CN111837137A

CN111837137A - 距离测量元件

Info

Publication number: CN111837137A
Application number: CN201980018077.2A
Authority: CN
Inventors: F-R·谢弗
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-03-09
Filing date: 2019-02-11
Publication date: 2020-10-27
Anticipated expiration: 2039-02-11
Also published as: WO2019170367A1; EP3762870B1; US11150079B2; CN111837137B; EP3762870A1; US20210148692A1; DE102018203620A1

Abstract

一种距离测量元件(100)，该距离测量元件具有：至少一个第一子图案(30a)，该第一子图案具有定义的第一值范围(W1)内的值的非重复结构；至少一个第二子图案(30b)，与第一子图案(30a)相比，该第二子图案具有第二值范围(W2)内的值的非重复结构，其中，第二子图案(30b)在定义的第一值范围(W1)内不具有值；其中，至少两个子图案(30a、30b)在定义的表面区域上在总体上叠加成表面图案(60)；其中，第二值范围(W2)的值之间的最小距离大于第一值范围(W1)的最大值。

Description

距离测量元件

技术领域

本发明涉及一种距离测量元件。本发明还涉及一种用于制造距离测量元件的方法。本发明还涉及一种用于制造距离测量元件的设备。本发明还涉及一种计算机程序产品。

背景技术

在通过立体视觉测距时，借助两个透镜观察场景的两个图像，这两个图像已经由在空间上偏移的摄像机拍摄。在图像内辨识属于空间中相同对象的点。通过摄像机的空间偏移，将空间中的点投影到不同的坐标上(左传感器平面的uL和右传感器平面的uR)。这两个图像中的已辨识出的点的坐标uL和uR的水平偏移称为视差d＝uL-uR，其中，视差是对该点至观察者的距离的度量。立体拍摄原理的基本图示在图1中示出。

为了使通过立体视觉的自动测距有效，决定性的是：在两个图像中都可以辨识出一个点。这一方面可以通过值自身发生，但是也可以通过直接周围环境中的像素的值发生。尤其在具有均匀的颜色变化过程的对象表面情况下，这种辨识是困难的或不可能的。

均匀的面的所有点都具有相同的值。因此，在这种情况下，无法通过该点的颜色值或该点的相邻点的颜色值来辨识该点。

对于能够被构型或照明的表面而言，可以施加或照亮图案作为距离测量元件。为此具有许多已知方案。在下文中，术语“值”可以理解为颜色值和强度值(亮度值)。

现有的方法使用分别仅在一定距离上最佳工作的图案。然而如在图2中的原理中所示，随着距离的增加，由像素表示的面积增加。

可以看出，相比于借助像素P2表示的离得更远的面F2，借助像素P1表示的处于近处的面F1必定较少地被平均。这由以下事实决定：两个面F1、F2具有不同的尺寸，然而两个像素P1、P2具有相同的尺寸。因此，由此相比于对于像素P1，对于像素P2而言平均了更多的表面颜色值。

