DE10051505A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von 3D-Entfernungsbildern - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von 3D-EntfernungsbildernInfo
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Abstract
Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von 3-D-Bildern beschrieben, die aus einem ersten und einem zweiten Teilbild sowie gegebenenfalls einem Umweltbild berechnet werden, wobei ein bildpunktauflösender optoelektronischer Sensor vorgesehen ist, der eine Mehrzahl von lichtempfindlichen Zellen aufweist, die jeweils einem Bildpunkt des 3-D-Bildes zugeordnet sind. Jeder lichtempfindlichen Zelle sind wiederum mindestens zwei Ladungsspeicher zugeordnet, in denen Ladungen der beiden Teilbilder gespeichert sind. Diese Teilbilder werden im Wesentlichen gleichzeitig und für gleiche Richtungen erzeugt, so dass das 3-D-Bild auf der Grundlage von Teilbildern mit gleicher räumlicher Konfiguration und ohne Parallaxenfehler berechnet werden kann.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Erzeugen von 3D-Bildern.
Es sind bereits Verfahren und Vorrichtungen zum
Beispiel in Form von Sensorsystemen bekannt, mit denen
Entfernungsbilder auf der Grundlage einer punktweisen
Ermittlung von Entfernungen gewonnen werden, die
entweder auf dem Laufzeitprinzip oder mittels
Phasenmodulation eines Laserstrahls zum Beispiel mit
Scannern berechnet werden. Nachteilig hierbei ist
jedoch die Notwendigkeit der Verwendung von mechanisch
bewegten Teilen zur Ablenkung des Laserstrahls und die
sequentielle Ermittlung der einzelnen Bildpunkte eines
Bildes. Letzteres führt in bewegten Szenarien dazu,
dass das Entfernungsbild eine Überlagerung aller
auftretenden räumlichen Konfigurationen des
Zeitintervalls repräsentiert, das für die
bildpunktweise Aufnahme des Entfernungsbildes benötigt
wird.
Weiterhin sind Verfahren unter Verwendung von
bildpunktauflösenden Detektoren wie zum Beispiel CCDs
beschrieben worden.
Aus der DE 44 47 117 ist ein farbcodiertes 3D-
Bilderkennungsverfahrens bekannt, bei dem die
dreidimensionale Lage der Objektpunkte aus den
Farbverteilungen der Objektpunkte von zwei Bildern
errechnet wird, die durch Aufnahme des Objektes mit
durch Lichtintensitätsmodulatoren erzeugten Lichtpulsen
gewonnen werden, wobei einer der
Lichtintensitätsmodulatoren bei einem Bild auf Durchlaß
geschaltet ist und der andere Lichtintensitätsmodulator
bei dem anderen Bild mit einer geeigneten
Zeitverzögerung angesteuert wird. Auf diese Weise
werden modulierte Lichtstrahlen unterschiedlicher
Wellenlänge auf das Objekt ausgesendet und ein einem
Bilddetektor vorgeschalteter Lichtschalter oder
Lichtintensitätsmodulator so betätigt, dass der dadurch
jeweils erfasste momentane Modulationswert eines
reflektierten Lichtstrahls eine Funktion der
unterschiedlichen räumlichen Lage des beleuchteten
Objektpunktes ist. Alternativ zu dem Pulsbetrieb ist
auch ein kontinuierlicher periodischer Betrieb mit
geeignet gewählten Phasenverschiebungen der
Lichtintensitätsmodulatoren möglich.
Aus der WO 99/34235 ist ein Verfahren und eine
Vorrichtung bekannt, bei dem/der das Objekt zum
Beispiel mit Laserdioden kurzzeit-belichtet wird. Zur
Aufnähme des Bildes dient ein Bildsensor mit hoher
Lichtempfindlichkeit, der pixelauflösend und wahlfrei
auslesbar ist sowie eine für jedes Pixel einstellbare
Integrationszeit aufweist. Durch Auswertung der
zurückgestreuten Lichtimpulse in zwei
Integrationsfenstern mit unterschiedlichen
Integrationszeiten sowie durch Mittelung über mehrere
Lichtimpulse lassen sich dreidimensionale
Abstandsbilder erzeugen.
