CN106461762A - 对象检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

对象检测系统用于视场内的对象检测。光源向视场提供检测光照并且传感器感测来自视场的反射的光。飞行时间分析用于提供针对视场内的对象的距离或存在信息。控制器被适配成取得涉及距离或存在信息的信号质量参数并且依赖于信号质量参数而控制光源强度。以该方式，通过使检测系统设置适配于所观察的场景而使得能量节省成为可能。

Description

对象检测系统和方法

技术领域

本发明涉及对象检测系统，例如用于在控制照明系统以通过监控活动来提供能量节省中使用。

背景技术

对象检测可以由照明系统所使用以提供对照明的自动化控制，例如以在不需要照明时提供能量节省。

对象检测可以基于使用飞行时间传感器原理而将范围映射到视场内的对象。飞行时间测量是基于被投射到所观察的场景上的主动光照。来自主动光照源的反射的光由传感器所捕获，传感器测量所传送和接收的光照之间的相位，从该相位可以取得 飞行时间以及因此范围。通过分析针对完整视场的范围信息，可以使用图像分析技术来标识对象。

相位测量以及因而范围数据的准确度取决于场景中的对象的光照强度和反射率。

已知的飞行时间解决方案例如可能旨在通过使用强烈且均匀的光照而达到针对整个所观察的区域的厘米准确度。然而，诸如室外照明控制之类的一些应用实际上取决于感测任务和对象属性而要求明显更低的准确度。针对其检测任务而优化的感测解决方案因此将总是导致比额外指定的解决方案更低的能耗。

因此，存在使感测功能适应于所要求的准确程度的需要。这在飞行时间感测的情况下特别重要，因为其要求连续的主动光照，这要求比被动感测方法更多的能量。

发明内容

本发明由权利要求限定。

根据本发明，提供了一种用于视场内的对象检测的对象检测系统，包括：

用于向视场提供检测光照的光源；

用于感测来自视场的反射的光的传感器；以及

用于处理所感测的反射的光并且用于执行飞行时间分析以提供关于视场内的对象的距离或存在信息的控制器，

其中控制器被适配成取得涉及距离或存在信息的信号质量参数并且依赖于信号质量参数而控制光源强度。

本发明是基于以下认识：用于飞行时间系统的光照强度可以根据所测量的信号质量来适配，例如与所要求的信号质量相组合。例如，具有高反射率的场景的背景的部分给出更高的信号质量并且因此可以要求更低的光照强度。

以该方式，可以获得用于飞行时间感测的优化的光照强度。强度可例如取决于所观察的场景中的信噪水平。光照强度然后可以基于要检测的对象以及场景的属性而优化。具有高反射率的对象的检测要求较低的光照强度。而且，较大尺寸的对象要求较少的光照强度，因为对象将占据感测矩阵的更多元件。来自多个感测元件的信息在该情况下可以用于增大信噪比。

例如，在基于存在的照明应用中，相比于较小且不太反射的行人而言，车辆的检测要求较低的飞行时间光照强度。最佳的飞行时间光照强度可以通过场景中的信号质量水平的分析来确定和/或由规定的检测任务来限定。

控制器可以适配成比较信号质量参数与目标值并且响应于比较而控制光源强度。以该方式，用于信号质量的目标值被设定，并且这对应于针对特定场景以及要检测的对象的所要求的信号质量。以该方式，光照强度可以保持为最低而同时确保可以实施期望的对象检测。

系统可以包括用于向视场的不同分区提供检测光照的至少第一和第二光源，其中控制器适配成针对每个分区比较信号质量参数与相应的目标并且响应于比较而控制用于每一个光源的光源强度。

这使得能够实现单独地处置视场的不同部分。例如，视场的不同分区可以包括指定用于车辆的第一分区和指定用于行人的第二分区，或者相对高的背景反射率的第一分区和相对低的背景反射率的第二分区。相比于针对人员而言，车辆检测可以要求用于更低的信号质量，并且类似地，高度反射的背景可以给出用于给定光照强度的改进的信号质量。