发明内容

本发明的任务是提供一种改善的距离测量元件。

根据第一方面，本发明提出一种距离测量元件，该距离测量元件具有：

至少一个第一子图案，该第一子图案具有定义的第一值范围内的值的非重复结构；

至少一个第二子图案，与第一子图案相比，该第二子图案具有第二值范围内的值的非重复结构，其中，第二子图案在定义的第一值范围内不具有值；

至少两个子图案在定义的表面区域上在总体上叠加成表面图案；

其中，第二值范围的值之间的最小距离大于第一值范围的最大值。

以这种方式，为距离测量元件提出一种用于表面图案的系统学，该系统学通过以下方式实现从近处和从远处的改善的距离测量：表面图案的不同刻度上的子图案非重复地构造。

根据第二方面，该任务借助一种用于制造距离测量元件的方法来解决，该方法具有以下步骤：

提供至少一个第一子图案，该第一子图案具有定义的第一值范围内的值的非重复结构；

提供至少一个第二子图案，与第一子图案相比，该第二子图案具有第二值范围内的值的非重复结构，其中，第二子图案在定义的第一值范围内不具有值；

将至少两个子图案在定义的表面区域上在总体上叠加，其中，第二值范围的值之间的最小距离大于第一值范围的最大值。

根据第三方面，该任务借助一种用于制造距离测量元件的设备来解决，该设备具有：

序列生成器装置，其用于产生基本序列；

至少两个图案生成器装置，基本序列能够被提供给所述图案生成器装置，并且借助所述图案生成器装置能够产生子图案；

加成装置，其用于在总体上叠加子图案；

其中，能够产生至少一个第一子图案和至少一个第二子图案，该第一子图案具有定义的第一值范围内的值的非重复结构，该第二子图案与第一子图案相比具有第二值范围内的值的非重复结构，其中，第二子图案在定义的第一值范围内不具有值，其中，至少两个子图案在定义的表面区域上在总体上叠加成表面图案，其中，第二值范围的值之间的最小距离大于第一值范围的最大值。

距离测量元件的优选实施方式是从属权利要求的主题。

距离测量元件的有利扩展方案的特征在于，颜色值或强度值能够在总体上叠加。以这种方式，支持距离测量元件的表面图案的大量不同构型。

距离测量元件的另一有利扩展方案的特征在于，距离元件是以下中的至少一个：能够印刷的、能够涂画的、能够胶合的、能够照亮的。以这种方式，还有利地支持距离测量元件的高度技术多样化。

该设备的另一有利扩展方案的特征在于，表面图案抖动地(gedithert)构造。以这种方式有利地简化距离测量元件的制造过程，因为可以通过少量值在一定程度上模拟或模仿大的值范围。

该设备的另一有利扩展方案的特征在于，值范围的值由2的幂表示。为了区分图像元素需要至少两个值。因此，能够区分的值的总数为2^N，其中，N是值范围(刻度)的数量。通过减少待区分的值，降低了对待施加的颜色及其强度的精度要求。通过确定2的幂能够实现值范围或刻度的最佳充分使用，由此可以实现距离测量元件的图案的最大对比度。其结果是，由此借助用于距离测量目的的立体摄像机，支持了距离测量元件的图案的良好可识别性。此外，由此可以有利地降低对立体摄像机的传感器的技术要求。

在下文中根据多个附图借助其他特征和优点详细描述本发明。在此，相同或功能相同的构件具有相同的附图标记。这些附图尤其旨在表明对于本发明关键的原理，并且不一定按比例实施。为了清楚起见可以设置，并非在所有附图中都标注出所有附图标记。

所公开的设备特征类似地由相应公开的方法特征得出，反之亦然。这尤其意味着，关于距离测量元件的特征、技术优点和实施方案以类似的方式由用于制造距离测量元件的方法或用于制造距离测量元件的设备的相应的实施方案、特征和优点得出，反之亦然。

附图说明

在附图中示出：

图1示出视差的示意图；

图2示出借助像素在不同远近地布置的面的情况下的不同平均的示意图；

图3示出所提出的距离测量元件的第一子图案的原理性视图；

图4示出所提出的距离测量元件的第二子图案的原理性视图；

图5示出具有第一子图案与第二子图案的叠加的表面元件的原理性视图；

图6示出用于制造距离测量元件的设备的简化的方框图；

图7示出具有表面图案的所提出的距离测量元件的第一实施方式；

图8示出具有表面图案的所提出的距离测量元件的另一实施方式；

图9示出用于制造距离测量元件的方法的原理性图示。

具体实施方式

本发明的核心构思尤其在于提供一种方法和一种设备，借助该方法和该设备可以设计出表面图案，该表面图案能够从不同的距离上(因此在不同的刻度上)唯一明确地辨识出来。有利地，所提出的表面图案对于摄像机噪声和对比度降低是稳健的，并且因此可以有利地用于距离测量元件。

