统的失真校正

背景技术

机动车支持的视频系统(例如前视视频系统)通过光学装置检测位于车辆前面的拍摄区域。在此透过封闭车辆的乘客座舱的玻璃采集图像。

尤其是，在前视视频系统中，透过机动车的挡风玻璃检测位于车辆前面的拍摄区域。进行检测所需的光学系统需要设置在挡风玻璃后的一个位置中，以便保护光学系统和尤其是摄像机免受在行驶期间因喷水等引起的污染或损害。此外，光学系统和尤其是摄像机设置在乘客座舱内，以便当机动车没有停放在封闭空间中时保护所述光学系统也免受其他直接环境影响(天气)。

但与没有挡风玻璃的成像相比，摄像机图像由于挡风玻璃而经受基本上沿着一个方向的光学畸变。所述畸变也称作失真，其由于光路穿过挡风玻璃引起，尤其是由于光路的不同走向，取决于光路相对于挡风玻璃走向的角度。如果拍摄区域覆盖较宽的角度范围，即具有不仅以锐角而且也以近似垂直的角度射到挡风玻璃上的光路的角度范围，则尤其产生失真或畸变。因此，当在同一图像区域中不仅应检测例如路面而且也应检测交通信号灯或者其他较高的交通标志时，出现这种畸变。

在根据现有技术的系统中，借助于图像处理算法来补偿这种畸变，所述图像处理算法以高计算开销在用于电子地再处理所采集的图像的数据处理设备中实现。

挡风玻璃沿着一个方向(即，在方位角方向上)产生基本上线性的畸变，而在形状更复杂时产生更复杂的畸变。由于因此大大增加的计算复杂性，对于复杂的畸变几何而言，用于补偿的图像处理算法仅仅有限地适用。

文献DE 3880075 T2提出一种用于消色差补偿的装置，所述消色差由飞机的空气动力学成形的驾驶舱玻璃的弯曲产生。由驾驶舱玻璃的复杂弯曲得到用于光学补偿机构的、复杂的所需光学成像，所述光学补偿机构包括两个偏转棱镜，以便实现通过焦距变化结合偏转引起的方位角方向上的变形以及俯仰方向上的变形。一方面，设有在那里描述的用于校正由锥形玻璃面引起的畸变的装置，所述畸变与挡风玻璃的畸变基本上不同(例如在复杂性方面)，而另一方面，在那里推荐的装置由多个相互协调并且需精确调整的昂贵元件组成，这些元件具有特殊的材料特性。但尤其应注意的是，DE 3880075 T2不适于如在挡风玻璃中出现的纵向畸变的补偿。

发明内容

本发明基于以下方案：为了借助于校正片至少部分地补偿一个方向上的拉伸(Streckung)，如其在光路穿过相对于其倾斜的挡风玻璃时产生的那样，所述校正片相对于挡风玻璃具有关于与挡风玻璃平行的、平面平行的(planparallel)板的形状偏差。通过如下方式提供所述形状偏差：(i)校正片的弯曲与挡风玻璃的弯曲基本上互补；(ii)校正片非平面平行地构造或者楔形地构造；(iii)校正片相对于挡风玻璃成角度地布置，或者这些特征的任意组合，即组合(i)和(ii)和(iii)、组合(i)和(ii)、组合(ii)和(iii)或者组合(i)和(iii)。

与挡风玻璃的弯曲不相应的弯曲、挡风玻璃的非平面平行的构造——即具有非恒定的厚度变化的挡风玻璃的构造以及校正片相对于挡风玻璃成角度的布置理解为形状偏差。因此，根据最后所述的特征，在这里描述的形状偏差也包括相对于挡风玻璃的定向方面的偏差。

