DE10025678A1 - Kamerabasiertes Precrash-Erkennungssystem - Google Patents
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Abstract
Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion von Verkehrsteilnehmern und Hindernissen auf der Grundlage von Kamerabildern, zu der Bestimmung deren Entfernung vom Beobachter und zu deren Klassifikation. In einer zwei-stufigen Klassifikation werden potentielle Unfallgegner erkannt und identifiziert. Dabei werden in einem ersten Schritt potentielle Unfallgegner in den Bilddaten einer Monobildkamera markiert, anschließend deren Entfernung und relative Geschwindigkeit bestimmt, so daß gezielt gefährdende Objekte in Echtzeit einer Typ-Klassifikation unterzogen werden können. Durch die Aufspaltung der Erkennungstätigkeit in mehrere Stufen wird die Echtzeitfähigkeit des Systems auch mit konventionellen, bereits im Fahrzeug vorhandenen Sensoren ermöglicht.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1
und ein für die Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruches 15.
Die frühzeitige Erkennung eines bevorstehenden Aufpralls eines Verkehrsteilnehmers
auf das Fahrzeug eines Beobachters, ermöglicht es den Insassenschutz als auch den
Schutz des Kollisionsgegners zu verbessern. Der Zeitgewinn, der durch die visuelle
Erfassung und Auswertung des einsehbaren Bereichs vor dem Fahrzeug des
Beobachters gewonnen werden kann, erlaubt abgestufte Reaktionen der
Insassenschutzsysteme (z. B. eine sanfte Zündung des Airbag), bzw. macht Reaktionen
zum Schutz des Kollisionsgegners erst möglich (z. B.: Anhebung der Motorhaube im Falle
der Fußgängerkollision). Durch Entwicklungen hin zu schaltbaren Crash-Strukturen wird
der Kenntnis über Typ des Unfallgegners (Lkw, Pkw, Kraftrad, Fußgänger) eine immer
größere Bedeutung zukommen.
Die aktuelle Entwicklung von Precrash-Sensoren befaßt sich u. a. mit der Untersuchung
von auf Infrarot-Laser, Ultraschall- oder Radar-Sensoren basierenden Methoden.
Nachteile dieser Systeme sind teilweise ihre geringe Reichweite (Ultraschall, Infrarot-
Laser) und ihre Unfähigkeit den potentiellen Kollisionsgegner im Sinne einer sicheren
Typisierung (Lkw, Pkw, Motorrad, Mensch) zur unterscheiden. Bei radar-basierten
Systemen können unter anderem nicht-metallische Objekte (z. B.: Menschen oder
Bäume) mit kostengünstigen, für den Fahrzeugeinsatz geeigneten Sensoren nicht
zuverlässig detektiert werden. Eine zuverlässige Detektion und sichere Typisierung ist
jedoch für eine Anpassung einer optimal gestuften Reaktion von Sicherheitssystemen
bezüglich bevorstehender Kollisionen notwendig. Im Rahmen einer solchen gestuften
Reaktion sollen beispielsweise im Falle einer Kollision mit einem Fußgänger aktive
Maßnahmen zu dessen Schutz ergriffen werden. Denkbar sind hierbei rasche
Änderungen in der Gestalt der Fahrzeugkarosserie um die Wahrscheinlichkeit schwerer
Kopf- und Beinverletzungen zu reduzieren. Grundvoraussetzung zur Aktivierung dieser
Maßnahmen ist jedoch, daß das Schutzsystem in der Lage ist, Verkehrsteilnehmer
sicher zu erkennen und ihrem Typ (z. B.: Pkw, Lkw, Radfahrer, Fußgänger) nach zu
klassifizieren.
