DE102004026090A1

DE102004026090A1 - Three dimensional object measurement system has video sensor and laser used for distance measurement in alternate clock intervals

Info

Publication number: DE102004026090A1
Application number: DE200410026090
Authority: DE
Inventors: Lars Dipl.-Inf. Krüger; Christian Dr. Wöhler
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-05-25
Filing date: 2004-05-25
Publication date: 2005-12-22

Abstract

A three dimensional object (2) measurement system has a laser (7) with invisible beam (6, 10) reflected from the object into a video sensor (3) and switched on when the sensor changes from two dimensional to distance measurement in successive clock intervals.

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßsystem zur dreidimensionalen Erfassung der Position und oder der räumlichen Ausdehnung mindestens eines Gegenstandes in einem Raum oder einer Umgebung, bei der ein getakteter Videosensor gleichzeitig zur zweidimensionalen Bilderfassung und zur Abstandsmessung mittels eines Laserstrahls verwendet wird.The The invention relates to a measuring system for three-dimensional recording of the position and or the spatial Extension of at least one object in a room or a room Environment in which a clocked video sensor simultaneously to the two-dimensional Image acquisition and distance measurement by means of a laser beam is used.

Stand der Technik:State of the art:

Die Erfindung geht von einem Meßsystem zur dreidimensionalen Erfassung der Position und oder der räumlichen Ausdehnung mindestens eines Gegenstandes in einem Raum oder einer Umgebung nach der Gattung des Hauptanspruchs aus.The The invention is based on a measuring system three-dimensional capture of the position and or the spatial Extension of at least one object in a room or a room Environment according to the preamble of the main claim.

Viele Bildverarbeitungsanwendungen benötigen neben der zweidimensionalen Bilderfassung dreidimensionale Informationen oder werden zuverlässiger und oder genauer, wenn den zweidimensionalen Informationen der Bilderfassung dreidimensionale Informationen hinzugefügt werden. Eine Möglichkeit diese dreidimensionalen Informationen zu gewinnen ist, mindestens zwei kalibrierte Kameras einzusetzen. Damit kann durch verschiedene Verfahren die räumliche Position ausgezeichneter Punkte, von einzeln erfassbaren Gegenständen in einer Umgebung je nach Anzahl der verwendeten Kameras in der gewünsch ten Genauigkeit erfasst werden. Der Nachteil dieses Ansatzes ist, dass mehrere Kameras synchron den selben Gegenstand in der selben Umgebung aufnehmen müssen. Je nach Anwendungsfall ist dies mit einem erheblichen Aufwand verbunden, obgleich die eigentliche Aufgabe des Erkennens von Gegenständen oder einer Umgebung bereits mit nur einer Kamera ausreichend gelöst werden kann, mit der Einschränkung, keine dreidimensionalen Informationen erhalten zu können. Dabei bezeichnet der Begriff Umgebung einen Raum, wie beispielsweise eine Produktionslinie, ein Warenlager oder einen Bereich im Freien mit bestimmten Begrenzungen, beispielsweise durch Wände oder das Sichtfeld, wobei einerseits die Umgebung selbst in ihrer Ausdehnung erfasst, oder nicht näher klassifizierte Gegenstände, beispielsweise Wände, Menschen, Maschinen, Fahrzeuge, Bäume oder Tiere ohne nähere Identifikation, oder auch bestimmte, zu klassifizierende Gegenstände, beispielsweise unterschiedliche Bauteile, je nach Anwendungsfall in ihrer räumlichen Ausdehnung und/oder räumlichen Position in dieser Umgebung erkannt werden sollen.Lots Need image processing applications in addition to the two-dimensional image acquisition three-dimensional information or become more reliable and, more specifically, if the two-dimensional information of image capture three-dimensional information will be added. A possibility To gain this three-dimensional information is, at least to use two calibrated cameras. This can be done by different Procedure the spatial Position of excellent points, of individually detectable objects in an environment depending on the number of cameras used in the desired th Accuracy can be detected. The disadvantage of this approach is that several cameras sync the same object in the same environment need to record. Depending on the application, this is associated with a considerable effort, although the actual task of recognizing objects or An environment already sufficiently solved with only one camera can, with the restriction, unable to receive three-dimensional information. there The term environment refers to a space, such as a space Production line, warehouse or outdoor area with certain boundaries, for example by walls or the field of view, where on the one hand, the environment itself is detected in its extent, or not closer classified objects, for example, walls, People, machines, vehicles, trees or animals without further identification, or certain objects to be classified, for example different components, depending on the application in their spatial extent and / or spatial Position in this environment should be detected.

