CN109716111A - 用于确定重影角和/或视角的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定光源(11)在透明对象(14)上的重影角(20)的设备和方法。设备包括：照明装置(10)，其具有多个至少部分同时发光的点状光源(11)；带有至少一个摄像机(16)的2维标靶(16a)，其中至少一个摄像机(16)设立为，在同一时间检测多个同时发光的光源(11)的初级图像(21a,71a)和次级图像(21b,71b)的位置，其中光源(11)的初级图像(21a,71a)和次级图像(21b,71b)通过透明对象(14)的由光源(11)照射的体积元(14a)在标靶(16a)上产生；以及分析处理装置(18)，其设立为，根据初级图像(21a,71a)和次级图像(21b,71b)的位置确定透明对象(14)的相应体积元(14a)的重影角(20)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于确定光源在透明对象上的重影角和/或视角的设备。本发明还涉及一种用于确定重影角和/或视角的方法。
背景技术
根据联合国欧洲经济委员会(UNECE)在2014年2月12日发布的关于安全玻璃材料及其在车辆中的安装的43号规章，透明对象如挡风玻璃或其他玻璃必须经受重影检测。根据该规章，重影是物体的除了亮的初级图像(初级图像)外出现的次级图像(次级图像)。如果物体(例如驶近的车辆的前照灯或街灯的灯)相比于环境非常亮，那么次级图像特别是在夜间让人觉得干扰。
重影角ρ(也称为重影分离)是物体的初级图像与次级图像的位置之间的角度。重影角ρ由透明对象的几何特征决定且与观察者和物体的位置无关。重影角ρ因此描述了透明对象的特征。对于楔形透明对象，重影角的计算在以下给出为等式F1。相比之下，视角σ描述如下角度，观察者或摄像机在该角度下感知到物体的重影。视角σ因此与观察者或摄像机的位置、光源的位置以及透明对象的几何特征有关。
次级图像通过光的多次反射和透射产生。在本发明的范围中特别是考虑如下次级图像，该次级图像在透射中生成，亦即当透过透明对象观察物体时。
在所述规章中执行用于检测重影角的方法。在已知方法中，以预定倾斜角且与带有环-孔形式的物体的被照明的板间隔开一段距离地布置挡风玻璃。透过挡风玻璃观测被照明的环-孔-板，其中所述观测在环-孔-板的中点所在的水平平面中实现。依次单个地透过要检测的挡风玻璃的每个部段观测环-孔-板。如果在挡风玻璃的一个部位处，孔的次级图像移动超出环的初级图像的内边缘，那么重影角的界限值被超出且挡风玻璃被分类为不符合质量要求。
在另一已知方法中，挡风玻璃布置在观测望远镜与准直望远镜之间。准直望远镜无限地成像出带有位于中点的亮点的极坐标系。在观测望远镜的焦平面中在光轴上还存在暗点。重影角作为两个通过观测望远镜示出的亮点之间的间距在极坐标系中读出，其中第一点表示初级图像，而第二亮点表示次级图像。通过极坐标系的同时成像，可以比之前示出的方法更准确地确定重影角。
重影检测越来越获得重要性。重影引起玻璃的差的外观观感。再者，基于在其间增强地在车辆中集成的平视显示器，在玻璃中提出关于重影的新的或提高的要求。此外通过重影也可以干扰在车辆的辅助系统中应用的摄像机。
为了满足该高的要求，应特别是对于汽车玻璃尽可能全面地以非常高的测量点密度检测重影角，其中每个玻璃需要高达200万个测量点。在此，符合质量要求的玻璃的重影角在可见范围中不允许超过最大允许的值。
根据43号规章的上述检测方法的缺点在于，必须在要检测的玻璃的每个点上单个实施测量，这是耗时的。如果应在短时中检查尽可能多的玻璃，那么必须同时运行多个检测设备。这引起附加成本。此外，至少必须或者使玻璃或者使被照明的板在两个相继的测量点之间运动。大量的运动使得该方法变得复杂，提高了出现校正误差以及运动部件磨损的危险。
发明内容
本发明的任务因此在于，实现一种用于确定在透明对象上的重影角和/或视角的设备，该设备可简单地构造且也可以在具有大的面积的透明对象上快速和可靠地以高的测量点密度确定重影角和/或视角。任务此外还在于，给出一种用于确定在透明对象上的重影角和/或视角的方法，利用该方法可以简单和快速地以高的测量点密度检测透明对象的重影角和/或视角。
上述任务通过具有权利要求1的特征的设备来解决。
按照本发明的用于确定重影角和/或视角的设备特别是包括：
·照明装置，其具有多个至少部分同时发光的点状光源；
·至少一个摄像机，其设立为，在同一时间在一标靶上检测多个同时发光的光源的初级图像和次级图像的位置，其中，同一个光源的初级图像和次级图像透过由该光源照明的透明对象的体积元在标靶上产生；以及
·分析处理装置，其设立为，基于初级图像和次级图像的位置确定透明对象的相应体积元的重影角和/或视角。
在本发明的范围中，术语“体积元”理解为透明对象的3维部段，其在透明对象的整个厚度上延伸，亦即从其前侧延伸直至其后侧。在此将透明对象的朝向照明装置的侧称作透明对象的前侧，而相应地称透明对象的与前侧对置的侧为后侧。透明对象因此由多个体积元组成。一般地，在透明对象的不同体积元上生成的重影角和/或视角可以具有不同值。每个体积元通过照明装置的多个光源中的一个唯一的光源来照明。照明装置位于透明对象之前，而标靶沿光路布置在透明对象之后。重影角和/或视角的确定因此在透射中实现。
透明对象优选是玻璃，特别优选是挡风玻璃。特别是，玻璃可以完全或部分由预应力玻璃或复合玻璃制成。此外玻璃可以是例如玻璃板、带有塑料的安全玻璃、玻璃-塑料-玻璃化物、塑料玻璃化物、复合安全玻璃或防弹玻璃。
透明对象、特别是挡风玻璃为了测量重影角和/或视角典型地以预定倾斜角布置，其中,预定倾斜角特别优选地相应于透明对象的随后的安装位置。在重影角的确定过程中，光源和摄像机布置在一个水平平面上。透明对象的倾斜角在此是由透明对象的上边缘到下边缘的连线与沿竖直方向的线所夹的角。透明对象的高度是其沿竖直方向的伸展尺寸。透明对象可以相对于照明装置和标靶至少沿水平方向运动。例如在检测重影角或视角时挡风玻璃的安装位置、特别是其倾斜角由如下方式设定，即：挡风玻璃应如何应用于车辆中。水平平面在该情况下平行于车辆底部的平面。