本发明还提供了一种照明系统，包括：

本发明的对象检测系统；以及

用于照明视场的照明系统。

照明系统然后可以依赖于通过对象检测系统的对象的检测而被控制。这使得照明能够对人员（行人或车辆驾驶员）的存在作出反应，使得仅在需要时提供照明。这使得能够获得电力节省。照明系统可以包括街灯。

本发明还提供了一种用于视场内的对象检测的对象检测方法，包括：

向视场提供检测光照；

感测来自视场的反射的光；

处理所感测的反射的光并且执行飞行时间分析以提供关于视场内的对象的距离或存在信息；

取得涉及距离或存在信息的信号质量参数；以及

依赖于信号质量参数来控制检测光照的强度。

本发明还提供了一种包括代码构件的计算机程序，该代码构件适配成当其在计算机上运行时实施本发明的方法。

附图说明

现在将参照附图详细描述本发明的示例，其中：

图1示出了通过场景的飞行时间分析获取的信息的第一示例；

图2示出了通过场景的飞行时间分析获取的信息的第二示例；

图3示出了在道路照明灯具内使用的本发明的系统的示例；

图4示出了本发明的方法；以及

图5用于示出视场的不同分区如何可以具有适用于飞行时间分析的不同光照强度。

具体实施方式

本发明提供了一种用于视场内的对象检测的对象检测系统。光源向视场提供检测光照并且传感器感测来自视场的反射的光。飞行时间分析用于提供针对视场内的对象的距离或存在信息。控制器被适配成取得 涉及距离或存在信息的信号质量参数并且依赖于信号质量参数而控制光源强度。以该方式，通过使检测系统设置适配于所观察的场景而使得能量节省成为可能。

通过控制光源强度，基于检测任务来适配所传送的光学功率，使得实现较低功耗并且生成较少的热能。较低功耗可以例如使得由太阳能或电池供电的设备能够在较长时段内操作。减少的热能耗散使得能够实现更为紧凑的模块的设计，并且与感测模态本身有关的减少的热干扰导致较低的噪声水平。

图1示出了表示使用在6m高度处朝向地面定向的飞行时间成像仪的范围测量的图像。图像是被光照的场景的顶视图。例如，这表示从灯杆或灯柱的顶部向下的视图。

以灰度级图表示范围距离，其中较浅的阴影表示较近的对象并且较深的阴影表示更远的对象。

分区10表示草坪区域，而分区12表示道路表面。由于减少的反射性属性的缘故，范围数据中的变化对于草坪区域10而言更大。因而，可以看出，信噪比对于区域10而言更低。

图像包含坐标（x,y:75,100）处的行人。由于行人和道路表面二者的高反射率，对行人的区分由于高信噪比而不重要。在该情况下，降低飞行时间光照强度将仍旧导致适当的检测性能。

替代地，如果行人正在草坪表面10上行走，则信噪比将较低，并且对于适当的检测性能，要求更多的光照来创建类似的对比度。

图2示出了当存在车辆16时具有相同设定的范围测量。由于其尺寸的缘故，车辆占据视场的较大区域并且因此光照感测矩阵的更多元件。来自所有这些元件的信息的累加可以用于显著地改进信噪比并且因而使得能够实现甚至更低的光照强度。

图3示出了根据本发明的对象检测系统的示例，其集成到道路照明灯具18中。其包括用于向视场提供检测光照22的光源20以及用于感测来自视场的反射的光26的传感器24。传感器例如包括电荷耦合器件（CCD）光学传感器或光电二极管阵列。