Gemeinsame Nachteile dieser Verfahren beziehungsweise
Vorrichtungen bestehen darin, dass die Pixelwerte, die
für die Berechnung der jeweiligen Entfernungsbildpunkte
benötigt werden, vom Echo unterschiedlicher Lichtpulse
abgeleitet werden und entweder in zeitlicher Abfolge
erzeugt und/oder in unterschiedlichen
lichtempfindlichen Zellen gewonnen werden.
Da die Messwerte zur Berechnung der
Entfernungsbildpunkte (innerhalb der Entfernungsbilder)
sequentiell und somit zu unterschiedlichen Zeiten
aufgenommen werden, kann sich die räumliche
Konfiguration der zu messenden Szenerie inzwischen
verändert haben.
Durch den zeitlichen Versatz zwischen den
Belichtungsvorgängen entsteht bei bewegter Szenerie
oder bewegtem Sensor bei allen Entfernungsbildpunkten,
die von der Bewegung betroffen sind, bedingt durch
fehlerhafte Normierung, ein Berechnungsfehler.
Außerdem führt der höhere Bedarf an Lichtpulsen zu
einer unnötig hohen ausgestrahlten Lichtleistung, so
dass sich eher Probleme mit der Augensicherheit ergeben
können.
Sofern die Gewinnung der Messwerte zur Berechnung der
Entfernungspixel in unterschiedlichen
lichtempfindlichen Zellen eines bildpunktauflösenden
Sensors erfolgt, kann auch bei unbewegter Szenerie eine
fehlerhafte Normierung die Folge sein.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von 3D-
Bildern zu schaffen, die in besonders kurzen
Zeitintervallen sowie mit einer wesentlich geringeren
Lichtleistung aufgenommen werden können.
Weiterhin soll mit der Erfindung ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Erzeugung von 3D-Bildern geschaffen
werden, mit dem/der alle Messwerte, die zur Erzeugung
von Entfernungsbildpunkten benötigt werden, durch die
Streuung eines einzelnen Laserpulses in besonders
kurzen Zeitintervallen gewonnen werden können.
Schließlich soll mit der Erfindung auch ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Erzeugung von 3D-Bildern
geschaffen werden, bei dem/der alle Messwerte für
einen Entfernungsbildpunkt in der gleichen
lichtempfindlichen Zelle gewonnen werden können.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß Anspruch 1 mit einem
Verfahren zur Erzeugung von 3D-Bilder, das sich durch
folgende Schritte auszeichnet:
- - Aussenden eines Lichtpulses in Richtung auf ein abzubildendes Objekt einer Szenerie;
- - Registrierung eines rückgestreuten Lichtpulses innerhalb eines Zeitintervalls M, das so bemessen und zeitlich gegenüber dem Aussenden des Lichtpulses verschoben ist, dass die von dem Objekt der Szenerie zurückgestreuten Lichtpulse für jeden Bildpunkt in Abhängigkeit von ihrer Laufzeit ganz oder teilweise erfasst werden;
- - Speichern der während eines ersten Teilintervalls M1 des Zeitintervalls M erzeugten Ladungen in einem dem betreffenden Bildpunkt zugeordneten ersten Leitungsspeicher S1, sowie der während eines zweiten Teilintervalls M2 des Zeitintervalls M erzeugten Ladungen in einem dem betreffenden Bildpunkt zugeordneten zweiten Ladungsspeicher S2; und
- - Berechnen eines 3D-Bildes (Entfernungsbild) aus den für jeden Bildpunkt in dem ersten und zweiten Ladungsspeicher gespeicherten Ladungsdichten.
Die Aufgabe wird ferner gemäß Anspruch 4 mit einer
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gelöst, die
sich auszeichnet durch einen optoelektronischen Sensor,
der eine Mehrzahl von lichtempfindlichen Zellen
aufweist, die jeweils einem Bildpunkt des zu
erzeugenden 3D-Bildes zugeordnet sind und denen jeweils
mindestens ein erster und ein zweiter Ladungsspeicher
zum Speichern von durch die betreffende
lichtempfindliche Zelle erzeugten Ladungen zugeordnet
ist.