Die dreidimensionale Information kann unter Verwendung mehrerer Bildsensoren, z.B. mittels einer Kombination von IR-, CCD- und CMOS-Kameras oder auch mittels kapazitiven, induktiven, magnetischen oder optischen Entfernungssensoren oder einer Kombination davon erhalten werden. Bei der Verwendung von Entfernungssensoren werden besonders optische Entfernungssensoren bevorzugt, da diese sehr zuverlässig sind und im Vergleich zu anderen Entfernungssensoren eine relativ hohe Genauigkeit besitzen. Die meisten optischen Entfernungssensoren bestehen aus einer einen Laserstrahl emittierenden Laserquelle, beispielsweise einer Laserdiode und mit einem auf die Wellenlänge des Laserstrahls abgestimmten photoelektrischen Sensor, wobei mit dem Laserstrahl ein Gegenstand punktuell beleuchtet wird, um die Entfernung zum Entfernungssensor zu bestimmen. Hierzu gibt es verschiedene Messverfahren, die grob in laufzeitbasierte und triangulationsbasierte Messverfahren unterteilt werden können.The Three-dimensional information can be obtained by using several image sensors, e.g. using a combination of IR, CCD and CMOS cameras or also by means of capacitive, inductive, magnetic or optical Distance sensors or a combination thereof can be obtained. When using distance sensors are particularly optical Distance sensors preferred because they are very reliable and compared to other distance sensors a relatively high Possess accuracy. Most optical distance sensors consist of a laser beam emitting laser source, For example, a laser diode and with a wavelength of the Laser beam tuned photoelectric sensor, taking with the Laser beam an object is spot-illuminated to the distance to determine the distance sensor. There are various measuring methods for this, the roughly in term-based and triangulation-based measurement methods can be divided.

Bei den triangulationsbasierten Messverfahren beleuchtet der Laserstrahl den Gegenstand, wird reflektiert und trifft auf den in der Nähe der Laserquelle angeordneten photoelektrischen Sensor, wie beispielsweise einer Zeilenkamera oder einer ähnlichen elektronischen Vorrichtung, mit dem die Position der von dem Laser beleuchteten Stelle bestimmbar ist. Durch den die Messbasis bildenden Abstand zwischen Laserquelle und Sensor kann gemeinsam mit dem Weg des emittierten und reflektierten Laserstrahls ein Dreieck gebildet werden, so dass die Entfernung zwischen dem aus Laserquelle und photoelektrischem Sensor bestehenden Entfernungssensor und dem Punkt, an dem der Laserstrahl reflektiert wird, mittels ebener Trigonometrie bestimmt werden kann. Die Genauigkeit und die Auflösung der Messergebnisse hängt dabei von der Länge der Messbasis zwischen Laserquelle und photoelektrischem Sensor ab.at The laser beam illuminates the triangulation-based measurement method the object is reflected and strikes the one near the laser source arranged photoelectric sensor, such as a Line scan camera or similar electronic Device with which the position of the illuminated by the laser Job is determinable. By the distance forming the measuring base between laser source and sensor can be shared with the path of the emitted and reflected laser beam forming a triangle, so that the distance between the laser source and the photoelectric Sensor existing rangefinder and the point where the laser beam is reflected, can be determined by means of plane trigonometry. The accuracy and the resolution the measurement results depends thereby of the length the measuring base between laser source and photoelectric sensor from.

Derartige Entfernungssensoren weisen jedoch den Nachteil auf, dass aufgrund baulicher und wirtschaftlicher Beschränkungen nur eine begrenzte Anzahl von Entfernungs- und Genauigkeitsstufen erhältlich sind, wobei mit zunehmendem Entfernungsbereich die Messgenauigkeit und/oder die Auflösung einer Einzelmessung abnimmt.such However, distance sensors have the disadvantage that due to structural and economic restrictions only a limited number range and accuracy levels are available, with increasing Distance range the measurement accuracy and / or the resolution of a Single measurement decreases.

Die gleiche Situation ergibt sich auch für Entfernungssensoren, die mit einer Streiflichtprojektion, bei der dreidimensionale Informationen entlang von auf das Objekt oder den Gegenstand projizierten Linien erhalten werden. Daher sind für einige Anwendungsfälle keine Entfernungssensoren verfügbar, die hinsichtlich ihres Auflösungs- und Entfernungsbereichs für den jeweils gewünschten Anwendungsfall angepasst und geeignet sind. Bei der Auslegung und der erzielbaren Genauigkeit von Bildverarbeitungsanwendungen, welche dreidimensionale Informationen verarbeiten müssen daher Einschränkungen in Kauf genommen werden.The same situation also arises for distance sensors, the with a grazing light projection, where the three-dimensional information along lines projected on the object or object to be obtained. Therefore, for some use cases no distance sensors available, which in terms of their resolution and distance range for the respectively desired Application adapted and suitable. In the design and the achievable accuracy of image processing applications which Therefore, processing three-dimensional information must have limitations be accepted.