本发明是基于以下认识：不同类型的对象和照明条件要求用于场景的光照的不同光学功率以用于由传感器处理。

对象越大，就可以应用越多的噪声过滤，使得针对可接受的检测而言要求较少的光学功率。

对象和背景之间的对比度可以通过对象关于背景的高反射系数或者通过背景关于对象的高反射系数而引起。在第一种情况下，光学功率水平可以被选取成使得仅场景中的对象提供充足的反射率以使得能够确定范围或存在信息。在后一种情况下，提供最小量的光学功率来检测背景，使得前景对象将基于范围或存在信息的缺失而引起读数。

对象和背景的不同吸收和反射属性将与波长有关。除与波长有关的吸收之外，表面特性也发挥着作用。例如，相比于具有高反射率的不可渗透的表面而言，多孔表面将更多地衰减入射光。

用于对象检测的波长可以例如是通常在飞行时间系统中使用的典型的近红外（NIR）带（例如，830nm到940nm）。取决于要检测的对象/背景的频谱属性，波长还可以包括典型光源（例如，LED）的可见的小部分或完整的频谱。

控制器28处理所感测的反射光26并且执行飞行时间分析以提供到视场内的对象的距离信息，或者另外地执行更为简单的存在检测。

灯具具有用于利用可见光来光照场景的单独的光源29。

飞行时间分析是公知的，并且飞行时间相机例如是广泛地可获得的。飞行时间相机通过针对图像的每一个点测量主题与相机之间的所发射的光信号的飞行时间而基于已知光速度来求解距离。整个场景可以利用每一个激光或光脉冲来捕获，使得不要求扫描系统。已知的系统覆盖几厘米到高达若干千米的范围。距离分辨率为大约1cm。作为示例，传感器可以包括320x240像素的阵列。像素数目可以根据系统需要进行选择，并且当然，更多的像素被提供，就要求更多的图像处理。系统可以非常快地操作，例如每秒提供高达160个图像。

最简单版本的飞行时间系统使用光脉冲。光照在非常短的时间内被接通，并且所得到的光脉冲光照场景并由对象反射。传感器搜集反射的光并且将它成像到传感器平面上。

取决于距离，传入的光经历延迟。因为光具有大概c=300,000,000米每秒的速度，所以该延迟非常短：远离2.5m的对象将使光延迟16.66ns。

光照的脉冲宽度确定相机可以处置的最大范围。在例如50ns的脉冲宽度的情况下，范围限于7.5m。

为了生成所要求的短的光脉冲，可以使用LED或激光器。

传感器平面包括像素的阵列，每一个像素包括诸如光电二极管之列的光敏元件。飞行时间测量可以例如利用以若干吉赫运行、连接到每个光电检测器像素的时间计数器，其在感测到光时停止计数。

为了消除背景信号的影响，测量可以在光照被切断的情况下执行第二次。还可能的是，通过利用以附加脉冲宽度延迟的控制信号执行第二测量而消除进一步远离距离范围的对象的效应。

飞行时间系统实质上创建诸如在图1和2中所示的距离图。为了识别视场内的对象，基于要检测的对象的已知特性而执行图像处理技术，诸如基于其尺寸、反射系数、预期的移动速度等。标准图像处理技术可以用于基于距离图的对象检测。作为可替换方案（在下文讨论），替代于像素化的距离图，可以提供对象的简单检测，即，基于场景和已知静态背景之间的差异的检测。在该情况下，不要求图像处理来尝试标识对象的本性。因而，在该示例中，飞行时间传感器生成存在信息而不是距离信息。

依照本发明，控制器28被适配成取得 涉及距离信息的信号质量参数（即，飞行时间数据）并且取决于信号质量参数而控制光源强度。例如，该信号质量参数可以包括信噪比。

出于该目的，控制器实施在观察到场景及其对象时估计飞行时间传感器信号的信噪比的算法。

为了获取信噪比，可以通过机器学习过程或统计分析来构造背景模型，通过该背景模型分析一段时间内的观察以除去由移动的对象引起的干扰。对于图像中的每一个像素位置，可以获得噪声基底（例如，通过高斯混合建模）。替代于个体像素水平下的颗粒度，可以使用较大的分区来获得统计（例如，8x8块）。