Im allgemeinen wird bei Interpretationsverfahren für Bildszenen versucht bereits im
ersten Schritt mit einem meist aufwendigen Sensor (Stereo-Sensor oder
hochauflösendes Radar bzw. Lidar) neben einer reinen zweidimensionalen
Bildinformation bereits mehr-dimensionale Szeneninformation zu gewinnen. Um hierbei
Objekte detektieren zu können gehen diese Verfahren jedoch von Modellen, vor allem
bzgl. der Lage und Ausrichtung potentieller Ziele sowie einer vorgegebenen, festen
Geometrie der Ausrichtung bezüglich Sensor und Umgebung aus. In der Praxis ist
jedoch oft festzustellen, daß diese Modelle und Annahmen des öfteren mit den realen
Bedingungen nicht übereinstimmen, was dann in Fehlinterpretationen mündet.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren und eine geeignete Vorrichtung zu finden,
welches es erlaubt Verkehrsteilnehmer auf der Grundlage von Kamerabildern zu
detektieren, deren Entfernung vom Beobachter zu bestimmen und die
Verkehrsteilnehmer zu klassifizieren.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine zur Durchführung dieses Verfahrens
geeignete Vorrichtung mit den in den Ansprüchen 1 und 15 beschriebenen Merkmalen
gelöst. Hierbei ermöglicht die in mehrere Schritte gegliederte Datenaufnahme und
Objektidentifikation die Verwendung konventioneller Sensorik und bietet zugleich das
Potential für eine echtzeitfähige Realisierung.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den
untergeordneten Ansprüchen angeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren identifiziert Regionen innerhalb eines Kamerabildes, in
welchem sich Verkehrsteilnehmer oder Hindernisse befinden. In vorteilhafter Weise ist
es dabei ausreichend, daß dieses Kamerabild reine zweidimensionale Bildinformation
ohne Entfernungsauflösung enthält. Die Identifikation erfolgt mit Hilfe eines speziell auf
die zu erkennenden Verkehrsteilnehmern und Hindernissen trainierten Klassifikators. In
einem nachfolgenden Schritt, werden sodann die entsprechend identifizierten Regionen
markiert und mittels eines entfernungs-messenden Sensors bezüglich ihrer Entfernung
vom Beobachter vermessen. Abschließend werden ausgewählte Regionen einer Typ-
Klassifikation zur exakten Bestimmung der Art von Verkehrsteilnehmer oder Hindernis
zugeführt.
Eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung enthält eine
Monobildkamera, welche mit einer entfernungs-messenden Sensoreinheit gekoppelt ist.
Dabei befindet sich dieser Kopplung zwischen- und nachgeschaltet jeweils eine
Klassifikationseinheit.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist der nachgeschalteten
Klassifikationseinheit, welche der Typ-Klassifikation dient, eine Auswahleinheit
vorgeschaltet, mit Hilfe derer die Anzahl an zu klassifizierenden Regionen gesteuert
werden kann.
Fig. 1 zeigt schematisch eine vorteilhafte Ausgestaltung einer solchen Vorrichtung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei stellt die Monobildkamera 1
die Bilddaten 10 einer Klassifikationseinheit 2 zur Verfügung, welche Bildregionen die
Verkehrsteilnehmer oder Hindernisse enthält identifiziert und der entfernungs
messenden Sensoreinheit 3 die entsprechenden Positionsdaten mitteilt. Die
Sensoreinheit 3 vermißt sodann diese Bereiche bezüglich ihrer Entfernung vom
Beobachter. Diese Meßdaten 30 stehen dabei, gemeinsam mit den Daten 20 der ersten
Klassifikationseinheit 2, einer Auswahleinheit 4 zur Verfügung. Mittels der
Auswahleinheit 4 kann der Datenfluß zur nachgeschalteten Einheit zur Typ-
Klassifikation von ausgewählten Verkehrsteilnehmern oder Hindernissen 5 gesteuert
werden. Der Klassifikationseinheit 5 werden die von der Auswahleinheit ausgewählten
Bilddaten 40 zur Klassifikation übermittelt werden. Die Ergebnisse 50 dieser Typ-
Klassifikation werden in vorteilhafter Weise einem mit der Klassifikationseinheit
verbundenen Gefahrenrechner zur Verfügung gestellt, so daß dieser Entscheidungen
über die Notwendigkeit der Einleitung von situationsgerechen Reaktionen auf treffen
kann.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es
auch denkbar, daß die Auswahleinheit 4 entfällt und grundsätzlich alle Daten 20 und 30
der Klassifikationseinheit 5 direkt zugeführt werden.