Darüber hinaus ist es bei manchen Anwendungsfällen nicht möglich, oder aus Kostengründen nicht erwünscht, zwei Sensoren, einen für die zweidimensionale Bilderfassung und einen für die Entfernungsmessung, an einer Vorrichtung, einer Maschine, oder einem Fahrzeug anzuordnen.Moreover, it is not possible in some applications, or for cost reasons It is not desirable to arrange two sensors, one for two-dimensional image acquisition and one for distance measurement, on a device, a machine, or a vehicle.

Technische Aufgabe der Erfindung:Technical task of Invention:

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und kostengünstiges Meßsystem zu entwickeln, bei dem unter Verwendung möglichst weniger Bauteile der zweidimensionalen Bilderfassung eine dreidimensionale Information hinzugefügt wird, und die möglichst einfach an verschiedene Anwendungsfälle anpassbar ist.Of the Invention is therefore the object of a simple and inexpensive measuring system to develop, using as few components as possible two-dimensional image capture a three-dimensional information added will, and as possible easily adaptable to different applications.

Diese Aufgabe wird durch ein Meßsystem nach Anspruch 1 vollständig gelöst. Das erfindungsgemäße Meßsystem mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs weist gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass die Laserquelle so angeordnet ist, dass der Laserstrahl innerhalb eines vorgebbaren Entfernungsbereichs von dem Gegenstand oder einem ausgezeichneten Punkt auf dem Gegenstand auf den Videosensor reflektiert wird, wobei der Videosensor und die Laserquelle in einer vorgebbaren Frequenz getaktet sind und der Videosensor während zweier aufeinander folgender Takte einmal zur zweidimensionalen Bilderfassung und einmal zur Abstandsmessung verwendet wird, wobei die Laserquelle während der Bilderfassung aus- und während der Abstandsmessung eingeschaltet ist, um die Bilderfassung nicht zu beeinträchtigen, und zur Entfer nungsmessung die Auftreffkoordinaten des reflektierten Laserstrahls auf den Videosensor mit diesem selbst messbar sind, um anhand einer automatisch durchgeführten Triangulationsberechnung die Entfernung des von dem Laserstrahl beleuchteten Punktes auf dem Gegenstand von der durch Laserquelle und Videosensor führenden Geraden zu bestimmen. Der Unterschied gegenüber dem Stand der Technik besteht dabei im Wesentlichen in der Benutzung des ohnehin für die zweidimensionale Bilderfassung benötigten Videosensors für die Bestimmung der für die Entfernungsmessung benötigten Auftreffkoordinaten. Die die Messbasis kennzeichnende Basislinie ist dabei eine, nicht notwendigerweise horizontale, Gerade durch die Pixel der Bildmatrix des Videosensors. Die Taktung der Laserquelle und des Videosensors kann zudem zur Erhöhung der Messgenauigkeit und der Stabilität des Meßsystems gegen äußere Störeinflüsse verwendet werden. Dazu wird die Laserquelle mit einem festen Teiler der Bildaufnahmefrequenz ein- und ausgeschaltet, wobei die Zeitintervalle während denen die Bilderfassung erfolgt und während der die Entfernungsmessung durchgeführt wird nicht gleich lang sein müssen. Da diese Frequenz bekannt ist, kann pro Pixel ein zeitlicher Bandpass berechnet werden, der nur für diese Pixel anspricht, die ihre Helligkeit mit der gewählten Frequenz der Laserquelle ändern. Bei sinnvoller Wahl dieser Frequenz können Einflüsse einer beispielsweise in einer Produktionshalle mit der Netzfrequenz betriebenen Beleuchtung, von bewegten Schatten und dergleichen ausgeschlossen werden, womit die von dem Laser beleuchteten Pixel auf dem Videosensor eindeutig identifizierbar sind. Mittels bekannter Bildverarbeitungsalgorithmen können darüber hinaus die Auftreffkoordinaten des von dem Gegenstand reflektierten Laserstrahls mit einer kleineren Teilung, als der Pixelrasterung subpixelgenau bestimmt werden, so dass eine Auflösungsgenauigkeit oberhalb der durch die Pixel des Videosensors vorgegebene Gitterweite erreichbar ist. Die Auftreffkoordina ten werden anschließend in einen durch den Brennpunkt eines vor dem Videosensor angeordneten, ebenfalls zu der Kamera gehörenden Objektivs umgerechnet, so dass durch den damit bekannten räumlichen Verlauf des Laserstrahls die Entfernung und mittels der Bilderfassung die räumliche Position des von dem Laserstrahl beleuchteten Punktes auf dem Gegenstand bestimmbar ist. Der dabei zur Entfernungsmessung auf den Gegenstand gerichtete Laserstrahl stört die Bilderfassung dann nicht, wenn der Bildeinzug für die Entfernungsmessung und für die Bilderfassung zeitlich im Gegentakt geschaltet sind. Das ist insbesondere bei industriellen Anwendungen, in denen eine dreidimensionale Positionsbestimmung benötigt wird, meist möglich, da die Taktzeiten der Produktionslinie oder von einzelnen Maschinen und Anlagen meist höher sind, als die Rechenzeiten der Bildverarbeitung. Das