基于所构造的背景模型，由于相对于背景的像素值中的改变，感兴趣的对象可以被标识。对象将包括像素群组，可以从其取得 对象的典型形状属性。对应的像素值被用于基于多个观察（机器学习或统计分析）而建立通用对象模型。基于所检测的对比度，光学功率然后可以被适配成使得能够以充分的检测性能实现最佳能量效率。真实信号则是基于所建模的噪声基底和经训练的对象模型的阈值以上的信号中的偏离。

信噪比仅仅是适当测量的一个示例。可以测量其它参数而不是测量信噪比，其它参数本身对信噪比具有影响。这些参数因而可以被视为信号质量参数，并且它们还可以用作信号质量的指示符，使得可以调节所要求的光学功率。

例如，可以考虑到所检测的对象的时间属性。将更多地观察到缓慢移动的对象，并且因而时间过滤可以改进信噪比以及因而较低的光学功率。对象的速度可以利用计算机视觉中常见的对象追踪算法来取得 。

对象的空间属性也具有影响。大的对象包括更多的像素，并且因而空间过滤可以改进信噪比以及因而较低的光学功率。对象的形状可以利用计算机视觉中常见的形态/形状分析算法来取得 。

除范围信息（3D信息）之外，飞行时间分析也可以提供外观信息（在比如2D平常相机中）。具有高明亮度的对象要求较少的发射的光学功率来提供范围信息，使得可以考虑到反射系数属性。对象的明亮度可以利用基本的计算机视觉算法取得 。

还可以取得 对象的3D几何形状。具有独特3D几何形状/签名（例如，倾斜、非连续性等）的对象将相对于背景的平面表面而凸显。更为特异/独特的3D轮廓导致在3D中与背景的更高的对比度并且因而将要求减少的光学功率。

环境光照（人造或太阳光）将影响信噪比。较少的环境光将改进信噪比并且因而将要求减少的光学功率。这可以通过强度信息的图像分析直接地被测量。

对于特定的检测任务，可以预设定对应于提供检测功能的正确能力的对应的目标信噪比（或针对其它质量参数的目标值）。

这样的目标值可以例如基于来自校准测量的信息而在产品研发期间被建模。在传感器配置期间，用户可以指示传感器视场内的分区并且描述其流量类型（汽车、行人等）或地面覆盖类型（道路、草坪等）。因而，用户或工厂校准功能可以用于帮助学习过程。在传感器初始化期间，传感器可以基于对象和背景模型之间的测量的信噪比来适配预编程的传感器行为。在正常操作期间，传感器可以监控信噪水平并且在大的偏离的情况下更新对象和背景模型。因而，可以使用学习过程以维持准确的感测。

基于目标信噪比水平，可以取得 针对飞行时间系统的最低要求的光照强度。光照系统然后被控制适配于所要求的光照强度。这可以包括用于视场的不同部分的单个光源或者多个光源。

图4示出了方法。该方法在步骤30中开始。在步骤32中，以常规方式执行飞行时间分析。检测光源的光照设置将已经通过方法的之前迭代而被设定，或者其可以包括初始的起始值。例如，在启动时，可以使用最大强度，并且系统然后降低该强度直到达到限度为止。

在步骤34中，获得信号质量参数，诸如信噪比（SNR）。

在步骤36中，将信号质量参数与目标进行比较。

在步骤38中，基于信号质量与目标值的比较而设定检测照明强度。

过程连续地重复直到系统关断并且过程然后在步骤40中结束。

相比于飞行时间分析，强度设置可以不太频繁地被执行。

典型地，飞行时间传感器以30Hz的采样速率运行。然而，不要求以相同的频率适来配强度。信噪比取决于相对缓慢地改变的条件，比如天气条件和环境光水平（日落、日间、日没、夜晚时间）。因而，强度的更新速率将是低频率的（例如，比1分钟大得多）。灯具的状态也可影响信噪比并且强度可以以与灯具输出的切换相同的频率被适配（例如，30秒到15分钟）。