在通过具有离散像点(“像素”)的摄像机来观察面的情况下，通过像素所观察的面随着距离的增加而增大，这例如在图2中原理性地示出。一个像素具有其所观察的面的平均颜色值和强度值。通过在几何和值方面不同数量级的图案的叠加，可以实现的是：在不同刻度上的可识别性变得可能，这例如接下来进一步阐述。

通过以值填充的几何面的尺寸给出刻度。例如，最小刻度可以填充4x4像素的正方形，下一较大的刻度可以填充18x18像素的正方形。对于刻度的值适用的是：刻度的值在值方面受到限制。如果刻度的值处于0...W1的范围内，则对于较高刻度的所有值必须适用的是：值之间的最小距离大于W1。

以这种方式，不能通过大的刻度的值的相加来产生小的刻度的值，反之亦然。由此确保每个刻度的值唯一明确地能够被辨识。因此，确保较高刻度的值占据上限值W1的数倍，由此提供子图案的不可重复性。这尤其通过以下方式实现：因为较小刻度的值不可能与较大刻度的值混淆，因为较小刻度的值不落入较高刻度的值范围内。由此保留不可重复序列的个体性

例如，图3a中的值达到64，其中，在图3b中，子图案的值的最小距离为64。

在此，每个几何刻度具有值的离散的值范围，该值范围在数量级方面与另一刻度的值范围不重叠。

例如，可以借助64的倍数的颜色值表示尺寸为X>Y的面元件，而可以以8的倍数来表示尺寸为Y的面元件的值，其中，不允许达到值64。以这种方式实现：图案在较大刻度上的表示不影响较小刻度上的可区分性。通过将不同刻度的各个值的相加来求取颜色值的总值。

这在图3中的原理中示出，在图3中示出非重复的第一子图案的一维表示。在0...24的示例性的范围内的像素索引PI(该像素索引表示图像的像素行)上绘制0...64的值范围内的四个不同的离散颜色强度值FW。可以看出，在整个像素索引PI上，颜色强度值FW占据值范围0...64的四个离散的彼此均匀间隔或线性分布的值0、16、32、48(步长＝16)，其中，不达到颜色强度值FW 64(“小刻度”)，值0在此表示各个像素中的物理状态“黑暗”，值48在此表示各个像素中的物理状态“明亮”，值16和32表示处于所提及的值之间的颜色强度值。

与此不同，在图4中示出“大刻度”上的一维非重复的第二子图案，该第二子图案在0...24的同一像素索引PI上具有值范围0...192内的四个离散的彼此均匀间隔或线性分布的颜色强度值FW(步长＝64)。在此可以看出，第二子图案的所有颜色强度值FW都大于64并且不具有在0...63之间的范围内的颜色强度值FW。

图5表示图3和4中的两个非重复的子图案在总体上的叠加。可以看出，由此在整个像素索引PI 0...24上实现了整个图案的不可混淆性或不可重复性，因为可以区分4x4个值(即16个值)。因此，探测整个图案的摄像机的传感器必须能够可靠地探测十六个不同的测量值。

其结果是，这具有以下结果：从大的距离上和小的距离上都能够唯一明确地且不易混淆地辨识出表面图案。这通过以下方式实现：表面图案的非重复的子图案构造在不同的刻度上或值范围上。在所阐述的示例中，为两个刻度中的每个设置数量为四的离散的值。

在图5中示出图3和4的两个刻度的子图案在整个范围上的所有的值的总和。分别能够在四个离散的值的范围内看出的短虚线分别表示所提及的大刻度的面元件的值的平均值。如上所述，摄像机的像素值由对面的颜色值和强度值求平均得出。所观察的对象离得越远，则在其上取平均的面越大。