标靶可以通过至少一个摄像机的拍摄面(如例如胶片、CCD芯片或CMOS芯片)或图像传感器形成，从而在该情况下摄像机直接检测初级和次级图像。作为标靶但是也可以设有至少一个屏幕/荧光屏或类似的2维成像面，其中光源的初级和次级图像成像在该屏幕或类似的2维成像面上。在该情况下至少一个摄像机拍摄由成像面成像的初级和次级图像。
利用按照本发明的设备可以对于多个体积元、更确切地说对于由光源照明的每个体积元同时确定重影角和/或视角，而无需透明对象相对于照明装置和标靶运动。利用每个光源检测一个唯一的、基于光的光路而言所属的体积元的重影角和/或视角，相应光源的光穿过该体积元，其中，通过不同光源同时确定不同体积元的重影性能。由此极大地缩短对于透明对象的质量控制所需的时间。
发光的光源的初级和次级图像的位置在标靶上优选2维地进行检测。每个位置因此具有水平和竖直分量。标靶优选垂直于从光源至标靶的光路的水平面。
为了确定体积元的重影角和/或视角，确定在对象上次级图像的位置与初级图像的位置的间距。重影角和/或视角可以从中借助于已知的三角函数来计算，这是因为由光源直至标靶的光路的长度和透明对象在光路中的位置是已知的。优选地，确认初级图像的位置和次级图像的位置的间距是否大于预定的间距最大值就足够了。假如间距大于间距最大值，那么将透明对象分级为有缺陷的。通过这种方式可以降低在确定重影角或视角时的成本。
在另一优选实施例中，在同一时间通过摄像机检测如下照明装置的初级图像和次级图像的位置，该照明装置具有一行或彼此水平并排的多行多个上下叠置(竖直布置)的光源。特别优选地，在此由一行光源同时在透明对象的整个高度上照明体积元。通过这种方式，在一个步骤中对于在透明对象的整个高度上延伸的体积元确定重影角和/或视角。为了完全分析透明对象，随后使该透明对象沿水平方向相对于照明装置和标靶运动。备选地可以在同一时间通过摄像机检测如下照明装置的初级图像和次级图像的位置，该照明装置具有一行或竖直叠置的多行水平并排布置的光源，它们同时在透明对象的整个宽度上照明体积元。
在本发明的一个改进方案中，标靶具有至少两个摄像机，其设立为，在同一时间检测同时发光的光源的初级图像和次级图像的位置。由此可以同时对于透明对象的更多体积元确定重影角和/或视角。通过应用多个摄像机再者可以确保：关于每个光源，观测方向基本上垂直于透明对象在水平平面中的轨迹。
在按照本发明的设备的一个优选实施例中，照明装置的光源可如此单独接通和关断，使得实现逐步检测所有光源的初级图像和次级图像，其中，在每个步骤中同时接通一部分数量的多个光源且在同一时间关断另一部分数量的多个光源，其中优选地，至少在一部分的两个相邻光源中接通一个光源而关断另一光源。这样就可以控制被接通的光源的密度且匹配需要。通过逐步检测所有光源的初级图像和次级图像，可以特别是对于透明对象的相邻的体积元提高在确定重影角和/或视角时的精度和可靠性。因此可以实现较高的测量点密度。
该实施例的优点在下文中借助两个直接相邻的光源来描述。一般来说需要的是，正确确定重影角和/或视角、将在标靶上生成的光斑与同时发光的光源中的一个唯一的光源相关联且确认：是否涉及该光源的初级图像或次级图像。该关联或确认不总是明确可行的且因此是误差的原因，尽管初级和次级图像可以通过其强度而区分开来。如果在一步骤中仅仅接通相邻光源中的一个而在第二步骤中接通另一个光源，那么与光源的关联和确认可以改善图像的类型以及由此提高在确定重影角和/或视角时的精度。
在不同实施例中，可以例如使一行并排布置的光源中每隔一个、每隔两个或每隔三个光源沿水平方向和/或竖直方向轮换地在两个、三个或四个步骤中依次开关。
更优选的是，照明装置由多个竖直延伸的光源列组成，它们沿水平方向相互并排布置，其中，两个相邻的列的各自相邻的光源沿水平方向相互间具有间距。相邻行的直接相邻的光源沿竖直方向同样具有间距(亦即它们相互错开地布置)，其中沿竖直方向的间距在一个特别优选地实施例中不同于沿水平方向的间距，因为重影角和/或视角的水平分量通常小于相应的竖直分量。由此可以实现用于照明装置的光源的不同密度，其适用于测量不同的透明对象。
在另一有利的实施例中，摄像机仅仅检测每个光源的初级和次级图像的位置的竖直分量，且分析处理装置为了确定重影角和/或视角仅仅考虑位置的所检测的竖直分量。这特别是对于挡风玻璃是有利的。挡风玻璃的倾斜角通过其在车辆中设定的安装位置决定。基于其弯曲的形状和其倾斜角，挡风玻璃通常沿竖直方向相比于沿水平方向引起更大的重影角和/或视角。通过为了确定重影角和/或视角仅仅考虑竖直分量，可以简化和加速该确定。
优选地，照明装置的直接相邻的被接通的光源可如此驱控，使得其具有不同光强度，亦即直接相邻的光源以不同光强度(亮度)照明透明对象。备选或附加地，直接相邻的被接通的光源可以以不同颜色(光色)照明透明对象。利用这样的强度控制在一个步骤期间也能实现特别高的测量点密度。强光源相比于相邻的弱光源以较高的光强度发光且因此相比于弱光源分别产生强度更强的初级和次级图像。根据不同强度可以将初级和次级图像更好地关联于相应光源。在本发明的一个特别优选的实施例中，多于两个的相邻的被接通的光源可如此驱控，使得其具有多于两个的不同等级的光强度。由此还可以进一步提高测量点密度。
优选地，光源的一部分以第一颜色(光色)发光而光源的另一部分以与第一颜色不同的第二颜色(光色)发光，其中极其优选地，两个相邻光源以不同颜色发光。对初级和次级图像的借助其颜色值的关联同样能实现较高的测量点密度。在此假定，在不同光色的情况下显著地、亦即特别是在最大程度上区分光源的连续或不连续光谱。