系统的一个应用是针对特定对象类型而适配光照。

图5（a）示出了其中光照强度针对流量类型变化的示例。

在该示例中，系统包括用于向视场的不同分区提供检测光照的两个光源。每一个分区具有其自身的目标信号质量参数，并且基于信号质量比较来控制每一个光源的光源强度。

视场包括指定用于车辆的第一分区50和指定用于行人的第二分区52。除对象类型方面的差异之外，不同的分区也可具有不同的背景特性。例如，第一分区50可以具有相对高的背景反射率（诸如，道路），而第二分区具有相对低的背景反射率（诸如，草坪边缘）。

不太强烈的检测照明射束可以用于仅具有车辆的分区50，而更强烈的检测光照射束可以用于行人区域52。该系统可以利用观察单独的射束的两个单独的飞行时间传感器而实现，或者另外地，单个的（多元件）飞行时间传感器可以观察两个射束。

关于背景属性，具有较少的反射表面的区域52可以通过具有正常强度的射束来光照，而具有高反射率的分区50可以利用较低的光照强度。

图5（b）示出了其中光照强度针对背景表面的类型而变化，甚至针对相同流量类型而变化的示例。在该情况下，将在两个不同分区中检测人员。

目标信号质量参数因而将考虑到视场中或者视场的不同部分中的场景的本性二者，以及要利用视场或者视场的相应部分被检测的对象的尺寸和反射特性。要检测的对象可以在不同的分区中相同（图5（b）），或者场景可以相同（诸如，柏油人行道和柏油道路）但是目标可以不同，或者另外地，可以存在二者中的差异（图5（a））。

检测照明强度还可以适配成考虑到对象距离。反射的信号取决于对象反射率和对象距离，使得紧密的对象将具有强反射。范围信息因而还可以用于适配光照强度。该方案还可以用于防止具有低反射率的附近对象的强烈光照。

为了创建图1和2的距离图图像，可以使用的是使用传感器元件阵列的飞行时间传感器。然而，在最简单的实施例中，可以使用单元件飞行时间传感器（例如，针对一个单独视场一个元件）。单个的检测器元件可以简单地用于提供存在与不存在之间的区分，其中没有空间信息。飞行时间传感器将向视场中的对象提供最短的范围。

基于所检测的范围和信号强度，甚至从单个元件传感器辨别车辆或行人的存在而可以成为可能。因而，然后可能不要求两个单独的专用检测区。

所要求的检测照明强度可以通过在单元件飞行时间传感器的情况下监控信噪水平或者在多元件飞行时间传感器的情况下监控信噪水平的分布来估计。

所要求的光照强度可以考虑到用户输入，例如以给出关于视场的本性和所要求的检测任务的信息。这可以例如替换或者简化校准或初始化阶段。

如将从以上示例清楚的，本发明对使用主动光照而进行照明控制和活动监控感兴趣。可以使得能耗方面的减少以及改进的性能成为可能。

然而，本发明还适用于传感器驱动的应用，比如手势控制。在该情况下，目的不是检测特定类型的对象的存在，而是检测特定手势。再次，将存在处于其中不再能够检测到手势的阈值信号质量水平，并且系统通过减少光照强度直到逼近该阈值而使得能够实现电力节省。

如上文所讨论的，本发明利用控制器。控制器可以以众多方式利用软件和/或硬件而被实施，以执行所要求的各种功能。处理器是控制器的一个示例，其采用可以使用软件（例如，微代码）被编程以执行所要求的功能的一个或多个微处理器。然而，控制器可以在采用或不采用处理器的情况下被实施，并且还可以被实施为执行一些功能的专用硬件和执行其它功能的处理器（例如，一个或多个编程微处理器和相关联的电路）的组合。