在从近距离观察时，对于摄像机而言，能够看出或能够区分出小刻度的值。因此，虚线相应于由摄像机从较远距离在测量元件上观察到的图案，其中，在图5中识别出总共六个不同的平均值。通过整个图案的值的大的步长，在摄像机的传感器上成像如下图案：该图案相应于图4的原始大刻度的图案。结果，对于用于近距离观察和远距离观察图5的整个图案的摄像机而言，图3和4的子图案是能够区分的。

在未在附图中示出的有利变型方案中设置，两个子图案的刻度的值是2的幂，由此有利地降低对摄像机的传感器的要求，这因此能够实现摄像机的传感器对误差影响的提高的稳健性。有利地，通过2的幂还支持：可以降低对距离测量元件的印刷过程的要求，因为仅须产生较少的对比度。

通过离散的值空间的这种不相交结构确保：值的可区分性得以保留。在此，通过将子图案的各个值在子图案的不同刻度上相加来求取总值。

以数学的方式来表达，这意味着：

假设V1(a)和V1(b)分别是刻度1(小刻度)的图案的位置a和b处的值。

对于两个示例性的图案V1(a)、V1(b)适用的是：

如果V1(a)！＝V1(b)，则认为V(a)！＝V(b)。

这由以下得出：

V(a)＝V1(a)+Summe(Vi(a),i＝2...N)

和

V(b)＝V1(b)+Summe(Vi(b),i＝2...N)

因为遵循|V1(a)-V1(b)|<R，其中，所以如果

按照定义存在：Vi(x)＞R。

R...下一刻度的值之间的最小距离或下一刻度的初始值。

如果例如刻度具有值0...63，则R＝64。

因此，在将子图案加到整个图案中的情况下，子图案的可区分性得以保留，因为刻度无法相互抵消。其结果是图5所示的整个图案，该整个图案包括在不同值刻度上能够分离的子图案，并且该整个图案表示图3和4的子图案的相加。

在图6中原理性地示出用于制造所提出的用于距离测量元件100的表面图案的过程或设备200。首先借助序列生成器装置10产生非重复值(颜色值或强度值)的基本序列11。这意味着，对于所产生的基本序列11中的定义的值范围W不存在以下其他位置：在该其他位置处存在长度为W且具有相同值的子序列。在一种有利变型方案中，可以确定：一维基本序列11必须通过至少M个值区分开。本领域技术人员可以看出，对于一维的非重复基本序列11的求取存在多种可能性，在此不对这些可能性进行进一步的讨论，因为其对于本发明不是重要的。

将该一维基本图案或该一维基本序列11提供给用于不同刻度的图案生成器装置20a...20n。在最简单的情况下，可以将二维图案从一列的随机偏移的基本序列11复制到图案的一行中。在此，每个刻度相应于基本图案的尺寸和值范围W中的数量级。借助加成装置50将分别由图案生成器装置20a...20n如此生成的子图案30a...30n相加。

一种用于从一维基本序列11产生二维图案的可能方案在于，尤其为每行绘制距离，其中，第一行恰好表示该基本序列11。每个另外的行分别使基本序列11偏移一个随机值。另一方案(未在图中示出)直接提供二维图案。这也适用于子图案30a、30b，由此在结果中得出表面图案60，将该表面图案例如以能够胶合和/或能够打印和/或能够涂画和/或能够照亮的形式提供用于距离测量元件100。

作为一种有益的应用情况，可以将距离测量元件100例如用于停车楼中的自动化泊车时的距离测量。也能够想到微观应用，例如在半导体电路的制造中，其中，将距离测量元件100用于求取至半导体电路元件的距离。

图7示出用于距离测量元件100的如此制造的表面图案60的一种实施方式。可以看出两个子图案的总共四个强度值(黑色-深灰色-浅灰色-白色)，这两个子图案在不同刻度上不具有可重复的序列。

用于制造表面图案60的开销随着值级别的数量而增加。如在图8中所示，通过“抖动”表示值可以带来改善。图8以抖动的形式示出图7的表面图案60。这意味着，从现在起通过颜色值白色和黑色来模仿颜色值深灰色和浅灰色，由此得出表面图案60的简化的制造。