在本发明的另一有利的实施例中，在光路中在至少一个摄像机之前布置有光学滤波器。特别优选地涉及颜色滤波器。备选或附加地可以设有偏振滤波器。通过光学滤波器将摄像机相对于环境光屏蔽，因为摄像机通过滤波器正好与初级和次级图像的所期望的强度相协调。
优选地，光源具有大于1/50毫米、优选大于1/20毫米、特别优选大于1/5毫米的光源密度。这允许较高的测量精度。
在本发明的一个优选实施例中，照明装置布置在透明对象的第一侧上，而标靶(例如摄像机中的图像传感器)布置在透明对象的与第一侧对置的第二侧上。透明对象布置在照明装置与带有标靶的摄像机之间，且重影角的确定在透射中实现，亦即初级图像是光源的直接且没有反射地穿过透明对象检测到的图像。结果得到强度比较足够的初级图像。次级图像的强度显著小于初级图像的强度。因此，多个同时发光的光源的初级图像可以借助强度非常简单、快速和可靠地区分于次级图像。
在一个特别优选的实施例中，在光路中在透明对象之前布置有至少一个镜。照明装置与透明对象之间的光路的长度为例如7米，如在ECE-R43中所说明的那样。通过所述至少一个镜，将来自照明装置的光反射和偏转，从而在照明装置与透明对象之间的光路是折叠/转折的。利用所述至少一个镜，极大地降低了对于设定的光路所需的空间需求。
在本发明的一个改进方案中，LED设为光源。因为LED是比较小的光源，所以其可以直接用作点状光源。附加的遮光物是不必要的。此外可以非常简单地单独地驱控和开关LED。另一优点在于，LED可以相互非常接近地、亦即具有较大密度地排布。LED是有利的，其能耗小且其自身在重复开关过程时比较鲁棒。这降低成本且降低照明装置运行的故障风险。此外其产生少量的余热。这特别是在高密度光源的情况下是重要的，以便避免在运行中照明装置的热问题。LED可以设计成激光二极管。
作为点状光源也可理解成宽阔的照明装置的开口，其通过遮光物实现且点状的光从其朝透明对象的方向发出。优选地，点状开口通过可开关的偏振滤波器形成，特别优选地通过液晶元件形成，该液晶元件的对于光的透射率可单独控制。
照明装置的每个点状光源可以在一个实施例中类似于上述ECE-R43的环-孔-板具有与光源的中点同心的、发光的环。由此可以点式地同时对于照明装置的多个光源简单检测：次级角是否满足位于环图像内部的要求。
优选地作为至少一个摄像机设有阵列式摄像机，其拍摄由行和列构成的两维的摄像机图像。初级和次级图像的位置因此按照其行和列的位置两维地位置分辨地被检测。特别优选地，至少一个摄像机具有以CCD或CMOS技术制造的图像传感器。这样的摄像机达到高分辨率和高拍摄速度。
上述任务此外通过具有权利要求7的特征的方法解决。
在按照本发明的用于确定在透明对象上光源的重影角和/或视角的方法中，透明对象借助于具有多个、至少部分同时发光的点状光源的照明装置来照明，其中，通过至少一个摄像机在2维标靶上在同一时间检测多个同时发光的光源的初级图像和次级图像的位置，其中，每个光源的初级图像和次级图像通过由相应光源照明的透明对象体积元在标靶上产生；以及其中，借助于分析处理装置基于初级图像和次级图像的位置确定透明对象的相应体积元的重影角和/或视角。
在本发明的一个有利的实施例中，如此单独接通和关断照明装置的光源，使得实现逐步检测所有光源的初级图像和次级图像，其中，在每个步骤中同时接通部分数量的多个光源且在同一时间关断另一部分数量的多个光源，其中优选地，至少在两个相邻光源中的一部分中接通一个光源而关断另一光源。
优选地，摄像机仅仅检测每个光源的初级图像和次级图像的位置的竖直分量，且分析处理装置仅仅考虑位置的所检测的竖直分量以确定重影角和/或视角。
在按照本发明的方法的一个有利实施例中，如此驱控照明装置的相邻的光源，使得相邻的光源具有不同亮度。在另外的实施例中，不同的(例如相邻的)光源可以附加或备选于不同亮度/强度而具有不同颜色(波长)和/或偏振。
所述方法及其优点已经在上文中关于按照本发明的设备阐明。其他对于设备阐明的方法方式、变型和优点相应地适用于按照本发明的方法。
优选地，透明对象在确定重影角和/或视角期间相对于照明装置和标靶运动。因此可以在多个接续的步骤中对于多个体积元分别确定重影角和/或视角，从而能实现对透明对象的快速和全面的分析。
在一个有利实施例中，对于透明对象的至少一个体积元，基于至少一个在第一环境参数下(亦即在第一配置下)通过测量得到的第一重影角和/或视角，通过计算确定对于与第一环境参数不同的第二环境参数(亦即对于第二配置)的第二重影角和/或视角。对于不同环境参数或配置，例如透明对象与标靶(例如摄像机的图像传感器)的间距(该间距在下文中也称为视距/观测距离)、透明对象的倾斜角或入射角和/或照明装置与透明对象的间距(照明距离)，对于相同的体积元重影角和/或视角可以不同。利用所述方法，从在第一环境参数下(亦即在第一配置下)的第一重影角和/或视角的测量出发，不需要附加测量第二重影角和/或视角。代替地，可以计算对于第二环境参数(亦即对于第二配置)的重影角和/或视角。
按照本发明的方法以及按照本发明的设备分别具有如下优点：其可以提取和分离在相应的体积元中测得的重影角或视角的、由透明对象的曲率或弯曲产生的部分和由透明对象的可能存在的楔形产生的部分。由此例如可以易于误差分析。
在方法的另一实施例中，确定重影角和/或视角的、通过透明对象的曲率半径和厚度在相应的体积元中引起的重影角和/或视角部分。该由透明对象的弯曲所生成的部分的求取以如下为基础，即：在相应的体积元中透明对象的弯曲半径和厚度是已知的。这经常通过透明对象的设计来预先给定。所述求取例如也可以实施在不具有附加的楔形的、作对比的参考玻璃的相应体积元上。通过这种做法确定由厚度和曲率半径决定的重影角和/或视角部分。
相应地，在按照本发明的方法的另一实施例中，确定重影角和/或视角的、通过在透明对象的相应的体积元中的楔角引起的重影角和/或视角部分。优选地也可以求取楔角元件的楔角。在此，如果一个体积元的前侧和后侧不平行地延伸，那么该体积元具有楔角。由此可以识别不期望的楔角且将其大小和在透明对象上的分布作为所检查的透明对象的质量标准。