Abschalten der Laserquelle während der Bilderfassung ist beispielsweise mittels moderner Halbleiterlaser, welche eine deutlich höhere Betriebsfrequenz als die Bildaufnahmefrequenz aufweisen, ohne weiteres möglich.These Task is by a measuring system after Claim 1 completely solved. The measuring system according to the invention with the characterizing features of the main claim points to the The prior art has the advantage that the laser source is arranged in this way is that the laser beam within a predefined distance range of the object or a point of excellence on the object is reflected on the video sensor, the video sensor and the laser source are clocked in a predetermined frequency and the video sensor during two consecutive bars once to two-dimensional Image capture and once used for distance measurement, wherein the laser source during the image capture off and while the distance measurement is turned on, so as not to capture the image to impair and for distance measurement the impact coordinates of the reflected Laser beam on the video sensor with this self-measurable, by means of an automatically performed triangulation calculation the distance of the point illuminated by the laser beam the object of the laser source and the video sensor leading To determine straight lines. The difference from the prior art exists doing so essentially in the use of anyway for the two-dimensional Image capture needed Video sensors for the determination of for needed the distance measurement Auftreffkoordinaten. The baseline characterizing the measurement base is a, not necessarily horizontal, straight through the pixels of the image matrix of the video sensor. The timing of the laser source and the video sensor can also increase the accuracy of measurement and stability of the measuring system be used against external interference. For this purpose, the laser source with a fixed divider of the image recording frequency switched on and off, the time intervals during which the image capture is done and while the distance measurement performed will not be the same length have to. Since this frequency is known, a temporal bandpass per pixel can be used be calculated only for These pixels respond to their brightness with the chosen frequency change the laser source. With reasonable choice of this frequency influences of a example in a production hall with mains frequency lighting, be excluded from moving shadows and the like, with what the pixels illuminated by the laser on the video sensor clearly are identifiable. By means of known image processing algorithms beyond that the incident coordinates of the laser beam reflected from the object with a pitch smaller than the pixel pitch determined subpixel accurately so that a resolution accuracy above the grid width given by the pixels of the video sensor is reachable. The impact coordinates are then entered in one through the focal point of a front of the video sensor arranged also belonging to the camera Lens converted, so that by the spatial known Course of the laser beam, the distance and by means of image acquisition the spatial Position of the point illuminated by the laser beam on the object is determinable. The case for distance measurement on the object Directed laser beam interferes the image capture then not when the image capture for the distance measurement and for the Image capture are timed in push-pull. That is in particular in industrial applications, where a three-dimensional position determination needed becomes, usually possible, because the cycle times of the production line or of individual machines and plants usually higher are, as the processing times of image processing. The shutdown the laser source during the image acquisition is for example by means of modern semiconductor laser, which a much higher Operating frequency than the image pickup frequency, readily possible.

Das erfindungsgemäße Meßsystem ermöglicht darüber hinaus, die Positionierung der Laserquelle relativ zu dem Videosensor bei der Auslegung des erfindungsgemäßen Meßsystems zu verändern, und erlaubt so eine Anpassung des Meßsystems an den erforderlichen Entfernungsbereich und die gewünschte Auflösungsgenauigkeit, wobei die Auflösungsgenauigkeit mittels geometrischer Rechenverfahren auf Basis der subpixelgenauen Bestimmung der Auftreffkoordinaten bestimm- und anpassbar ist.The Measuring system according to the invention allows about that In addition, the positioning of the laser source relative to the video sensor to change in the design of the measuring system according to the invention, and allows an adaptation of the measuring system to the required Distance range and the desired Resolution Accuracy, the resolution accuracy using geometric calculation methods based on the subpixel accurate Determination of the impact coordinates is determinable and adaptable.