Der Erfindung liegt somit die Erkenntnis zu Grunde,
dass unter Einsatz eines bildpunktauflösenden
optoelektronischen Sensors, dessen einzelne Bildpunkte
mit mehreren Ladungsspeichern versehen sind, eine
extrem schnelle Vorrichtung zur Gewinnung von
Entfernungsbildern bei gleichzeitig vollständiger
Nutzung der Energie der ausgesendeten Lichtpulse
geschaffen werden kann, wobei alle Messwerte zur
Bestimmung des Entfernungsbildes mit einem Lichtpuls
gewonnen werden können.
Ein Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass die
ausgestrahlte Lichtenergie im Interesse einer
Augensicherheit durch deren optimale Nutzung auf ein
Minimum reduziert werden kann. Außerdem sind keine
mechanisch bewegten Teilen erforderlich.
Ein weiterer Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass,
sofern es erforderlich ist, die Aufnahmevorgänge in
kurzen Zeitabständen wiederholt werden können, so dass
Mehrfachbelichtungen und Ladungsintegrationen während
der Aufnahme eines Bildes möglich sind. Auch bei
Mehrfachbelichtungen können keine Berechnungsfehler
durch zeitliche Abfolgen entstehen, da die
akkumulierten Teilsignale relativ zueinander fehlerfrei
sind.
Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildung der
Erfindung zum Inhalt.
Danach wird insbesondere gemäß Anspruch 3 zur Korrektur
des Einflusses von Störlicht auf die gewonnenen
Messsignale jeder lichtempfindlichen Zelle jeweils ein
dritter Ladungsspeicher zugeordnet, so dass ein
Umweltbild erzeugt werden kann, das diese
Störlichtanteile beinhaltet.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der
Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnung.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines
prinzipiellen Aufbaus zur erfindungsgemäßen
Erzeugung von 3D-Bildern;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer ersten
Speicherarchitektur eines Sensors;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer ersten
Erzeugung verschiedener Teilbilder;
Fig. 4 ein Zeittaktdiagramm;
Fig. 15 verschiedene Diagramme zur Berechnung einer
normierten Größe Q als Maß für die
Entfernung,
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer zweiten
Erzeugung verschiedener Teilbilder; und
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer zweiten
Speicherarchitektur eines Sensors.
Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau, mit dem
erfindungsgemäß Entfernungsbilder (3D-Bilder) gewonnen
werden. Von einer Lichtquelle 1 werden Lichtpulse 2 auf
ein Objekt 3 (oder eine Szenerie) ausgesendet, die dort
reflektiert werden. In Abhängigkeit von den Streu- und
Reflektionseigenschaften des Objektes 3 gelangt der
Lichtpuls 2 mit entsprechend verminderter Idensität als
gestreuter Lichtpuls 4 zurück zu einer Aufnahmekamera 5
und fällt dort durch eine Linse 6 auf einen
optoelektronischen, bildpunktauflösenden
(pixelauflösenden) Sensor 7. Die durch den Sensor
erfassten Intensitätswerte werden mit einer
Signalauswerteeinrichtung 8 in nachfolgend noch
beschriebener Weise ausgewertet, und es wird daraus ein
Entfernungsbild (3D-Bild) berechnet. Die Lichtquelle 1
ist vorzugsweise ein konstruktiver Bestandteil der
Kamera 5.
Fig. 2 zeigt die prinzipielle Architektur und
Organisation des pixelauflösenden optoelektronischen
Sensors 7. Der Sensor umfasst für jeden Bildpunkt eine
lichtempfindliche Zelle Zij, der ein erster, ein
zweiter und ein dritter Ladungsspeicher Sijk(k = 1, 2,
3) zugeordnet sind. Die lichtempfindlichen Zellen sind
in Zeilen (Index i) und Spalten (Index j) entsprechend
der Geometrie des zu erzeugenden 3D-Bildes angeordnet
bzw. organisiert.
Der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. die
Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur 3D-
Bilderzeugung soll nun an Hand der Fig. 3 und 4
beschrieben werden.
Das Entfernungsbild (3D-Bild) wird aus zwei Teilbildern
berechnet, wobei gegebenenfalls zusätzlich ein
Umweltbild ermittelt und bei der Berechnung des
Entfernungsbildes berücksichtigt wird.