可以通过沿着一环的空间角部分的走向，尤其是通过环形弯曲，或(在一种简化的实施方式中)通过柱形弯曲来实施与挡风玻璃弯曲基本上互补的校正片弯曲。所述弯曲仅仅涉及圆环或圆柱的小的角部分而不涉及相应于完整的圆环或圆柱的形状。通过校正片的至少一个外侧面的相应弯曲提供校正片的弯曲。校正片的两个外侧面可以具有所期望的互补的弯曲，或者校正片的仅仅一个外侧面可以具有所期望的互补的弯曲，其中，相对置的外侧面例如沿着一平面延伸。

校正片的非平面平行(即校正片的单调的、严格单调的或者以恒定的厚度减小逐渐变薄的走向)或者楔形的构造包括校正片的如下走向：片的两个外表面朝向一个点、或者朝向一条直线、或者朝向其长度仅仅是校正片的外棱边的一部分的线逐渐变薄。无论是直线还是点均可以位于校正片内，优选位于校正片的边缘或者外棱边上，或者可以位于校正片走向延长中的一个位置上。根据一种观察方式，通过校正片的朝向一个点、一条直线或者一条线(如上所述)单调地、严格单调地或者恒定地减小的非恒定厚度来提供非平面平行的或者楔形的构造。

例如通过压制(尤其是平面平行的)透明的塑料板、尤其通过精密模压(Blankpressen)塑料校正板来提供校正片的非平面平行的、楔形的构造，所述塑料校正板在压制之后为校正片提供所期望的形状。

校正片与挡风玻璃成角度的布置涉及校正片的朝向挡风玻璃的外表面之间的角度，其中，在说明部分中还将详细描述通过所述角度提供的成角度的布置。

替代或结合光学措施(i)、(ii)和/或者(iii)，校正片的折射率也可以具有非恒定的变化。这例如通过组分或物理特性的相应各向异性实现(例如由于均匀的塑料板的非均匀挤压而引起的非均匀密度分布)。这根据本发明同样也可以称作形状偏差，尽管板本身在其外部尺寸方面不一定具有实体的物理形状偏差，但在其光学特性方面等同于实体的形状偏差。概念“实体的物理形状偏差”涉及板的外表面的走向。根据本发明，透过板的光线的不同于具有恒定折射率的平面平行板的光学特性的光学特性(一般性地)称作形状偏差。

所有这些措施被构造用于至少部分地补偿由挡风玻璃引起的失真或者畸变。

作为另一优选的实施方式，通过仅仅一个单独的校正片来提供根据本发明的方法和根据本发明的图像校正装置。根据本发明的校正片在所述实施方式中是设置在图像拍摄装置(及其透镜)与挡风玻璃之间的唯一的光学元件(即修改光路的元件)。图像拍摄装置可以设为常用的摄像机，其不具有其他光学校正元件或畸变元件，并且仅仅包括设置用于非失真的图像拍摄的透镜系统(具有至少一个透镜)，其中，基本上仅仅由所述单独的(优选单层的)校正片来提供由挡风玻璃引起的畸变校正。仅仅一个单独的校正片提供校正。

因为光路不仅透过挡风玻璃而且透过透明的校正片，所以彼此结合相应的作用，其中，校正片的作用与挡风玻璃的作用基本上互补。如果校正片以锐角成角度布置，则挡风玻璃仅仅从前面使射到挡风玻璃上的光路略有畸变，而在光路以基本上垂直的角度穿过时产生随着相对于挡风玻璃的角度增大的拉伸形式的明显更严重的畸变。因为相应的光路(以相对于校正片表面的不同角度)穿过校正片的全部厚度，所以通过相应的压缩来补偿由挡风玻璃引起的拉伸。因为拉伸与光路的角度相关，所以补偿(即压缩)也与光路的角度相关，但反过来。

除能够成本非常有利地实现并且占用很少空间的特别简单的构造以外，本发明能够通过校正片与挡风玻璃之间的角度的简单调整实现与不同的挡风玻璃几何形状(即尤其是倾斜角度和挡风玻璃厚度)的匹配。此外还可以通过简单的方式使校正片与挡风玻璃的特性相匹配以补偿由挡风玻璃引起的畸变，其方式是，适当地选择校正片的厚度、材料特性、尤其是校正片的折射率和(在必要时)校正片的形状或者曲率。