取决于诸如温度、光线比例等的影响参量，每个摄像机具有分辨率上的不准确性，这种不准确性的时间变化过程是无法确定的。摄像机的这种所谓的“噪声”可以理解为具有最大幅度‘r’的加成信号，该信号被加到像素值‘p’上。得出所测量的值‘g’为‘r+p’。

假设‘p_min’和‘p_max’是表征相邻离散值‘p’的公差范围的极限的值。如果g>p_min且g<p_max，则可以将所测量的值‘g’分配给像素值‘p’。这些值直接从值刻度的值之间的步长得出。

如果噪声的最大幅度保持低于各个值刻度的最小步长，则‘r+p>p_min’且‘r+p<p_max’，并且系统对噪声无反应(indifferent)。如果已知摄像机的噪声幅度，则因此优选地应相应地设计值刻度的步长。这种所谓的“噪声”可以理解为加成信号，该信号被加到像素值上。

如果噪声的最大幅度保持高于子图案的各个值刻度的最小步长，则该系统(即摄像机)对噪声无反应。因此，优选地，相应地设计距离测量元件的图案的各个值刻度的步长。如果因此在子图案中存在大步长，则摄像机有利地可以具有高的噪声分量(例如热噪声)，以便仍然能够可靠地探测距离测量元件上的图案。由此，其结果是，支持借助成本有利的摄像机可靠地探测图案。

如果最大幅度超过各个子图案的各个值刻度的值之间的最小步长，则可能出现与预期不同的像素值。因此，可以将实际上不同的像素探测为“相同”。现在可以考虑使用超过幅度的概率。为此，在确定基本序列11时，必须确定

G＞R

其中，G是每个子序列的不同值处的最小数量。

为了实现这一点，视差分析必须观察紧邻的至少G个像素。在这种情况下，系统对噪声也无反应。

如果通过视差分析所观察的像素的数量W小于G，则如果W-G像素包括在序列中重复的值，则可能出现图案重复。假设W-G像素总是如此，则可以将错误的最坏情况概率定义为W-G像素的噪声幅度超过最小步距的概率。因此，如果摄像机的噪声如此强，使得不同像素的数量小于由于摄像机的噪声而可能随机出现的像素的数量，则在距离测量元件的识别中可能出现错误。在这种情况下，将像素理解为距离测量元件的投影到摄像机的传感器上的图案。

这种概率可用于整个系统的定性评估以及安全性观察。

如果上述用于产生基本序列11的方法均不可行，则得出错误的最坏情况概率作为W-G像素中的噪声幅度超过最小步距的概率。在这种情况下，最坏情况概率说明像素不采用非重复图案的预期值的概率。

可以相应稳健地对非重复序列进行构型，从而错误的数量N还未导致重复序列。例如确保，11个像素的序列对于该序列的所有像素至少在两个值上与另一序列不同，因此可以出现两个错误而不是出现一个错误。

由摄像机的噪声造成的对比度失真相应于像素值的“压缩”或“拉伸”。这相应于最小的值距离R的降低。

所提及的对比度失真导致数字像素值(颜色或强度)彼此靠近。这相应于图5中的刻度的步长之间的较小距离。如果出现噪声(即具有确定幅度的加成信号)，则采用错误步长的概率增大。

图9示出用于制造距离测量元件100的方法的原理性流程。

在步骤300中，提供至少一个第一子图案30a，该第一子图案具有定义的第一值范围W1中的值的非重复结构。

在步骤310中，提供至少一个第二子图案30b，与第一子图案30a相比，该第二子图案30b具有第二值范围W2中的值的非重复结构，其中，第二子图案30b在定义的第一值范围W1中不具有值。