所求得的楔角还可以用于，在另一环境参数下确定相应的体积元的所属的第二视角。因此第二视角的确定在该实施例中包括如下步骤：
·基于所求得的第一视角计算体积元的楔角；以及
·使用计算出的楔角计算第二视角。
基于曲率半径和厚度或基于楔角的、测量得到的重影角和/或视角的部分的分离可以特别是用于：以大的精度确定第二环境参数下的第二重影角和/或视角。对于第二环境参数，各部分相互独立地被计算。这简化了第二重影角和/或视角的计算。
在另一优选实施例中，对于透明体的至少一个体积元，基于通过测量初级和次级图像的位置而求得的视角确定重影角，或反之。特别优选地，根据楔角和入射角计算重影角，其中楔角和入射角由视角求得。由此可以快速且没有附加测量地确定重影角。
按照本发明，单个重影角和/或视角的确定可以非常快速地发生，特别是与透明对象相对于照明装置和标靶的相对运动的速度相比更快。例如对多个同时发光的光源的初级和次级图像的位置的检测仅需少于一毫秒的时间。在挡风玻璃的生产中，现今的进给速度为大约每分钟40米。由此在一毫秒内玻璃仅运动了大约0.7毫米。因此单个重影角和/或视角的确定不受同时发生的相对运动的影响。这简化了透明对象的完全分析的流程和控制。
按照本发明，用于确定重影角和/或视角的设备的分析处理装置设立用于，实施上述方法步骤且特别是上述计算。为此带有处理器的分析处理装置具有相应软件以及包括存储器和总线系统在内的硬件。
附图说明
下面根据实施例参照附图阐明本发明。在此所有所描述的和/或图示的特征自身或以任意组合形成本发明的内容，而且独立于其在权利要求或其引用关系中的总结方案。其中：
图1示出按照本发明的用于确定光源在挡风玻璃形式的透明对象上的重影角的设备的第一实施例的纵截面；
图2、2a以横截面示出透过透明对象的唯一的被照明的体积元生成视角或者透过透明对象生成重影角的过程；
图3以前视图示出唯一的光源在标靶上的初级和次级图像的位置；
图4示出当相邻的光源具有不同光强度时图1的六个竖直叠置的光源的初级和次级图像的强度；
图5示出按照本发明的设备的第二实施例的纵截面；
图6以前视图示出照明装置；
图7以横截面示出透过透明对象的唯一的楔形的被照明的体积元产生视角的过程；
图8示出在第二环境参数下类似于图7的视角产生过程；
图9-11以横截面示出透过透明对象的唯一的弯曲的被照明的体积元产生视角的过程；以及
图12示出示出按照本发明的用于确定光源在挡风玻璃形式的透明对象上的重影角和/或视角的设备的第三实施例的纵截面。
具体实施方式
在图1中示出的按照本发明的设备的第一实施例具有照明装置10，其具有例如九个同时发光的点状的且竖直叠置在一行中的光源11，光源例如构成为LED。照明装置10设置在挡风玻璃(在下文中简称玻璃)14形式的透明对象的第一侧上。在玻璃14的与第一侧对置的第二侧上设有摄像机16。玻璃14沿水平方向12与照明装置10具有例如7米的距离13且相对于竖直方向以倾斜角15倾斜地布置，其中倾斜角优选相应于玻璃14的稍后的安装位置。每个光源11朝玻璃14的方向发射光且在此照明玻璃14的各一个体积元14a。标靶通过摄像机16的拍摄面16a形成。摄像机16对于发光的光源11中的每一个同时检测初级图像21a和次级图像21b(参见图3)的位置。在摄像机16之前的光路中可以设有光学滤波器17，其仅仅对于光源11以之发光的波长是可穿透的。其他光源的具有其他波长的干扰光在该情况下不被摄像机16检测到。与摄像机16连接的分析处理装置18根据各自所属的初级和次级图像21a、21b的位置，如下所述的，同时对于所有由照明装置10照明的体积元14a确定玻璃14的被照明的体积元14a的重影角和/或视角。
备选地，照明装置10在图1中可以具有十二个分别竖直叠置的光源11(例如具有4.5毫米的间隔)，其中光源可单独接通和关断。为了关于示例性的开关模式进行阐明，每个光源的状态以“1”表示接通，而以“0”表示关断。在第一步骤中，由上向下看去每隔三个接通一个光源11(第一开关模式：100010001000)。在第二步骤中，关断在第一步骤中接通的光源且接通各自位于其下的那个光源(第二开关模式：010001000100)。类似地接着是带有如下开关状态的第三步骤，该开关状态相应于第三开关模式001000100010，以及带有如下开关状态的第四步骤，其相应于第四开关模式000100010001。因此在总共四个步骤中可以利用照明装置10的所有光源11分别为单个的体积元确定重影角/视角，而不会对于相邻的光源11基于高的光源密度而在初级和次级图像21a、21b的关联/对应中出现困难(参见图2)。
带有其他数量和/或分布的光源11的照明装置10同样是可以考虑的。
图2示出图1的玻璃14的唯一的体积元14a，其由图1的唯一的光源11照明。光源11的光束以相对于表面法线的入射角κ射到被照射的体积元14a上。光源11的光的一部分遵循初级光路19a且横穿体积元14a，而不会在其中反射。光源11的光的另一部分遵循次级光路19b且横穿体积元14a，但在玻璃14的第二边界面上反射。在体积元14a的第二侧——该侧相应于图1的玻璃14的第二侧——上初级光路19a和次级光路19b相互间成视角σ地延伸。玻璃14是平面的、亦即不弯曲的带有楔形的玻璃。这表示，玻璃14的前侧和后侧在被照明的体积元14a的区域中不是相互平行地延伸而是成楔角η。
图2a示出，入射的光束19通过初级光路19a和次级光路19b透过玻璃14生成重影角ρ。对于重影角ρ得到：
在此n是玻璃14的材料的折射系数；κ是入射的光束19的入射角，而η是玻璃14的楔角。