因此，根据本发明，为了校正，在透过挡风玻璃采集图像数据时在机动车内部设有图像拍摄系统，并且使图像拍摄系统的光轴对准机动车外面的拍摄区域。透过相对于光轴倾斜的挡风玻璃采集位于外部的拍摄区域的图像数据。为了补偿由此产生的畸变，在采集拍摄区域的图像数据时透过透明的校正片进行采集。在采集期间，透明的校正片相对于挡风玻璃成角度地或者倾斜地设置在车辆内部，或者弯曲地设置(与挡风玻璃的弯曲基本上互补)，或者设置为校正片的非平面平行的或楔形的构造，其中，通过所述布置，校正片的两个外表面具有相对于挡风玻璃的不同角度。可以如以上所述地组合这些措施。

校正片的折射率可以不同于制成挡风玻璃的材料的折射率。通过选择用于操纵校正片内部光路的折射率(或其变化)，可以使用于补偿的校正片与挡风玻璃及其光学特性相匹配。在此优选通过提供校正片的PMMA板来拍摄图像。

根据另一优选的实施方式，透过形成校正片的(例如平面平行的)板来采集图像数据。优选通过平面平行板在光轴所在的平面中相对于挡风玻璃倾斜来实现校正片和挡风玻璃之间的角度，即挡风玻璃与提供校正片的平面平行板之间的倾斜。优选地，校正片以一方位角相对于挡风玻璃倾斜。优选地，挡风玻璃与校正片之间的角度＜15°、＜10°、＜8°、＜5°、＜2°或者也＜1°，但优选＞0.1°、＞0.2°或者＞0.5°。

优选地，挡风玻璃以一正锐角相对于光轴倾斜。光轴基本上水平地延伸，相反挡风玻璃朝着车辆末端向上放置。

在所述系统中，校正片(透过所述校正片采集图像数据)同样也以一正锐角相对于挡风玻璃倾斜。角度的正负号取决于观察方向，从而根据一种替代的观察方式，挡风玻璃以一负锐角相对于光轴倾斜，并且校正片以一锐角相对于挡风玻璃倾斜，所述锐角具有相同的正负号，即是负的。

透明的校正片提供图像在一个方向的压缩，其中，在所述方向上挡风玻璃相对于光轴倾斜。因为挡风玻璃相对于光轴的倾斜或弯曲或楔形的构造在一个方向上、即在方位角方向上产生与压缩互补的拉伸，所以由校正片在所述方向上提供压缩。以在所述方向上、即在方位角方向上随着相对于挡风玻璃的角度增大而减小的压缩率提供压缩。光线走向相对于挡风玻璃越平坦地延伸，则由校正片产生的压缩也越小。光线越朝着挡风玻璃垂线(以及相对于校正片垂线)倾斜，则压缩率越大，因为由挡风玻璃提供的方位角方向上的拉伸随着角度而增大，即随着与垂线越来越靠近而增大。原则上，也可以将光路在垂直射到挡风玻璃上时经受的拉伸也视为非失真传输的归一化点，其中，随着相对于垂线的角度越来越大，挡风玻璃提供越来越大的压缩。然而，在所述观察中得到由校正片提供的相同压缩率变化。然而，与归一化点相关地，也可以在其相反的特性中、即作为由校正片引起的拉伸观察由校正片引起的压缩。