In besonders vorteilhafter Weise läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren zur
Identifikation von Verkehrsteilnehmern und Hindernissen durch die Verwendung eines
Hyperpermutations-Netzwerk im Rahmen der Klassifikationseinheit 2 gestalten. Ein
solches Netzwerk ist in der Lage mit hoher Geschwindigkeit pixelbasiert innerhalb der
Bilddaten 10 Bereiche zu lokalisieren, welche zu einer bestimmten Klasse (hier
Verkehrsteilnehmer und Hindernisse) gehören. Der Vorteil der Verwendung einfacher
zweidimensionaler Bildinformation, zeigt sich nicht nur darin, daß das Verfahren der
Verwendung einer einfachen kostengünstigen Kamera offen steht, sondern
insbesondere auch in der Möglichkeit leistungsfähige Klassifikationsalgorithmen unter
Echtzeitbedingungen die gesamte Bildinformation auswerten zu lassen. Da die von einer
Monobildkamera 1 gelieferte Bildinformation 10 recht simpel ist, ist es im Gegensatz zu
herkömmlichen meist auf sehr komplexen Daten arbeitenden Verfahren möglich, jedes
einzelne Bildpixel in die Klassifikation mit aufzunehmen.
Innerhalb der Klassifikationseinheit 2 wird dem eigentlichen Klassifikator
(beispielsweise dem Hyperpermutations-Netzwerk) ein Algorithmus, vorteilhafter Weise
ein auf diese Aufgabe adaptierter Box-Algorithmus, nachgestellt, welcher
zusammengehörige Regionen zu "regions of interest" ROI zusammenfaßt und markiert,
so daß diese einer Weiterverarbeitung zugeführt werden können.
Im Rahmen dieser Weiterverarbeitung werden die diesen ROI zugehörigen Bereiche
mittels eines entfernungs-messenden Sensors 3 bezüglich ihrer Entfernung vom
Beobachter vermessen. In vorteilhafter Weise eignen sich hierfür Radarsysteme oder
Stereo-Kamera-Systeme. Da die von diesen Sensoren gewonnenen Daten rein zur
Entfernungsschätzung und nicht zu einer Typ-Klassifikation in bezug auf die Art von
Verkehrsteilnehmer oder Hindernis herangezogen werden, ist es nicht notwendig diese
Sensoren mit extremen Winkelauflösungen und extrem rechenaufwendigen, robusten
Modellen auszustatten. Es kann bevorzugt somit also auf bereits im Fahrzeug
vorhandene in ihrer Hauptausrichtung auf andere Anwendungen spezialisierte Sensoren
zurückgegriffen werden.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es
aber auch denkbar, mittels einer Monobildkamera in Zusammenarbeit mit einer
komplexen Bildauswertung, im Bereich der ROI eine Entfernungsschätzung durchführen
zu lassen. Da hierbei nur einzelne Ausschnitte (ROI) der gesamten Bildinformation
bearbeitet werden müssen, ist beim Einsatz leistungsfähiger Prozessoren möglich, den
hohen Rechenaufwand in Echtzeit durchzuführen. Dabei wäre es besonders vorteilhaft,
wenn diese Information einem zweiten Verarbeitungsschritt direkt aus den bereits von
der Monobildkamera 1 gelieferten Bilddaten 10 gewonnen werden könnte. Auf ist es
möglich das System ohne die Verwendung eines zusätzlichen entfernungs-messenden
Sensors 3 zu realisieren.
In vorteilhafter Weise, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die aus der
wiederholten Vermessung der Entfernung der Verkehrsteilnehmer oder Hindernisse vom
Beobachter gewonnene Information dazu verwendet, die Relativgeschwindigkeit dieser
Objekte in Bezug auf den Beobachter zu bestimmen. Besonders vorteilhaft wirkt sich
dabei aus, wenn der entfernungs-messende Sensor 3 zusätzlich neben der
Entfernungsinformation auch Geschwindigkeitsinformation liefert (z. B.: Doppler-Radar).
Auf diese Weise könnte die indirekte Geschwindigkeitsschätzung aus der Abfolge der
Entfernungsmessungen entfallen.