可以在本公开的各种实施例中采用的控制器组件的示例包括但不限于，常规微处理器、专用集成电路（ASIC）和现场可编程门阵列（FPGA）。

在各种实施方式中，处理器或控制器可以与一个或多个存储介质相关联，诸如易失性和非易失性计算机存储器，诸如RAM、PROM、EPROM和EEPROM。存储介质可以编码有一个或多个程序，当程序在一个或多个处理器和/或控制器上运行时，其执行所要求的功能。各种存储介质可以固定在处理器或控制器内或者可以是可输运的，使得存储在其上的一个或多个程序可以加载到处理器或控制器中。

本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，通过研究附图、公开内容和随附权利要求，可以理解和实现对所公开的实施例的其它变形。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的仅有事实不指示这些措施的组合不能用于获益。权利要求中的任何参考标记不应当解释为限制范围。

Claims (14)

1.一种用于视场内的对象检测的对象检测系统，包括：

用于向视场提供检测光照（22）的光源（20）；

用于感测来自视场的反射（26）的光的传感器（24）；以及

用于处理所感测的反射的光并且用于执行飞行时间分析以提供关于视场内的对象的距离或存在信息的控制器（28），

其中控制器（28）被适配成取得关于距离或存在信息的信号质量参数，并且依赖于信号质量参数来控制光源强度，信号质量参数包括信噪比。

2.如权利要求1中要求保护的系统，其中控制器（28）被适配成比较信号质量参数与目标值并且响应于比较而控制光源强度。

3.如任意前述的权利要求中要求保护的系统，其中系统包括用于向视场的不同分区提供检测光照的至少第一和第二光源，其中控制器（28）被适配成针对每个分区比较信号质量参数与相应的目标，并且响应于比较而控制用于每一个光源的光源强度。

4. 如权利要求3中要求保护的系统，其中视场的不同分区包括：

指定用于车辆的第一分区（50）和指定用于行人的第二分区（52）；或者

相对高的背景反射率的第一分区（50）和相对低的背景反射率的第二分区（52）。

5.如权利要求4中要求保护的系统，其中第一分区（50）包括道路并且第二分区（52）包括草坪边缘。

6. 一种照明系统，包括：

如任一之前的权利要求中要求保护的对象检测系统；以及

用于照明视场的照明系统（29）。

7.如权利要求6中要求保护的照明系统，其中依赖于通过对象检测系统的对象的检测来控制照明系统（29）。

8.如权利要求6或7中要求保护的照明系统，包括街灯。

9.一种用于视场内的对象检测的对象检测方法，包括：

向视场提供检测光照（22）；

感测来自视场的反射的光（26）；

处理所感测的反射的光并且执行飞行时间分析以提供关于视场内的对象的距离或存在信息；

取得涉及距离或存在信息的包括信噪比的信号质量参数；以及

依赖于信号质量参数来控制检测光照（22）的强度。

10.如权利要求9中要求保护的方法，包括比较信号质量参数与目标值并且响应于比较而控制检测光照（22）的强度。

11.如权利要求9或10中要求保护的方法，包括：

向视场的不同分区提供检测光照（22）；

针对每个分区比较信号质量参数与相应的目标，并且响应于比较而控制用于每一个光源的光源强度。

12. 如权利要求11中要求保护的方法，其中视场的不同分区包括：

指定用于车辆的第一分区（50）和指定用于行人的第二分区（52）；或者

相对高的背景反射率的第一分区（50）和相对低的背景反射率的第二分区（52）。

13. 一种提供照明的方法，包括：

使用如权利要求9-12中任一项中要求保护的方法来执行对象检测；以及

依赖于通过对象检测的对象的检测而控制视场的照明。

14.一种包括代码构件的计算机程序，所述代码构件适配成在计算机上运行时实施权利要求9-13中任一项的方法。