Durch das Aussenden eines Lichtpulses 2 mit der Länge L
zum Zeitpunkt t0 gemäß Fig. 4b durch die vorzugsweise
an der Kamera 5 montierte Lichtquelle 1 in Richtung auf
das Objekt 3 werden beide Teilbilder erzeugt. Der
Lichtpuls wird gemäß Fig. 3a an verschiedenen
Objektpunkten 10, 11, 12 des Objektes, die
unterschiedliche Entfernungen z innerhalb eines
Bereiches zwischen einer minimalen Entfernung zmin und
einer maximalen Entfernung zmax von der Lichtquelle 1
aufweisen, reflektiert. Um diese unterschiedlichen
Entfernungen zu erfassen, werden die zurückgestreuten
Lichtpulse 4 innerhalb eines ersten Zeitintervalls M <
L (Fig. 4d) detektiert, d. h. die Kamera 5 wird
synchron mit der Emission der Lichtpulse 2 zu einem
Zeitpunkt t1 für das erste Zeitintervall M aktiviert.
Die Länge und die zeitliche Lage des ersten Intervalls
M ist in vorteilhafter Weise so gewählt, dass die an
den betreffenden Objektpunkten 10, 11, 12 gestreuten
Lichtpulse in Abhängigkeit von ihrer Laufzeit, d. h. von
der Entfernung der Objektpunkte von der Lichtquelle,
innerhalb des ersten Zeitintervalls M ganz erfasst
werden.
Fig. 3b zeigt das Zeitintervall M sowie zwei
Teilintervalle M1 und M2 und schematisch die zeitliche
Lage der rückgestreuten Lichtpulse. Das vom Objektpunkt
10 rückgestreute Licht wird im ersten Teilintervall M1
vollständig erfasst. Das rückgestreute Licht des
Objektpunktes 11 fällt teilweise in das erste
Teilintervall M1 und teilweise in das zweite
Teilintervall M2, während das von dem Objektpunkt 12
rückgestreute Licht in dem ersten Teilintervall M1
nicht mehr erfasst wird, sondern vollständig in das
zweite Teilintervall M2 fällt. Die während der
Detektion entstehenden Ladungen werden in
Ladungsspeichern Sijk des Detektors aufgefangen, wobei
die in dem ersten Teilintervall M1 erzeugten Ladungen
in Sij1 (Fig. 4e) und die in dem zweiten Teilintervall
M2 erzeugten Ladungen in Sij2 (Fig. 4f) gespeichert
werden. Dies bedeutet, dass der rückgestreute
Lichtimpuls durch die Teilintervalle von M entsprechend
seiner Laufzeit in unterschiedlichem Maße beschnitten
wird und somit die Laufzeit des Lichtechos die in den
Ladungsspeichern Sij1, Sij2 aufgefangene Ladung
beeinflusst. Der Detektionsvorgang kann für alle
lichtempfindlichen Zellen Zij des Detektors
gleichzeitig vorgenommen werden, wobei bei
ausreichender Intensität nur ein einziger abgestrahlter
Lichtimpuls zur Gewinnung aller erforderlichen Daten
für die Berechnung des Entfernungsbildes benötigt wird.
Da nicht nur die Laufzeit des rückgestreuten Lichtes,
sondern auch die im allgemeinen unterschiedlichen
Streueigenschaften von Objektoberflächen die in den
Teilintervallen registrierten Ladungen beeinflussen,
ist eine Normierung der detektierten Echointensitäten
erforderlich. Zur Normierung kann dabei die als Ladung
detektierte Licht-Echointensität innerhalb eines
Teilintervalls Mi oder des Gesamtintervalls M des
betreffenden Detektorbildpunktes genutzt werden.
Normiert man zum Beispiel die in dem Ladungsspeicher
Sij1 aufgefangenen Ladungen qij1 mit den Ladungen qij2 in
dem Ladungsspeicher Sij2 so läßt sich für den Bildpunkt
ij eine Größe gewinnen, die ein Maß für die Laufzeit
des Lichtpulses darstellt und damit die Entfernung des
korrespondierenden Objektpunktes zum Detektor
repräsentiert.