在图3中示意地示出图1的摄像机16的标靶16a的一部分。示例性地示出唯一的光源11的初级图像21a和次级图像21b的位置。根据初级图像21a和次级图像21b在标靶16a上的位置的竖直间距22和水平间距23，图1中的分析处理装置18可以对于图1的玻璃14的由光源11照明的体积元14a确定重影角ρ和/或视角σ。备选地，也可以在标靶16a的2维坐标系中确定初级图像21a和次级图像21b的绝对水平和竖直位置。从光源11直至标靶16a光路的长度是已知的。竖直间距22由通过摄像机16确定的竖直像素数Pv来求得。借助于比例系数Fv——其在竖直方向上包含摄像机16的像素间距和成像比例——在考虑标靶16a与玻璃之间的距离E的情况下确定重影角ρ的竖直分量ρv＝arctan(Pv*Fv/E)。对于重影角水平分量ρh的计算类似地基于水平像素数Ph进行。类似地对于每个另外的光源11同样检测初级和次级图像，且确定具有其两个分量ρv和ρh的重影角。可以关于视角σ进行类似计算。
图4在图表中示例性地示出图1的六个并排布置的光源11在标靶上的初级和次级图像的强度，其中，两个相邻的光源11各自具有不同光强度。在纵坐标40上记录强度。带有较高光强度的光源11产生带有很高的初级图像强度41a的初级图像，而带有较低光强度的光源11产生带有较低初级图像强度42a的初级图像。相应地，带有较高光强度的光源11的次级图像相比于带有较低光强度的光源11具有较高的次级图像强度41b。根据不同强度可以使初级和次级图像相互关联。
图5示出按照本发明的设备的第二实施例。在照明装置10与玻璃14之间的光路中，与在图1中示出的第一实施例不同地设有第一镜50和第二镜51。照明装置10、第一镜50和第二镜51共同设置在一个壳体52中。通过第一镜50和第二镜51，在照明装置10与透明对象14之间的光路两次折叠。设备在玻璃14的前侧上所需的空间需求53由此可以极大地降低。通过两次折叠，仅仅2.5米的空间需求53也可以实现在照明装置10与玻璃14之间的大于7米长度的光路。
在图6中示出对于照明装置10a的另一实现可能。该照明装置具有多个水平并排布置的光条10b，其中，每个光条10b具有多个竖直叠置的带有均匀光源间距11v的光源11。竖直光源间距11v在该实施例中大于水平光源间距11h，该水平光源间距相应于两个相邻的光条10b的间距。两个相邻的、即并排布置或上下叠置的光源11优选各自以不同颜色和/或强度和/或偏振来发光。两个并排的光条10b沿竖直方向各自移动一小于竖直光源间距11v的距离，以便沿竖直方向实现较高的光源密度。基于光条10b的水平间距，图6的照明装置10a也适用于确定重影角的水平分量。
借助图7阐明如何从光源11在标靶16a上的初级图像71a和次级图像71b在楔形体积元14a处生成视角。在初级光路上，光由光源11在照明距离G中以入射角κ射到体积元14a的前侧上，基于体积元14a的折射系数n而折射，从而光以相对于体积元14a前侧上的法线的角度λ穿过体积元14a。随后光在后侧上以相对于后侧上的法线的出射角ν出来，在视距A中经过孔径70且在标靶16a上产生初级图像71a。在次级光路(虚线表示)中，光由相同的光源11以另一入射角α到达前侧上，以角度β折射，两次在体积元14a中反射且随后在其后侧上以出射角射出。接着，光经过孔径70且在标靶16a上产生次级图像71b。在体积元14a的第二侧上、亦即在其后侧与标靶16a之间，初级和次级光路成视角ση延伸。
作为近似，假定：体积元14a的厚度尽管有楔角η但也是不变的。再者前提在于，σ和η是小角度。为了使不仅初级光路而且次级光路都延伸通过孔径70，以下方程一般适用于楔形透明对象：
相同的体积元14a的视角ση可以对于不同的环境参数或配置(照明距离G、视距A、入射角κ)是不同的。
取而代之地，在此视角ση对于不同的体积元14a各自在与参考参数不同的第一环境参数下(亦即对于第一配置)确定，且从中计算在参考参数(参考视距A*、参考照明距离G*、参考入射角κ*)下存在的视角ση*(参照图7和8)。由此例如可以在另外的参数下(亦即在与标准不同的配置下)、例如4米的视距确定视角，且从中计算在7米的参考视距下所述标准所要求的视角和/或重影角的值。因此计算用于参考或标准设置的视角和/或重影角。
视角的计算例如以如下为基础，即：照明距离G、入射角κ、厚度d、楔角η以及视距A是已知的，以及视角ση可测得。现在在具有公式(F2)至(F5)的方程系统中改变入射角α且以迭代方法(例如MS Solver)求解该方程系统。
备选地，如果照明距离G、入射角α、入射角κ、厚度d和视距A以及视角ση是已知的，可以根据具有被检查的体积元的公式(F2)至(F5)的方程系统求出楔角η。如果代替重影角ρ应用测得的视角ση，那么在转换公式(F1)之后获得楔角η的初始值或近似值。由此出发改变楔角η，直至在公式(F5)中再现测得的视角ση。利用楔角η可以通过重新求解上述方程系统确定用于第二环境参数的视角ση*。此外可以由楔角η和入射角κ根据公式(F1)计算用于体积元14a的所属的(与A和G无关的)重影角ρ。
因为方程系统具有四个等式，所以可以在多种情况下通过已知的数字方法也求出用于多个未知数、特别是用于楔角η和入射角α的解。
图9至11阐明弯曲的没有楔形(亦即η＝0)的透明对象(玻璃)14，其中体积元14a的视角σB通过曲率半径R引起。为了清楚起见，在图10中仅仅示出至体积元14a的前侧为止的初级光路和次级光路，以及在图11中仅仅示出从体积元14a的后侧至标靶16a的初级光路和次级光路。在体积元14a的区域中，玻璃14在后侧上具有曲率半径R而在前侧上具有曲率半径R+d，其中d是在体积元14a的区域中玻璃的厚度。曲率半径R和厚度d——相比于可能存在的楔角——在大多数情况下是已知的。在初级光路上，光由光源11以照明距离G以入射角κ射到体积元14a的前侧上，在次级光路上光以照明距离Gs以入射角α射到体积元的前侧上。以体积元14a的曲率中心M为基准，初级和次级光路的光在前侧上的入射点错开角度Ω。