根据本发明的图像校正装置包括保持装置，其或者通过间接的固定或者通过直接的固定相对于挡风玻璃固定。保持装置如同校正片那样设置在机动车内部，尤其是乘客座舱中。根据本发明的透明校正片与保持装置连接。因此，校正片通过保持装置(以及在必要时附加的固定)在其相对于挡风玻璃的空间关系方面不变。尤其是，校正片与挡风玻璃之间的角度或校正片的弯曲走向(Krümmungsverlauf)或变薄走向(Verlauf der Verjüngung)由保持装置和固定确定。基于校正片与挡风玻璃之间的根据本发明的角度或者校正片的弯曲走向或变薄走向，如此定义保持装置，使得保持装置通过固定使校正片以一角度相对于挡风玻璃倾斜地定位，或者提供相对于挡风玻璃的弯曲走向或者变薄走向。由此尤其以相对于挡风玻璃的固定的空间关系定位机动车内部的挡风玻璃。

优选地，由保持装置保持的校正片的折射率与挡风玻璃的折射率不同，其中，校正片中的折射率空间分布也可以与挡风玻璃中的折射率分布不同。可以通过这些不同的折射率或者其分布，尤其是在考虑校正片与挡风玻璃之间的角度的情况下提供校正片的与挡风玻璃的光学作用互补的光学作用。

校正片优选被构造成板，根据一种特别的实施方式构造为平面平行的板。因此，校正片包括两个沿着两个(彼此平行的)平面或者曲面延伸的表面。但在必要时设置为板的校正片可以具有方位角方向上的弯曲，以便在必要时实现用于补偿由挡风玻璃引起的畸变的附加光学特性。如已经描述的那样，校正片优选由塑料材料、例如由PMMA制成，其中，但也可以由与制成挡风玻璃的材料不同的其他材料、例如玻璃制成。校正片优选具有与挡风玻璃相同的厚度，但也可以具有比挡风玻璃更小或更大的厚度，以便由此可以补偿由挡风玻璃引起的畸变。

通过图像校正装置的保持装置，挡风玻璃以一正锐角相对于机动车的纵轴线(光轴沿着所述纵轴线延伸)倾斜，或者具有相对于挡风玻璃的补偿的弯曲走向或者变薄走向。根据一种实施方式，校正片以一正锐角相对于挡风玻璃倾斜，其中，在此使用与观察挡风玻璃和纵轴线之间的角度时相同的观察系统。如已经提到的那样，在一个替代观察系统中，两个角度可以具有负号，但这两个角度与观察系统无关地一方面具有一锐角而另一方面具有相同的正负号。

本发明还通过一种包括根据本发明的图像校正装置的图像拍摄系统来实现。所述图像拍摄系统可以设置在机动车内部并且包括摄像机装置。图像校正装置在摄像机装置和挡风玻璃之间在图像拍摄系统和摄像机装置的光轴上设置在摄像机装置前面。因此，摄像机装置对准图像校正装置并且同时也对准机动车外面的拍摄区域。因此，摄像机装置总共透过图像校正装置并且透过挡风玻璃指向机动车外面的拍摄区域，其中，尤其是保持及其相对于挡风玻璃的固定提供摄像机装置的定向。在所述系统中，校正片优选是唯一的元件，光路穿过所述唯一的元件在摄像机装置与挡风玻璃之间延伸。

附图说明

图1示出根据本发明的装置的示意图，用于解释根据本发明的方法；

图2a和2b示出在未补偿的光学系统(图2a)中和在根据本发明的校正之后(图2b)的畸变误差。

具体实施方式

附图涉及本发明的一种特别构造，其中，校正片相对于挡风玻璃倾斜地设置。

本发明的其他没有示出的实施方式在于至少在挡风玻璃的延伸方向上与挡风玻璃互补的弯曲变化，或者至少部分地并且在挡风玻璃的至少一个延伸方向上补偿由挡风玻璃引起的畸变的变薄走向。