Durch die gleichzeitige Verwendung des Videosensors für die zweidimensionale Bilderfassung und für die Entfernungsmessung werden weniger Komponenten für das erfindungsgemäße Meßsystem benötigt, als für ein das selbe Leistungsspektrum bietendes Meßsystem nach dem Stand der Technik. Darüber hinaus kann für die Entfernungsmessung in Verbindung mit der Taktung des Videosensors eine gewöhnliche CCD-Kamera verwendet werden, die als Massenware billig herstellbar ist. Das Ersetzen einer teuren Streifenkamera durch eine billige CCD-Kamera wird in der US 5,732,172 zur Bestimmung des Integrals der Strahlleistung eines pulsierenden Laserstrahls über einem vorgegebenen Zeitintervall vorgeschlagen.The simultaneous use of the video sensor for two-dimensional image acquisition and for the distance measurement requires fewer components for the measuring system according to the invention than for a measuring system of the prior art offering the same power spectrum. In addition, for the distance measurement in conjunction with the timing of the video sensor, a conventional CCD camera can be used, which is inexpensive to produce as a mass-produced. The replacement of an expensive streak camera by a cheap CCD camera is in the US 5,732,172 for determining the integral of the beam power of a pulsie proposed laser beam over a predetermined time interval.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass anstelle einer Taktung des Videosensors und der Laserquelle die Wellenlänge des Laserstrahls außerhalb des für das menschliche Auge sichtbaren und von dem Videosensor zur zweidimensionalen Bilderfassung berücksichtigten Bereichs liegt, wobei der Videosensor mit mindestens für diese Wellenlänge photosensitiven Bereichen, insbesondere Pixeln, mindestens entlang einer Kalibrierungskurve, insbesondere einer Geraden, versehen ist, welche die Auftreffkoordinaten des von verschieden weit entfernten Gegenständen auf den Videosensor reflektierten Laserstrahls verbindet.A advantageous embodiment of the invention provides that instead a timing of the video sensor and the laser source, the wavelength of the laser beam outside of for the human eye visible and from the video sensor to the two-dimensional Image capture Range is, with the video sensor with at least for this wavelength Photosensitive areas, in particular pixels, at least along a calibration curve, in particular a straight line, is provided, which the impact coordinates of the differently distant objects on the video sensor reflected laser beam connects.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass anstelle einer Taktung des Videosensors und der Laserdiode der Videosensor mindestens zwei aus der Richtung des reflektierten Laserstrahls hintereinander angeordnete, photosensitive Schichten aufweist, wobei die erste Schicht zur Bilderfassung oder Entfernungsmessung, und die zweite Schicht zur Entfernungsmessung oder Bilderfassung dient.A advantageous embodiment of the invention provides that instead a clocking of the video sensor and the laser diode of the video sensor at least two from the direction of the reflected laser beam having successively arranged, photosensitive layers, wherein the first layer for image acquisition or distance measurement, and the second layer is for distance measurement or image acquisition.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Laserstrahl in einer bestimmten Polarisationsebene reflektiert wird, wobei eine Filterung zwischen der ersten und der zweiten Schicht durch Polarisation erfolgt.A advantageous embodiment of the invention provides that the laser beam is reflected in a certain polarization plane, with a filtering between the first and second layers by polarization.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Laserstrahl eine Wellenlänge außerhalb des für das menschliche Auge sichtbaren Bereichs aufweist, wobei die verschiedenen Schichten des Videosensors für unterschiedliche Wellenlängen photosensitiv sind.A Another advantageous embodiment of the invention provides that the laser beam is one wavelength outside of for the human eye has visible area, the different layers of the video sensor for different wavelengths are photosensitive.

Auch besteht die Möglichkeit, dass anstelle eines Triangulationsverfahrens eine Laufzeitmessung zur Entfernungsmessung durchgeführt wird. Voraussetzung dafür sind Bildsensoren, welche eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit besitzen.Also it is possible, that instead of a triangulation method a transit time measurement for distance measurement becomes. Prerequisite for this are image sensors, which have a high processing speed have.