初级光路的光仅仅一次穿过体积元14a且在其后侧上以出射角离开。次级光路的光相比之下首先在体积元14a的后侧上然后在前侧上反射且随后才在后侧上以出射角ν离开。如在图11中可见的是，初级光路和次级光路在后侧上的出射点以曲率中心M为基准错开角度ξ。初级光路的光由体积元14a的后侧出发以视距A到达标靶16。次级光路的光同样由后侧出发到达标靶16a。在此初级光路和第二光路在离开体积元14a之后成视角σB延伸，该视角特别是通过体积元的弯曲半径或曲率半径R和体积元的厚度d来决定。
对于在图9至11中示出的情况得到如下方程系统：
特别是在已知的测量布置结构和在体积元14a中不存在楔形误差(η＝0)的情况下，可以基于测得的视角σB确定曲率半径R。为此具有公式(F6)至(F13)的上述方程系统通过已知的数值求解方法在α的变化下求解。
通过曲率半径R引起的视角σB一般也依赖于环境参数。特别是在已知半径R的情况下，可以通过求解上述方程系统计算出在第二环境参数下、例如在期望的视距A下存在的视角σB*。
上述方法对于多个通过照明装置照明的体积元中的每个体积元14a单独且同时地实施。由此可以对于玻璃14的大范围、必要时整个玻璃14的所有体积元14a同时确定视角和/或重影角。
在图12中示出的按照本发明的设备的第三实施例与在图1中示出的设备的区别在于，标靶16a由多个摄像机16的拍摄面/图像传感器形成，它们布置成一个摄像机行16b。照明装置10构成为具有上下叠置的光源11的LED条。如图1中一样，平面玻璃11倾斜了倾斜角15且布置成沿水平方向12与照明装置10具有距离13。由于倾斜角15，照明装置10的各个光源11具有不同的水平照明距离G。在此在最下部的光源11与最下部的体积元14a之间的照明距离G1小于在最上部的光源11与最上部的体积元14a之间的照明距离Gn且小于距离13。相反，视距A1大于视距An。孔径各自通过摄像机16的未进一步示出的摄像机口径给出。对于体积元14a中的每一个，利用上述方法借助测得的第一视角计算对于参考条件、亦即特别是共同的参考照明距离G*和参考视距A*的第二视角σ*(未示出)。优选地，参考照明距离为G*＝7米。
经常地，所测得的体积元14a的视角σ在第一环境参数(例如G＝5米)下不仅通过如图7中的楔角η而且通过如图9至11中的曲率半径R引起。如果要利用图12的设备对于弯曲的玻璃14的体积元14a确定在预定的第二环境参数(例如G*＝100米)下的第二视角σ*，那么首先对于每个体积元14a利用上述方法计算通过其曲率半径R和厚度d引起的视角σB且从测得的第一视角σ中减去(ση＝σ-σB)。在此体积元14a的曲率半径R可以在玻璃14上改变。减法的结果等于相应体积元14a的视角ση，这是因为假定：不为零的值ση由通过在该体积元中存在的楔角η引起。假如玻璃14——如在图12中所示——不具有弯曲(σB＝0)，那么测得的第一视角σ等于按照图7的楔形的视角ση。
如果光源以上述距离G*＝100米出现，那么该距离在实践中是令人感兴趣的。为了对于该情况由在G＝5米的情况下确定的值σ确定视角σ*，对于每个体积元14a由ση——如对于图7和8所述的——确定对于环境参数G*＝100米的视角ση*(其他环境参数不变)。随后在必要时也在如上所述的环境参数下对于每个体积元14a由σB计算通过体积元14a的曲率半径R和厚度d引起的视角σB*且加上ση*，从而对于第二环境参数下的第二视角σ*在总体上对于每个体积元14a有：
如果体积元14a不具有曲率半径R，那么对于第二视角适用：σ*＝ση*。
备选地，可以由测得的视角σ也对于在标准下确定的参考环境参数G*＝7米计算第二视角σ*。这样的标准例如是联合国欧洲经济委员会(UNECE)的开始所述的43号规章。附加地可以对于每个体积元14a利用入射角κ和楔角η的已知的和求得的值借助于公式(F1)计算所属的重影角ρ。
所述方法在如图12中所示的布置结构中尽管玻璃的倾斜角15、不同的照明距离G1至Gn以及不同的视距A1至An，但也允许：对于已知的第一环境参数同时测量所有体积元14a的第一视角，且随后对于第二环境参数计算每个体积元的第二视角σ*。这在视角和/或重影角的确定中带来大的时间节省，这是因为否则每个体积元首先必须通过相应运动达到第二环境参数的状态。
附图标记列表：
10、10a 照明装置
10b 光条
11 光源
11h 水平光源间距
11v 竖直光源间距
13 距离
14 玻璃
14a 体积元
15 倾斜角
16 摄像机
16a 标靶
16b 摄像机行
17 光学滤波器
18 分析处理装置
19 入射光束
19a 初级光路
19b 次级光路
21a、71a 初级图像
21b、71b 次级图像
22 竖直间距
23 水平间距
40 纵坐标
41a、42a 初级图像强度
41b、42b 次级图像强度
50 第一镜
51 第二镜
52 壳体
53 空间需求
70 孔径
α,κ,κ* 入射角
β,λ,ξ,Ω 角度
ν, 出射角
σ,ση,ση *,σB 视角
η 楔角
ρ 重影角
A,A1,An,A* 视距
d 厚度
G,GS,G1,Gn,G* 照明距离
M 曲率中心
R 曲率半径
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于确定光源(11)的在透明对象(14)上的视角(σ)的设备，该设备包括：
-照明装置(10)，该照明装置具有多个至少部分同时发光的点状的光源(11)；
-至少一个摄像机(16)，该摄像机被设置用于，在2维标靶上在同一时间检测多个同时发光的光源(11)的初级图像(21a,71a)和次级图像(21b,71b)的位置，其中，每个光源(11)的初级图像(21a,71a)和次级图像(21b,71b)通过透明对象(14)的一由该光源(11)照射的体积元(14a)在标靶(16a)上产生；以及
-分析处理装置(18)，该分析处理装置被设置用于，基于初级图像(21a,71a)和次级图像(21b,71b)的位置确定透明对象(14)的相应体积元(14a)的视角(σ)。
2.一种用于确定光源(11)的在透明对象(14)上的重影角(ρ)和/或视角(σ)的设备，该设备包括：