Darüber hinaus kann man durch Zusammenfassen aller
während der Teilintervalle M1 und M2 detektierten
Ladungen für jeden Bildpunkt eine Größe gewinnen, die
für alle Objekte in dem Messintervall unabhängig von
der Laufzeit des Lichtimpulses ist und damit als
Grauwertbildpunkt dienen kann.
Wenn das darzustellende Objekt einem intensiven
Störlicht wie zum Beispiel Sonnenlicht ausgesetzt ist,
ist es weiterhin vorteilhaft oder in Abhängigkeit von
den Intensitätsverhältnissen zwischen Lichtpuls und
Störlicht erforderlich, ein Umweltbild zu erzeugen, das
diese Störlichtanteile (Fig. 4a) beinhaltet und zur
Korrektur der Teilbilder herangezogen wird. Zu diesem
Zweck wird während eines zweiten Zeitintervalls K gemäß
Fig. 4c zu jedem Bildpunkt das Umweltlicht detektiert,
das heißt es werden die während des zweiten
Zeitintervalls K in jeder lichtempfindlichen Zelle Zij
erzeugten Ladungen in dem der betreffenden Zelle
zugeordneten dritten Ladungsspeicher Sij3 gespeichert.
Das Zeitintervall K für die Gewinnung des
Umweltlichtbildes wird vorteilhaft so gewählt, dass
Streulichtanteile des Lichtpulses von Objekten
außerhalb der betrachteten Szenerie keinen oder nur
einen vernachlässigbar geringen Einfluß haben und
möglichst zeitnah zum Intervall M liegen, um eine
möglichst exakte Repräsentation der zu dieser Zeit
geltenden Umweltlichtbedingungen zu gewährleisten.
Vorzugsweise wird das Zeitintervall K unmittelbar vor
die Emission des Lichtpulses gelegt (Fig. 4c).
Bei ausreichender Intensität des Lichtpulses wird mit
einem Lichtpuls in einem Zeitintervall von zum Beispiel
50 ns die gesamte Informationsmenge für ein
Entfernungsbild gewonnen. Dies bedeutet, dass das
erfindungsgemäße Verfahren beziehungsweise eine
entsprechende Vorrichtung auch zur Aufnahme von sehr
schnellen Vorgänge geeignet ist.
Zur Verbesserung des Signal-/Rauschverhältnisses
besteht bei geeigneter Architektur des
optoelektronischen Sensors die Möglichkeit, diesen
Vorgang mehrfach zu wiederholen und die durch mehrere
Lichtpulse erzeugten Ladungen in den Ladungsspeichern
der lichtempfindlichen Zellen zu akkumulieren.
Beispielsweise ist es möglich, bei der Benutzung von
Laserdioden mit einem Schaltverhältnis (duty cycle) von
1% als Lichtquelle, einer Pulslänge von 10 ns und
einer Bildfrequenz von 100 Hz, die Ladungen von 10000
Lichtimpulsen zu akkumulieren. Der exakte Wert hängt
dabei von der Auslesezeit des optoelektronischen
Sensors ab.
Aus den jeweiligen ersten bis dritten Ladungsspeichern
jeder lichtempfindlichen Zelle wird dann jeder
Bildpunkt des Entfernungsbildes berechnet.
Fig. 5 zeigt zwei mögliche Arten der Berechnung einer
Größe Q aus den Inhalten qijk der Ladungsspeicher s
die monoton von der Entfernung des jeweilige
Objektpunktes abhängig ist. In Fig. 5a und 5b sind die
in den Teilintervallen M1 und M2 registrierten Ladungen
und die in den Ladungsspeichern Sij1, Sij2 aufgefangenen
Ladungen qij1, qij2 in Abhängigkeit von der Entfernung
des Objektpunktes dargestellt. Fig. 5c zeigt die
Ladung qij3, die während des Intervalls K im
Ladungsspeicher Sij3, aufgefangen wird. In dem Intervall
K trifft kein Echo des eingestrahlten Lichtimpulses
ein, sondern es wird nur Umgebungslicht registriert.