在步骤320中，将至少两个子图案30a、30b在定义的像素区域上在总体上叠加，其中，第二值范围W2的值之间的最小距离大于第一值范围W1的最大值。

有利地，上述方法可以构造为软件，该软件在用于制造距离测量元件100的电子设备200上运行。以这种方式，支持该方法的容易的适应性，并且可以实现距离测量元件100的制造中的高的自动化程度。

总之，借助本发明提出一种多刻度图案作为距离测量元件，该距离测量元件使得能够实现：在多刻度图案的不同刻度上分别存在独立且能够辨识的图案。以这种方式，在从不同距离的距离测量中可以唯一明确地辨识，由此支持借助立体摄像机的精确的距离测量。

以上根据两个子图案仅示例性地公开了表面图案。然而，显然，表面图案的子图案的数量也可以更大。

本领域技术人员可以看出，在不偏离本发明的核心的情况下，可以实现本发明的大量变型方案。

Claims

1.一种距离测量元件(100)，所述距离测量元件具有：

至少一个第一子图案(30a)，所述第一子图案具有定义的第一值范围(W1)内的值的非重复结构；

至少一个第二子图案(30b)，与所述第一子图案(30a)相比，所述第二子图案具有第二值范围(W2)内的值的非重复结构，其中，所述第二子图案(30b)在定义的第一值范围(W1)内不具有值；

其中，至少两个所述子图案(30a，30b)在定义的表面区域上在总体上叠加成表面图案(60)；

其中，所述第二值范围(W2)的值之间的最小距离大于所述第一值范围(W1)的最大值。

2.根据权利要求1所述的距离测量元件(100)，其特征在于，颜色值或强度值能够在总体上叠加。

3.根据权利要求2所述的距离测量元件(100)，其特征在于，所述距离元件是以下各项中的至少一个：能够印刷的、能够涂画的、能够胶合的、能够照亮的。

4.根据以上权利要求中任一项所述的距离测量元件(100)，其特征在于，所述表面图案(60)抖动地构造。

5.根据以上权利要求中任一项所述的距离测量元件(100)，其中，所述值范围(W1，W2)的值通过2的幂表示。

6.一种用于制造距离测量元件(100)的方法，所述方法具有以下步骤：

提供至少一个第一子图案(30a)，所述第一子图案具有定义的第一值范围(W1)内的值的非重复结构；

提供至少一个第二子图案(30b)，与所述第一子图案(30a)相比，所述第二子图案具有第二值范围(W2)内的值的非重复结构，其中，所述第二子图案(30b)在定义的第一值范围(W1)内不具有值；

将至少两个子图案(30a，30b)在定义的表面区域上在总体上叠加，其中，所述第二值范围(W2)的值之间的最小距离大于所述第一值范围(W1)的最大值。

7.一种用于产生距离测量元件(100)的设备(200)，所述设备具有：

序列生成器装置(10)，所述序列生成器装置用于产生基本序列(11)；

至少两个图案生成器装置(20a，20b)，所述基本序列(11)能够被提供给所述至少两个图案生成器装置，并且借助所述至少两个图案生成器装置能够产生子图案(30a，30b)；

加成装置(50)，所述加成装置用于在总体上叠加所述子图案；

其中，能够产生至少一个第一子图案(30a)和至少一个第二子图案(30b)，所述第一子图案具有定义的第一值范围(W1)内的值的非重复结构，所述第二子图案与所述第一子图案(30a)相比具有第二值范围(W2)内的值的非重复结构，其中，所述第二子图案(30b)在定义的第一值范围(W1)内不具有值，其中，至少两个所述子图案(30a，30b)在定义的表面区域上在总体上叠加成表面图案(60)，其中，所述第二值范围(W2)的值之间的最小距离大于所述第一值范围(W1)的最大值。

8.一种具有程序代码单元的计算机程序产品，当所述计算机程序产品在用于制造距离测量元件(100)的设备(200)上运行或存储在计算机可读的数据载体上时，所述程序代码单元用于实施根据权利要求6所述的方法。