-照明装置(10)，该照明装置具有多个至少部分同时发光的点状的光源(11)；
-至少一个摄像机(16)，该摄像机被设置用于，在2维标靶上在同一时间检测多个同时发光的光源(11)的初级图像(21a,71a)和次级图像(21b,71b)的位置，其中，每个光源(11)的初级图像(21a,71a)和次级图像(21b,71b)通过透明对象(14)的一由该光源(11)照射的体积元(14a)在标靶(16a)上产生；以及
-分析处理装置(18)，该分析处理装置被设置用于，基于初级图像(21a,71a)和次级图像(21b,71b)的位置确定透明对象(14)的相应体积元(14a)的重影角(ρ)和/或视角(σ)，
其中，分析处理装置(18)还被设置用于，对于透明对象(14)的至少一个体积元(14a)，基于至少一个以第一配置确定的第一重影角和/或第一视角(σ,ση,σB)来对于第二配置确定第二重影角和/或第二视角(σ*,ση *,σB *)，该第一配置具有确定的、透明对象与标靶的距离(G)、透明对象的倾斜角、入射角(κ)和照明装置与透明对象的距离(A)，该第二配置与第一配置在透明对象与标靶的距离(G*)、透明对象的倾斜角、入射角(κ*)和/或照明装置与透明对象的距离(A*)方面不同。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，照明装置(10)的光源(11)能以如下方式单独接通和关断，即：使得实现对所有光源(11)的初级图像(21a,71a)和次级图像(21b,71b)的逐步检测，其中，在每个步骤中同时接通多个光源(11)中的一部分量的光源且在同一时间关断另一部分量的光源，其中优选地，至少对于一部分的两个相邻光源(11)，接通一个光源(11)而关断另一光源(11)。
4.根据上述权利要求之一所述的设备，其特征在于，摄像机(16)仅检测每个光源(11)的初级图像(21a,71a)和次级图像(21b,71b)的位置的竖直分量，分析处理装置(18)仅考虑所检测的竖直位置来确定重影角(ρ)和/或视角(σ)。
5.根据上述权利要求之一所述的设备，其特征在于，照明装置(10)的相邻的光源(11)能以如下方式驱控，即：使得相邻的光源具有不同的光强度和/或颜色。
6.一种用于确定光源(11)的在透明对象(14)上的视角(σ)的方法，
其中，透明对象(14)借助于具有多个至少部分同时发光的点状的光源(11)的照明装置(10)来照射，
其中，通过至少一个摄像机(16)在2维标靶(16a)上在同一时间检测多个同时发光的光源(11)的初级图像(21a,71a)和次级图像(21b,71b)的位置，其中，每个光源(11)的初级图像(21a,71a)和次级图像(21b,71b)通过透明对象(14)的一由相应光源(11)照射的体积元(14a)在标靶(16a)上产生，
其中，借助于分析处理装置(18)基于初级图像(21a,71a)和次级图像(21b,71b)的位置确定透明对象(14)的相应体积元(14a)的视角(σ)。
7.一种用于确定光源(11)的在透明对象(14)上的重影角(ρ)和/或视角(σ)的方法，
其中，透明对象(14)借助于具有多个至少部分同时发光的点状的光源(11)的照明装置(10)来照射，
其中，通过至少一个摄像机(16)在2维标靶(16a)上在同一时间检测多个同时发光的光源(11)的初级图像(21a,71a)和次级图像(21b,71b)的位置，其中，每个光源(11)的初级图像(21a,71a)和次级图像(21b,71b)通过透明对象(14)的一由相应光源(11)照射的体积元(14a)在标靶(16a)上产生，
其中，借助于分析处理装置(18)基于初级图像(21a,71a)和次级图像(21b,71b)的位置确定透明对象(14)的相应体积元(14a)的重影角(ρ)和/或视角(σ)，
其中，对于透明对象(14)的至少一个体积元(14a)，基于至少一个以具有确定的透明对象与标靶的距离(G)、透明对象的倾斜角、入射角(κ)和照明装置与透明对象的距离(A)的第一配置确定的第一重影角和/或第一视角(σ,ση,σB)来对于与第一配置在透明对象与标靶的距离(G*)、透明对象的倾斜角、入射角(κ*)和/或照明装置与透明对象的距离(A*)方面不同的第二配置确定第二重影角和/或第二视角(σ*,ση *,σB *)。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，以如下方式单独接通和关断照明装置(10)的光源(11)，即：使得实现逐步检测所有光源(11)的初级图像(21a,71a)和次级图像(21b,71b)，其中，在每个步骤中同时接通多个光源(11)中的一部分量的光源且在同一时间关断另一部分量的光源，其中优选地，至少对于一部分的两个相邻光源(11)，接通一个光源(11)而关断另一光源(11)。
9.根据权利要求6至8之一所述的方法，其特征在于，通过摄像机(16)仅检测每个光源(11)的初级图像(21a,71a)和次级图像(21b,71b)的位置的竖直分量，通过分析处理装置(18)仅考虑所述位置的所检测的竖直分量来确定重影角(ρ)和/或视角(ση,ση *,σB)。
10.根据权利要求6至9之一所述的方法，其特征在于，以如下方式驱控照明装置(10)的相邻的光源(11)，即：使得相邻的光源具有不同的光强度和/或颜色。
11.根据权利要求6至10之一所述的方法，其特征在于，使透明对象(14)在确定重影角(ρ)和/或视角(σ)期间相对于照明装置(10)和标靶(16a)运动。
12.根据权利要求7至11之一所述的方法，其特征在于，对于已经确定了第一视角(ση)的情况，第二配置的第二视角(ση *)的确定包括如下步骤：
-基于所确定的第一视角(ση)计算相应体积元(14a)的楔角(η)；以及
-使用计算出的楔角(η)计算第二视角(ση *)。