图1在横截面图中示出机动车的挡风玻璃10以及与所述挡风玻璃邻接的车顶20，所述车顶通过保持装置22保持挡风玻璃10。在车顶上设有另一个示意性示出的保持装置24，根据本发明的校正片30借助所述保持装置24与车顶固定在一起并且因此间接地与挡风玻璃10固定在一起。因此，校正片30与挡风玻璃10具有固定的空间关系。挡风玻璃10与校正片30之间的距离32仅仅用于示例性表示并且可以被减小到零。此外还可以看到校正片与挡风玻璃以一锐角40彼此设置。

在图1中示出的系统还包括具有成像透镜52和图像拍摄传感器54的图像拍摄系统50。这些定义整个光学系统的光轴56。摄像机装置50透过校正片30和挡风玻璃10对准拍摄区域60。拍摄区域60位于挡风玻璃前面并且位于挡风玻璃后面的乘客座舱70以外。

来自拍摄区域60的光线80以第一角度42射到挡风玻璃10上并且由于挡风玻璃10的折射率在挡风玻璃表面上折射并且朝着挡风玻璃10的垂线弯折。光线80越垂直地射到挡风玻璃上，即角度42越等于90°，则射到挡风玻璃上的光线与从挡风玻璃射出的光线82之间的角度差越大。因此产生角度值42和44之间的、与光线80的入射角相关的角度差。44是从挡风玻璃射出的光线82与挡风玻璃10所成的角度。如果所述角度差与光线80相对于挡风玻璃10的入射角无关，则可以通过恒定的、与角度无关的压缩——例如通过光学器件52、54的相应匹配来补偿由挡风玻璃引起的畸变。但因为光线80越陡地射到挡风玻璃10上，所述角度差越大，所以由挡风玻璃引起与角度相关的拉伸(或者压缩，取决于起点)，所述拉伸同样必须与角度相关地由校正片30补偿。通过校正片30相对于挡风玻璃的相应倾斜，产生与其互补的效应，其中，光线82在校正片30上的入射角46导致校正片30上的相应折射(基于其特性，尤其基于折射特性)，并且出射角48已被补偿了由挡风玻璃引起的畸变。通过如下方式进行补偿：将挡风玻璃上的近似垂直的入射角(强角度差)转换为明显更平坦地入射到校正片30上的光线，其中，同一光路在校正片上和在挡风玻璃上的入射角引起相对于其相应出射角的相应角度差，所述角度差是彼此互补的。由此得到所期望的相反的角度关系，借助所述角度关系可以通过校正片的校正效应来补偿挡风玻璃的畸变效应。

图2a示出两个彼此叠置的网格，其中，规则的并且未畸变的第一网格110表示标准网格，其引起拍摄区域中的标准输出光路(参见图1的附图标记60)。在图2a中向右延伸的轴线相应于在图1中垂直延伸到绘图平面中的方向，其中，在图2a中向上的轴线相应于方位角，即在图1相应于绘图平面中向上的轴线。标有附图标记120的网格相应于穿过挡风玻璃(在图1中：附图标记10)之后的标准图案110。可以看出，在下方区域中，即在入射角非常平的情况下(参见图1的附图标记42)，仅产生略微的畸变，其中，入射角越接近挡风玻璃的垂线，畸变明显增大。尤其可以看出，最上一行以近似于2的因数在方位角方向上、即在图2a中的Y方向上拉伸。

如已经根据图1阐述的那样，通过校正片的互补效应消除所述与角度相关的畸变，所述校正片对于强垂直入射的光路提供压缩，所述压缩对于较平地入射的光路而言较小。因此，图2b示出已经在图2a中示出的射到挡风玻璃上的标准图案110′以及相应的、通过挡风玻璃畸变的并且通过校正片校正的图像120′。由图2b和图2a之间的比较可以看出，通过根据本发明的校正可以几乎完全补偿由挡风玻璃引起的畸变，使得由摄像机系统采集的图案120′与原始发射的标准图案110′几乎相同。