Als Beispiel für die Kompensation des Umgebungslichtes,
die Normierung auf die Streueigenschaften des Objektes
und die eingestrahlte Lichtintensität zur Gewinnung der
Größe Q können folgende Gleichungen I und II dienen:
[Gl. I]: QI = {qij1 - qij3(t2 - t1)/(t5 - t4)}/{qij2 - qij3(t3 - t2)/(t5 - t4)} und
[Gl. II]: QII = {qij2 - qij3(t3 - t2)(t5 - t4)}/qij1 + qij2 - qij3(t3 - t1)/(t5 - t4)}
[Gl. I]: QI = {qij1 - qij3(t2 - t1)/(t5 - t4)}/{qij2 - qij3(t3 - t2)/(t5 - t4)} und
[Gl. II]: QII = {qij2 - qij3(t3 - t2)(t5 - t4)}/qij1 + qij2 - qij3(t3 - t1)/(t5 - t4)}
In den Fig. 5d und 5e sind die Verläufe der
Funktionen QI(z) und QII(z) schematisch dargestellt.
Andere Arten der Normierung durch Vertauschen der
Rollen von qij1 und qij2 oder durch Bildung von 1/QI bzw.
1/QII führen ebenfalls auf monotone Funktionen, die zur
Entfernungsbestimmung verwendet werden können.
Um aus der normierten Größe Q auf die Entfernung z zu
schließen, ist die Umkehrfunktion von Q(z) anzuwenden,
was zum Beispiel über eine Nachschlage-
Tabellenoperation erfolgen kann. Das von der Entfernung
unabhängige Graubild kann aus der Summe der Ladungen
qij1 und gij2 für jeden Bildpunkt berechnet werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird
das Messintervall in mehr als zwei Teilintervalle
zerlegt und damit korrespondierend jede
lichtempfindliche Zelle des Sensors mit einer
entsprechenden Anzahl von Speichern versehen.
Bei einer vorteilhaften Wahl der Länge der
Teilintervalle und einer gegebenen Größe der
Ladungsspeicher läßt sich dadurch zum Beispiel die
Dynamik des Verfahrens erhöhen. Fig. 3c zeigt dazu
schematisch den Abfall der rückgestreuten Idensität mit
zunehmender Entfernung der Objektpunkte 10, 11, 12
sowie eine beispielhafte Aufteilung des Messintervalls
in drei Teilintervalle M1', M1" und M2. Die Ermittlung
der Entfernungsbilder kann dann beispielsweise völlig
analog zu dem in Gleichung (1) oder Gleichung (2)
aufgezeigten Verfahren erfolgen, wenn qij1 = qij1' +
qij1" gesetzt wird gesetzt wird und qij1' und qij1" die in den
Intervallen M1' und M1" akkumulierten Ladungen
repräsentieren.
Ein anderes Verfahren bei der Bestimmung von
Entfernungsbildern wird insbesondere dann interessant,
wenn das Intervall M in eine größere Anzahl von
Teilintervallen zerlegt wird. Ein Objekt 11 (Fig. 6a),
das durch einen Lichtpuls 2 beleuchtet wird, erzeugt
den rückgestreuten Lichtpuls 4, der während des
Intervalls M von jeder lichtempfindlichen Zelle Zij
detektiert wird und in den n Teilintervallen M1 - Mn
(Fig. 6b) je nach Ankunftszeit am Detektor entweder
Ladungen oder keine Ladungen erzeugt. Die während jedes
Teilintervalls gewonnenen Ladungen werden in die
zugehörigen Ladungsspeicher Sijk der lichtempfindlichen
Zelle Zij transferiert. Fig. 7 zeigt schematisch die
Architektur des entsprechenden Sensors.
Für die Ermittlung eines Entfernungsbildpunktes wird
geprüft, ob die Speicherinhalte einen Schwellwert
überschreiten und somit ein Signal vorliegt. Sofern
dies der Fall ist, wird allen solchen Speichern der
Wert 1 und allen anderen Speichern der Wert 0
zugeordnet. Aus der bekannten Dauer der Teilintervalle
und dem Phasenbezug zur Emission des Lichtpulses läßt
sich dann die Entfernung für jeden Bildpunkt bestimmen,
indem der erste Speicher eines jeden Bildpunktes
bestimmt wird, dessen Inhalt den Schwellwert
überischreitet (Fig. 7). Der Schwellwert kann
beispielsweise für alle Bildpunkte auf einen konstanten
Wert festgelegt oder für jeden Bildpunkt dynamisch an
die Szenerie angepaßt werden.