13.根据权利要求6至12之一所述的方法，其特征在于，确定重影角和/或视角的由透明对象的在相应体积元(14a)中的曲率半径(R)和厚度(d)引起的重影角分量和/或视角分量(σB)。
14.根据权利要求6至13之一所述的方法，其特征在于，确定重影角和/或视角的由在透明对象的相应体积元(14a)中的楔角(η)引起的重影角分量和/或视角分量(ση)。
15.根据权利要求6至14之一所述的方法，其特征在于，对于透明对象(14)的至少一个体积元(14a)，根据所确定的视角(σ,ση,σB)确定用于相应体积元(14a)的重影角(ρ)。
Claims (14)
1.一种用于确定光源(11)的在透明对象(14)上的重影角(ρ)和/或视角(σ)的设备，该设备包括：
-照明装置(10)，该照明装置具有多个至少部分同时发光的点状的光源(11)；
-至少一个摄像机(16)，该摄像机被设置用于，在2维标靶上在同一时间检测多个同时发光的光源(11)的初级图像(21a,71a)和次级图像(21b,71b)的位置，其中，每个光源(11)的初级图像(21a,71a)和次级图像(21b,71b)通过透明对象(14)的一由该光源(11)照射的体积元(14a)在标靶(16a)上产生；以及
-分析处理装置(18)，该分析处理装置被设置用于，基于初级图像(21a,71a)和次级图像(21b,71b)的位置确定透明对象(14)的相应体积元(14a)的重影角(ρ)和/或视角(σ)。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，照明装置(10)的光源(11)能以如下方式单独接通和关断，即：使得实现对所有光源(11)的初级图像(21a,71a)和次级图像(21b,71b)的逐步检测，其中，在每个步骤中同时接通多个光源(11)中的一部分量的光源且在同一时间关断另一部分量的光源，其中优选地，至少对于一部分的两个相邻光源(11)，接通一个光源(11)而关断另一光源(11)。
3.根据上述权利要求之一所述的设备，其特征在于，摄像机(16)仅检测每个光源(11)的初级图像(21a,71a)和次级图像(21b,71b)的位置的竖直分量，分析处理装置(18)仅考虑所检测的竖直位置来确定重影角(ρ)和/或视角(σ)。
4.根据上述权利要求之一所述的设备，其特征在于，照明装置(10)的相邻的光源(11)能以如下方式驱控，即：使得相邻的光源具有不同的光强度和/或颜色。
5.一种用于确定光源(11)的在透明对象(14)上的重影角(ρ)和/或视角(σ)的方法，
其中，透明对象(14)借助于具有多个至少部分同时发光的点状的光源(11)的照明装置(10)来照射，
其中，通过至少一个摄像机(16)在2维标靶(16a)上在同一时间检测多个同时发光的光源(11)的初级图像(21a,71a)和次级图像(21b,71b)的位置，其中，每个光源(11)的初级图像(21a,71a)和次级图像(21b,71b)通过透明对象(14)的一由相应光源(11)照射的体积元(14a)在标靶(16a)上产生，
其中，借助于分析处理装置(18)基于初级图像(21a,71a)和次级图像(21b,71b)的位置确定透明对象(14)的相应体积元(14a)的重影角(ρ)和/或视角(σ)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，以如下方式单独接通和关断照明装置(10)的光源(11)，即：使得实现逐步检测所有光源(11)的初级图像(21a,71a)和次级图像(21b,71b)，其中，在每个步骤中同时接通多个光源(11)中的一部分量的光源且在同一时间关断另一部分量的光源，其中优选地，至少对于一部分的两个相邻光源(11)，接通一个光源(11)而关断另一光源(11)。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，通过摄像机(16)仅检测每个光源(11)的初级图像(21a,71a)和次级图像(21b,71b)的位置的竖直分量，通过分析处理装置(18)仅考虑所述位置的所检测的竖直分量来确定重影角(ρ)和/或视角(ση,ση *,σB)。
8.根据权利要求5至7之一所述的方法，其特征在于，以如下方式驱控照明装置(10)的相邻的光源(11)，即：使得相邻的光源具有不同的光强度和/或颜色。
9.根据权利要求5至8之一所述的方法，其特征在于，使透明对象(14)在确定重影角(ρ)和/或视角(σ)期间相对于照明装置(10)和标靶(16a)运动。
10.根据权利要求5至9之一所述的方法，其特征在于，对于透明对象(14)的至少一个体积元(14a)，基于至少一个在第一环境参数(G、A、κ)下确定的第一重影角和/或第一视角(σ,ση,σB)来对于与第一环境参数不同的第二环境参数(G*,A*,κ*)确定第二重影角和/或第二视角(σ*,ση *,σB *)。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，用于第二环境参数的第二视角(ση *)的确定包括如下步骤：
-基于所确定的第一视角(ση)计算相应体积元(14a)的楔角(η)；以及
-使用计算出的楔角(η)计算第二视角(ση *)。
12.根据权利要求5至11之一所述的方法，其特征在于，确定重影角和/或视角的由透明对象的在相应体积元(14a)中的曲率半径(R)和厚度(d)引起的重影角分量和/或视角分量(σB)。
13.根据权利要求5至12之一所述的方法，其特征在于，确定重影角和/或视角的由在透明对象的相应体积元(14a)中的楔角(η)引起的重影角分量和/或视角分量(ση)。
14.根据权利要求5至13之一所述的方法，其特征在于，对于透明对象(14)的至少一个体积元(14a)，根据所确定的视角(σ,ση,σB)确定用于相应体积元(14a)的重影角(ρ)。
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