Die Entfernungs- und Geschwindigkeitsinformation 30 wird gemeinsam mit der
Bildinformation 10 einer Auswahleinheit 4 zugeführt. Diese Auswahleinheit entscheidet
dann gemäß ihren Vorgaben, welche der Bilddaten einer Typ-Klassifikation innerhalb
einer nachgeschalteten Klassifikationseinheit 5 zugeführt werden. Es ist denkbar, dass
die Auswahleinheit 4 so konfiguriert wird, daß sie grundsätzlich alle ROI zugehörigen
Bilddaten einer Typ-Klassifikation zuführt. Andererseits können aber auch in
vorteilhafter Weise nur die Bilddaten jener ROI weitergeleitet werden, welche
Verkehrsteilnehmern oder Hindernissen zugeordnet werden, welche bestimmte Kriterien
erfüllen. Dabei ist vor allem das vorhandene Gefährdungspotential in Betracht zu ziehen;
so zum Beispiel die Größe von Objekten oder deren Geschwindigkeit mit der sie sich auf
den Beobachter zu bewegen oder auch deren Relativgeschwindigkeit allgemein (z. B.
schnelle oder stehende Objekte).
Für die eigentliche Typ-Klassifikation innerhalb der Klassifikationseinheit 5, welche einer
exakten Bestimmung der Art von Verkehrsteilnehmer oder Hindernis dient, kann auf
bekannte, speziell auf diese Art von Objekten trainierte Klassifikationsalgorithmen
zurückgegriffen werden. In vorteilhafter Weise eigenen sich hierzu Neuronale Netze, wie
beispielsweise ein Radial-Basis-Funktions-Klassifikator oder eine Support-Vector-
Maschine.
In vorzüglicher Weise eignen sich das erfindungsgemäße Verfahren und die
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Früherkennung und Folgeabschätzung von
Unfallsituationen (PreCrash-Detektion).
Claims (19)
1. Verfahren zur Detektion von Verkehrsteilnehmern und Hindernissen auf der
Grundlage von Kamerabildern, zu der Bestimmung deren Entfernung vom Beobachter
und zu deren Klassifikation,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein auf die Erkennung von Verkehrsteilnehmern und Hindernissen ausgerichteter Klassifikator Regionen innerhalb eines zweidimensionalen, nicht entfernungs aufgelösten Kamerabildes identifiziert,
daß in einem weiteren Schritt diese so identifizierten Regionen markiert und sodann mittels eines entfernungs-messenden Sensors bezüglich ihrer Entfernung vom Beobachter vermessen werden,
und daß anschließend ausgewählte Regionen einer Typ-Klassifikation zur Erkennung der Verkehrsteilnehmer bzw. Hindernisse zugeführt werden.
daß ein auf die Erkennung von Verkehrsteilnehmern und Hindernissen ausgerichteter Klassifikator Regionen innerhalb eines zweidimensionalen, nicht entfernungs aufgelösten Kamerabildes identifiziert,
daß in einem weiteren Schritt diese so identifizierten Regionen markiert und sodann mittels eines entfernungs-messenden Sensors bezüglich ihrer Entfernung vom Beobachter vermessen werden,
und daß anschließend ausgewählte Regionen einer Typ-Klassifikation zur Erkennung der Verkehrsteilnehmer bzw. Hindernisse zugeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kamerabild, welches
zur Identifikation von Verkehrsteilnehmern herangezogen wird, nur zweidimensionale
Bildinformation, ohne Entfernungsauflösung enthält.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aus
der Vermessung gewonnenen Informationen zur Bestimmung der Relativgeschwindigkeit
der einzelnen Verkehrsteilnehmer bzw. Hindernisse benutzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der auf
die Erkennung von Verkehrsteilnehmern ausgerichtete Klassifikator ein
Hyperpermutations-Netzwerk ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Boxalgorithmus zur Markierung von als Verkehrsteilnehmer identifizierten Regionen
verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der
entfernungs-messende Sensor ein Radarsensor ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der
entfernungs-messende Sensor ein Stereo-Kamerasystem ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der
entfernungs-messende Sensor ein Mono-Kamerasystem ist, welches durch geeignete
Bildverarbeitung in der Lage ist Entfernungsschätzungen vorzunehmen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Mono-Kamerasystem
das selbe System ist, mittels welchem bereits im ersten Schritt das zweidimensionale,
nicht entfernungs-aufgelöste Kamerabild generiert wurde.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der
Klassifikator zur Typ-Klassifikation ein Radial-Basis-Funktions-Klassifikator ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der
Klassifikator zur Typ-Klassifikation eine Support-Vector-Maschine ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die
Auswahl der einer Typ-Klassifikation zu unterziehenden Regionen in Abhängigkeit ihrer
Entfernung und/oder Relativgeschwindigkeit bezüglich des Beobachters getroffen wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die
Auswahl der einer Typ-Klassifikation zu unterziehenden Regionen alle als
Verkehrsteilnehmer bzw. Hindernis identifizierten Regionen einbezieht.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
das Ergebnis der Typ-Klassifikation einem Gefahrenrechner zur Entscheidung über evtl.