Für konstante Dauer der Teilintervalle M1 - Mn ergibt
sich die Entfernung für jeden Entfernungsbildpunkt Eij
zu:
z(Eij) = z0 + zk'
wobei z (Eij) die Entfernung im Bildpunkt Eij, k' den
Index des ersten Speichers der korrespondierenden
lichtempfindlichen Zelle, deren Signal oberhalb des
Schwellwertes liegt und z die zur Dauer der
Teilintervalle gehörende Entfernungsänderung darstellt.
Zusammengefasst ergeben sich mit dieser Ausführungsform
der Erfindung folgende Vorteile:
Das mit den Lichtpulsen erzeugte Licht wird vollständig genutzt. Weiterhin werden die drei oben genannten Bildtypen jeweils am gleichen Ort, das heißt an jeweils gleichen Bildpunkten des optoelektronischen Sensors gewonnen, so dass die Bildpunkte des Entfernungsbildes aus Ladungsdichten berechnet werden, die identische Objektpunkte repräsentieren bzw. abbilden und keine Parallaxenfehler auftreten. Da sich die drei genannten Bildtypen im wesentlichen gleichzeitig, das heißt aus einem einzigen eingestrahlten Lichtimpuls gewinnen lassen, beziehen sich die jeweiligen Ladungen auch auf identische räumliche Konfigurationen.
Das mit den Lichtpulsen erzeugte Licht wird vollständig genutzt. Weiterhin werden die drei oben genannten Bildtypen jeweils am gleichen Ort, das heißt an jeweils gleichen Bildpunkten des optoelektronischen Sensors gewonnen, so dass die Bildpunkte des Entfernungsbildes aus Ladungsdichten berechnet werden, die identische Objektpunkte repräsentieren bzw. abbilden und keine Parallaxenfehler auftreten. Da sich die drei genannten Bildtypen im wesentlichen gleichzeitig, das heißt aus einem einzigen eingestrahlten Lichtimpuls gewinnen lassen, beziehen sich die jeweiligen Ladungen auch auf identische räumliche Konfigurationen.
Claims (5)
1. Verfahren zur Erzeugung von 3D-Bildern,
gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- - Aussenden eines Lichtpulses (L) in Richtung auf ein abzubildendes Objekt (3) einer Szenerie;
- - Registrierung eines rückgestreuten Lichtpulses innerhalb eines Zeitintervalls (M), das so bemessen und zeitlich gegenüber dem Aussenden des Lichtpulses verschoben ist, dass die von dem Objekt der Szenerie zurückgestreuten Lichtpulse für jeden Bildpunkt in Abhängigkeit von ihrer Laufzeit ganz oder teilweise erfasst werden;
- - Speichern der während eines ersten Teilintervalls (M1) des Zeitintervalls (M) erzeugten Ladungen in einem dem betreffenden Bildpunkt zugeordneten ersten Leitungsspeicher (S1), sowie der während eines zweiten Teilintervalls (M2) des Zeitintervalls (M) erzeugten Ladungen in einem dem betreffenden Bildpunkt zugeordneten zweiten Ladungsspeicher (S2); und
- - Berechnen eines 3D-Bildes (Entfernungsbild) aus den für jeden Bildpunkt in dem ersten und zweiten Ladungsspeicher gespeicherten Ladungsdichten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass das die während des ersten und zweiten
Teilintervalls erzeugten Ladungen im wesentlichen
gleichzeitig gespeichert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet
durch folgenden Schritt:
- - Aufnehmen eines Umweltbildes durch Erfassen von von dem Objekt innerhalb eines zweiten Zeitintervalls (K) vor dem Aussenden des Lichtpulses (L) ausgehenden Lichtes für jeden Bildpunkt und Speichern einer dadurch erzeugten Ladungsdichte in einem dem betreffenden Bildpunkt (ij) zugeordneten dritten Ladungsspeicher (Sij3), zur Kompensation von Störlicht bei der Berechnung des 3D-Bildes.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1, gekennzeichnet durch:
einen optoelektronischen Sensor, der eine Mehrzahl
von lichtempfindlichen Zellen (Zij) aufweist, die
jeweils einem Bildpunkt des zu erzeugenden 3D-
Bildes zugeordnet sind, wobei den Zellen jeweils
mindestens ein erster und ein zweiter
Ladungsspeicher (Sij1; Sij2) zum Speichern von durch
die betreffende lichtempfindliche Zelle erzeugten
Ladungen zugeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch
gekennzeichnet, dass jeder lichtempfindlichen
Zelle (Zij) ein dritter Ladungsspeicher (Sij3) zum
Erfassen von durch ein Umweltbild erzeugten
Ladungen zugeordnet ist.