由图2a和2b之间的比较还可以看出，在图2a中、尤其是在上面几行中可看到附加的水平枕形畸变，其可以通过校正片的适当弯曲来补偿。适当的弯曲基本上相应于所述区域中挡风玻璃的弯曲。因此，校正片的朝向挡风玻璃的表面优选与挡风玻璃的朝向校正片的表面等距地延伸。校正片的相对置的表面与校正片的朝向挡风玻璃的表面等距地延伸。

Claims (11)

1.用于透过挡风玻璃(10)无失真地采集图像数据的方法，所述方法包括以下步骤：

在机动车的内部(70)设置图像拍摄系统(50)；

使所述图像拍摄系统(50)沿着所述图像拍摄系统(50)的光轴(56)对准所述机动车外面的拍摄区域(60)，以及

透过所述挡风玻璃(10)采集所述拍摄区域(60)的图像数据，所述挡风玻璃相对于所述光轴(56)倾斜，

其特征在于，在采集所述图像数据时，所述图像拍摄系统透过一透明的校正片(30)检测所述拍摄区域(60)，并且所述透明的校正片(30)具有相对于所述挡风玻璃(10)的形状偏差并且设置在所述机动车的内部。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述形状偏差是相对于一板的偏差，所述板是平面平行的并且与挡风玻璃平行，并且通过以下方式提供所述形状偏差：(i)所述校正片的弯曲与所述挡风玻璃的弯曲基本上互补；(ii)所述校正片非平面平行地或楔形地构造，或者(iii)所述校正片相对于所述挡风玻璃成角度地布置，或者所述以上的组合提供。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，透过所述校正片(30)采集所述图像数据，所述校正片的折射率与所述挡风玻璃(10)的折射率不同。

4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，透过所述校正片(30)采集所述图像数据，所述校正片被构造为平面平行的板，并且在所述光轴(56)所在的平面中相对于所述挡风玻璃(10)倾斜。

5.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，所述挡风玻璃(10)以一正锐角相对于所述光轴(56)倾斜，并且所述校正片(30)以一正锐角(40)相对于所述挡风玻璃(10)倾斜，透过所述校正片采集所述图像数据。

6.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，所述透明的校正片(30)在一个方向上提供图像的压缩，所述挡风玻璃(10)在所述方向上相对于所述光轴(56)倾斜，并且所述压缩具有在所述方向上随着相对于所述挡风玻璃(10)的角度(40)增大而减小的压缩率。

7.图像校正装置，其包括：

保持装置(24)，所述保持装置被设置用于在机动车内部间接或直接地固定在挡风玻璃(10)上，

透明的校正片(30)，所述透明的校正片固定在所述保持装置(24)上，其中，所述保持装置通过所述固定将所述校正片(30)带有相对于所述挡风玻璃(10)的形状偏差地定位在所述机动车的内部(70)。

8.根据权利要求7所述的图像校正装置，其中，所述校正片(30)的折射率与所述挡风玻璃(10)的折射率不同，或者所述校正片(30)的折射率的空间分布与所述挡风玻璃(10)的折射率的分布不同。

9.根据权利要求7或8所述的图像校正装置，其中，所述校正片(30)被构造为平面平行的板。

10.根据权利要求7、8或9所述的图像校正装置，其中，所述挡风玻璃(10)以一正锐角相对于所述机动车的纵轴线倾斜，光轴(56)沿着所述纵轴线延伸，并且所述校正片以一正锐角(40)相对于所述挡风玻璃(10)倾斜。

11.图像拍摄系统，其具有根据权利要求7-10中任一项所述的图像校正装置，所述图像拍摄系统设置在所述机动车的内部(70)并且包括一摄像机装置(50)，其中，图像校正装置(30)在摄像机装置(50)和挡风玻璃之间在所述图像拍摄系统和所述摄像机装置(50)的光轴(56)上设置在所述摄像机装置(50)前面，并且所述摄像机装置透过所述图像校正装置和透过所述挡风玻璃指向所述机动车外面的拍摄区域(60)。

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