einzuleitende Reaktionen übermittelt wird.
15. Vorrichtung zur Detektion von Verkehrsteilnehmern und Hindernissen auf der
Grundlage von Kamerabildern, zu der Bestimmung deren Entfernung vom Beobachter
und zu deren Klassifikation
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Monobildkamera 1 mit einer entfernungs-messenden Sensoreinheit 3 gekoppelt ist,
und daß sich dieser Kopplung zwischen- und nachgeschaltet jeweils eine Klassifikationseinheit 2 und 5 befindet.
daß eine Monobildkamera 1 mit einer entfernungs-messenden Sensoreinheit 3 gekoppelt ist,
und daß sich dieser Kopplung zwischen- und nachgeschaltet jeweils eine Klassifikationseinheit 2 und 5 befindet.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Monobildkamera 1
mit einer Klassifikationseinheit 2 verbunden ist,
daß diese Klassifikationseinheit 2 einen Modul zur Identifikation von Bildregionen, welche Verkehrsteilnehmern und Hindernissen zuzuordnen sind, enthält und welcher diese Regionen markiert und die entsprechenden Daten 20 am Ausgang des Moduls für eine Weiterverarbeitung zur Verfügung stellt,
daß an den Ausgang des Moduls eine entfernungs-messenden Sensoreinheit 3 gekoppelt ist, welche in der Lage ist, die markierten Bereiche bezüglich ihrer Entfernung vom Beobachter zu vermessen, und diese Meßdaten über eine Verbindung 30 einer Auswahleinheit 4 zur Verfügung stellt, über welche eine zweite Klassifikationseinheit an das Gesamtsystem angeschlossen ist, welche die ihr von der Auswahleinheit gelieferten Regionen 40 bezüglich des Typs von Verkehrsteilnehmer bzw. Hindernis klassifiziert.
daß diese Klassifikationseinheit 2 einen Modul zur Identifikation von Bildregionen, welche Verkehrsteilnehmern und Hindernissen zuzuordnen sind, enthält und welcher diese Regionen markiert und die entsprechenden Daten 20 am Ausgang des Moduls für eine Weiterverarbeitung zur Verfügung stellt,
daß an den Ausgang des Moduls eine entfernungs-messenden Sensoreinheit 3 gekoppelt ist, welche in der Lage ist, die markierten Bereiche bezüglich ihrer Entfernung vom Beobachter zu vermessen, und diese Meßdaten über eine Verbindung 30 einer Auswahleinheit 4 zur Verfügung stellt, über welche eine zweite Klassifikationseinheit an das Gesamtsystem angeschlossen ist, welche die ihr von der Auswahleinheit gelieferten Regionen 40 bezüglich des Typs von Verkehrsteilnehmer bzw. Hindernis klassifiziert.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß
mit dem Ausgang der Klassifikationseinheit zur Typ-Klassifikation 5 ein Gefahrenrechner
verbunden ist.
18. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, zur Früherkennung
von Unfallsituationen (PreCrash-Detektion).
19. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, zur
Früherkennung von Unfallsituationen (PreCrash-Detektion).
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