Priority Applications (1)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10051505A DE10051505C2 (de) | 2000-10-17 | 2000-10-17 | Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von 3D-Entfernungsbildern |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE10051505C2 DE10051505C2 (de) | 2002-09-12 |
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE10051505A Expired - Lifetime DE10051505C2 (de) | 2000-10-17 | 2000-10-17 | Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von 3D-Entfernungsbildern |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE10051505C2 (de) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1884797A1 (de) * | 2006-06-14 | 2008-02-06 | Iris-Gmbh Infrared & Intelligent Sensors | Vorrichtung und Verfahren zur Abstandsbestimmung |
DE102004014048B4 (de) * | 2004-03-19 | 2008-10-30 | Sirona Dental Systems Gmbh | Vermessungseinrichtung und Verfahren nach dem Grundprinzip der konfokalen Mikroskopie |
DE102013000085A1 (de) * | 2013-01-08 | 2014-07-10 | Audi Ag | Verfahren zum Wechseln eines Betriebsmodus eines Infotainmentsystems eines Kraftfahrzeugs |
CN111222567A (zh) * | 2020-01-03 | 2020-06-02 | 长江存储科技有限责任公司 | 氮化物密度的相似性分析方法和设备 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4305011C2 (de) * | 1993-02-18 | 1995-03-23 | Deutsche Aerospace | Pulslaufzeit-Meßverfahren |
WO1999034235A1 (de) * | 1997-12-23 | 1999-07-08 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren und vorrichtung zur aufnahme eines dreidimensionalen abstandsbildes |
-
2000
- 2000-10-17 DE DE10051505A patent/DE10051505C2/de not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4305011C2 (de) * | 1993-02-18 | 1995-03-23 | Deutsche Aerospace | Pulslaufzeit-Meßverfahren |
WO1999034235A1 (de) * | 1997-12-23 | 1999-07-08 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren und vorrichtung zur aufnahme eines dreidimensionalen abstandsbildes |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102004014048B4 (de) * | 2004-03-19 | 2008-10-30 | Sirona Dental Systems Gmbh | Vermessungseinrichtung und Verfahren nach dem Grundprinzip der konfokalen Mikroskopie |
US7582855B2 (en) | 2004-03-19 | 2009-09-01 | Sirona Dental Systems Gmbh | High-speed measuring device and method based on a confocal microscopy principle |
EP1884797A1 (de) * | 2006-06-14 | 2008-02-06 | Iris-Gmbh Infrared & Intelligent Sensors | Vorrichtung und Verfahren zur Abstandsbestimmung |
US7623221B2 (en) | 2006-06-14 | 2009-11-24 | Iris Gmbh | Apparatus for and method of determining distance |
DE102013000085A1 (de) * | 2013-01-08 | 2014-07-10 | Audi Ag | Verfahren zum Wechseln eines Betriebsmodus eines Infotainmentsystems eines Kraftfahrzeugs |
CN111222567A (zh) * | 2020-01-03 | 2020-06-02 | 长江存储科技有限责任公司 | 氮化物密度的相似性分析方法和设备 |
CN111222567B (zh) * | 2020-01-03 | 2023-06-23 | 长江存储科技有限责任公司 | 氮化物密度的相似性分析方法和设备 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE10051505C2 (de) | 2002-09-12 |
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