Eine zusätzliche, vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mehrere Laserquellen am Meßsystem angeordnet sind, wobei die Laserquellen phasenverschoben zueinander getaktet sind, so dass die mit dem Videosensor bestimmbaren Auftreffkoordinaten den Laserquellen einzeln zuordenbar sind, um so mehrere, beispielsweise bis zu 10, Entfernungsmessungen gleichzeitig durchführen zu können. Wird das Signal eines von einem Laserstrahl beleuchteten Pixel als Zeitsignal im Komplexen analysiert, kann die Phasenverschiebung der Laserbeleuchtung relativ zu einem willkürlich gewählten Bild berechnet werden. Eine genügend feine Teilung vorausgesetzt, können damit beliebig viele Laserstrahlen unabhängig voneinander den Gegenstand beleuchten, womit beliebig viele Raumpunkte auf diesem bestimmbar sind. Eine Unterscheidung zwischen den durch verschiedene Laser erzeugten Lichtpunkten auf der Oberfläche des Gegenstandes kann dabei auch durch andere, aus der Literatur bekannte und gut unterscheidbare Signalcodierungen erfolgen.A additional advantageous embodiment of the invention provides that several Laser sources on the measuring system are arranged, wherein the laser sources are out of phase with each other are clocked so that the detectable with the video sensor Auftreffkoordinaten the laser sources are individually assignable, so as several, for example up to 10, to perform distance measurements simultaneously. Becomes the signal of a pixel illuminated by a laser beam as a time signal analyzed in the complex, the phase shift of the laser illumination relative to an arbitrary one selected Image to be calculated. One enough fine division provided so that any number of laser beams independently of each other the object illuminate, whereby any number of spatial points can be determined on this are. A distinction between those by different lasers generated light spots on the surface of the object can thereby also by other, well-known from the literature and well distinguishable Signal codings take place.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass anstelle einer punktuellen Beleuchtung des Gegenstandes eine Streifenlichtprojektion zur Entfernungsmessung erfolgt, wobei auch mehrere Streifen auf den Gegenstand projizierbar sein können. Die zuvor beschriebene Verwendung eines Bandpasses kann auch für die Streifenlichtprojektion verwendet werden, wenn die normalerweise kontinuierlich leuchtende Laserquelle durch schnell und getrennt zu schaltende Laserquellen ersetzt wird. Hierfür eignen sich beispielsweise Hochleistungsleuchtdioden. Bei der gleichzeitigen Durchführung mehrerer Messungen mittels Streifenlichtprojektion erlaubt das erfindungsgemäße Meßsystem gegenüber dem Stand der Technik die Verringerung von Mehrdeutigkeiten im Verlauf der Streifen auf dem Gegenstand, da mittels des Bandpasses prinzipiell jeder Streifen unabhängig von den anderen detektiert wird, da jedem von einem Streifen beleuchteten Pixel eine eigene Phasenverschiebung und damit ein eindeutiger Streifen zugeordnet werden kann. Eine Unterscheidung zwischen den durch verschiedene Laser erzeugten Lichtstreifen auf der Oberfläche des Gegenstandes kann dabei genauso wie bei den Lichtpunkten erfolgen, auch durch aus der Literatur bekannte und gut unterscheidbare Signalcodierungen.A advantageous embodiment of the invention provides that instead a punctual illumination of the object a strip light projection for distance measurement, where also several stripes on the object can be projected. The previously described Use of a bandpass filter can also be used for strip light projection used when the normally continuously lit. Laser source through laser sources that can be switched quickly and separately is replaced. Therefor For example, high performance light emitting diodes are suitable. At the same time execution several measurements by means of striped light projection allows the measuring system according to the invention across from In the prior art, the reduction of ambiguities in the course the strip on the object, because by means of the bandpass in principle each strip independently is detected by the others, as each lit by a strip Pixel has its own phase shift and thus a clear band can be assigned. A distinction between by different Laser generated light streaks on the surface of the object can thereby just as with the points of light, also from the literature known and well distinguishable signal encodings.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Laserquelle eine Laserdiode ist.A Particularly advantageous embodiment of the invention provides that the laser source is a laser diode.

Kurzbeschreibung der Zeichnung, in der zeigen:Summary the drawing, in which show:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Meßsystems in der Seitenansicht und 1 a schematic representation of a measuring system according to the invention in side view and

2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Meßsystems in der Draufsicht. 2 a schematic representation of a measuring system according to the invention in plan view.

Wege zur Ausführung der Erfindung:Ways to execute the Invention:

Ein in 1 dargestelltes Meßsystem 1 zur dreidimensionalen Erfassung der Position und oder der räumlichen Ausdehnung mindestens eines Gegenstandes 2 in einem Raum oder einer Umgebung besteht im Wesentlichen aus einer einen Videosensor 3 und eine Linse 4 oder ein Objektiv aufweisenden Kamera 5 zur zweidimensionalen Bilderfassung, sowie einer einen Laserstrahl 6 emittierenden Laserquelle 7, insbesondere einer Laserdiode, zur Entfernungsmessung. Zur Entfernungsmessung wird dabei der von der Laserquelle 7 emittierte Laserstrahl 6 auf einen ausgezeichneten Punkt 8 auf dem Gegenstand unter einem in Abhängigkeit von dem Entfernungsbereich und dem Genauigkeitsbereich, für den das Meßsystem 1 ausgelegt ist, veränderbaren Winkel 9 gegenüber der von dem Videosensor 3 gebildeten Ebene ausgestrahlt. Der Laserstrahl 6 wird an dem ausgezeichneten Punkt 8 auf dem Gegenstand 3 reflektiert, wobei der reflektierte Laserstrahl 10 durch die Linse 4 oder das Objektiv der Kamera 5 auf den Videosensor 3 trifft. Der Videosensor 3 ist dabei gemeinsam mit der Laserquelle 7 so getaktet, dass er während die Laserquelle 7 ausgeschaltet ist, zur zweidimensionalen Bilderfassung verwendet wird, und während eingeschalteter Laserquelle 7 zur Bestimmung der Auftreffkoordinaten x_A, y_A des reflektierten Laserstrahls 10 auf dem Videosensor 3 selbst genutzt wird. Die Messbasis 11 des Meßsystems 1 wird dabei durch den Abstand des Brennpunkts 12 zu der Laserquelle 7 parallel zu der von dem Videosensor 3 gebildeten Ebene gebildet.An in 1 illustrated measuring system 1 for the three-dimensional detection of the position and or the spatial extent of at least one object 2 in a room or environment consists essentially of a video sensor 3 and a lens 4 or a camera having a lens 5 for two-dimensional image capture, as well as a laser beam 6 emitting laser source 7 , in particular a laser diode, for distance measurement. To measure the distance while that of the laser source 7 emitted laser beam 6 on an excellent point 8th on the article under a function of the distance range and the accuracy range for which the measuring system 1 is designed, adjustable angle 9 opposite to that of the video sensor 3 formed level broadcast. The laser beam 6 will be at the excellent point 8th on the object 3 reflected, wherein the reflected laser beam 10 through the lens 4 or the lens of the camera 5 on the video sensor 3 meets. The video sensor 3 is there together with the laser source 7 clocked so that it is during the laser source 7 is turned off, used for two-dimensional image capture, and while the laser source is turned on 7 for determining the impact coordinates x _A , y _{A of} the reflected laser beam 10 on the video sensor 3 itself is used. The measurement base 11 of the measuring system 1 is determined by the distance of the focal point 12 to the laser source 7 parallel to that of the video sensor 3 educated level formed.

In 2 ist zu erkennen, dass der Videosensor 3 an seiner Oberfläche eine Vielzahl von photosensitiven Pixeln 13 aufweist, die in einem rechtwinkligen Muster 14 angeordnet sind. Dieses Muster kann aber genauso hexagonale, dreieckige oder andere beliebige Strukturen aufweisen. Das Muster 14 wird genutzt, um ein Koordinatensystem 15 festzulegen, welches es erlaubt, anhand des von dem reflektierten Laserstrahls 10 auf dem Videosensor 3 beleuchteten Pixel 13 oder von mehreren, je nach Einfallsort unterschiedlich hell beleuchteten Pixeln 13 den Strahlengang des Laserstrahls 6, 10 zu berechnen, um so die Entfernung des Gegenstandes 2 oder des ausgezeichneten Punktes 8 auf dem Gegenstand 2 anhand einer triangulationsbasierten Rechenmethode zu bestimmen. Eine Justierung der Laserquelle 7 und der Kamera 5 auf einen bestimmten Entfernungs- und Auflösungsbereich lässt sich für jeden gewünschten Anwendungsfall durchführen. Sind die Laserquelle 7 und die Kamera 5, oder sofern mehrere Messungen gleichzeitig durchgeführt werden sollen, die Laserquellen 7 und Kameras 5 aufgebaut, kann der reale Verlauf des Laserstrahls 6, 10 wie folgt ermittelt werden. Es sind bereits Verfahren bekannt, um die Position bekannter Gegenstände 2 im Koordinatensystem 15 einer Kamera 5 zu bestimmen. Eine Möglichkeit besteht darin, eine ebene Platte mit einem im von der Kamera 5 erfassten Bild gut zu detektierenden Muster zu versehen und anhand der bekannten Geometrie die Lage der Platte im Koordinatensystem 15 der Kamera 5 zu bestimmen. Die Platte wird unbewegt im Sichtfeld der Kamera 5 belassen und die Auftreffkoordinaten x_A, y_A des von dem reflektierten Laserstrahl 10 beleuchteten Pixels 16 auf dem Videosensor 3 bestimmt. Durch das beleuchtete Pixel 16 und den Brennpunkt 12 der Linse 4 oder des Objektivs kann die Raumposition des von dem Laserstrahl 6 beleuchteten, ausgezeichneten Punktes 8 auf der Platte berechnet werden. Werden für die Laserquelle 7 oder bei der Verwendung von mehreren Laserquellen 7 für jede Laserquelle 7 mindestens zwei solche Punkte Bestimmt, kann in bekannter Weise eine Gerade 17 im Koordinatensystem 15 der Kamera 5 bestimmt werden, die den Verlauf des Laserstrahls 6, 10 für verschieden weit entfernte Gegenstände 2 beschreibt. Die zu der Geraden 17 gehörende Gleichung ist ausreichend, um die triangulationsbasierte Rechenmethode durchzuführen. Die Kalibrierung im Falle von Streifenprojektion erfolgt in analoger Weise zur bekannten Methode aus der Literatur.In 2 it can be seen that the video sensor 3 on its surface a plurality of photosensitive pixels 13 that is in a rectangular pattern 14 are arranged. However, this pattern can also have hexagonal, triangular or other arbitrary structures. The pattern 14 is used to create a coordinate system 15 determine which allows it, on the basis of the reflected laser beam 10 on the video sensor 3 illuminated pixels 13 or from several, depending on the place of incidence differently lit pixels 13 the beam path of the laser beam 6 . 10 to calculate the distance of the object 2 or the excellent point 8th on the object 2 using a triangulation-based calculation method to determine. An adjustment of the laser source 7 and the camera 5 to a certain range of distance and resolution can be performed for any desired application. Are the laser source 7 and the camera 5 , or if several measurements are to be performed simultaneously, the laser sources 7 and cameras 5 built, the real history of the laser beam 6 . 10 be determined as follows. Methods are already known for the position of known objects 2 in the coordinate system 15 a camera 5 to determine. One way is to make a flat plate with an in from the camera 5 captured image to be detected well-patterned and based on the known geometry, the position of the plate in the coordinate system 15 the camera 5 to determine. The plate is still moving in the field of view of the camera 5 and the incident coordinates x _A , y _A of the reflected laser beam 10 illuminated pixels 16 on the video sensor 3 certainly. Through the illuminated pixel 16 and the focal point 12 the lens 4 or the lens may be the spatial position of the laser beam 6 lit, excellent point 8th be calculated on the plate. Be for the laser source 7 or when using multiple laser sources 7 for every laser source 7 Determines at least two such points, in a known manner a straight line 17 in the coordinate system 15 the camera 5 It determines the course of the laser beam 6 . 10 for differently distant objects 2 describes. The to the line 17 The corresponding equation is sufficient to perform the triangulation-based calculation method. The calibration in the case of fringe projection is analogous to the known method from the literature.

Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Anlagen- und Automatisierungstechnik, sowie im Zusammenhang mit Fahrerassistenzsystemen für Fahrzeuge gewerblich anwendbar.The Invention is particularly in the field of plant and automation technology, and in connection with driver assistance systems for vehicles industrially applicable.

11: Meßsystemmeasuring system
22: Gegenstandobject
33: Videosensorvideo sensor
44: Linselens
55: Kameracamera
66: Laserstrahllaser beam
77: Laserquellelaser source
88th: ausgezeichneter Punktexcellent Point
99: Winkelangle
1010: reflektierter Laserstrahlreflected laser beam
1111: Messbasismeasuring base
1212: Brennpunktfocus
1313: Pixelpixel
1414: Mustertemplate
1515: Koordinatensystemcoordinate system
1616: beleuchtetes Pixelilluminated pixel
1717: Basisliniebaseline

Claims

Measuring system for the three-dimensional detection of the position and or the spatial extent of at least one object in a room or an environment, with a camera having a video sensor and a laser beam emitting laser source, characterized in that the laser source ( 7 ) is arranged so that the laser beam ( 6 . 10 ) within a predeterminable distance range of the object ( 2 ) on the video sensor ( 3 ), the video sensor ( 3 ) and the laser source ( 7 ) are clocked in a predetermined frequency and the video sensor ( 3 ) is used once for two-dimensional image acquisition and once for distance measurement during two consecutive cycles, wherein the laser source ( 7 ) during image acquisition is off and on during the distance measurement, and for distance measurement the incident coordinates (x _A , y _A ) of the reflected laser beam ( 10 ) on the video sensor ( 3 ) are measurable with this self.

Measuring system according to claim 1, characterized in that instead of a clocking of the video sensor ( 3 ) and the laser source ( 7 ) the wavelength of the laser beam ( 6 ) outside the visible to the human eye and by the video sensor ( 3 ) is taken into account for two-dimensional image acquisition, wherein the video sensor ( 3 ) with at least for this wavelength photosensitive areas ( 13 ) along at least one calibration curve ( 17 ), which determines the impact coordinates (x _A , y _A ) of the objects ( 2 ) on the video sensor ( 3 ) reflected laser beam ( 10 ) connects.

Measuring system according to claim 1, characterized in that instead of a clocking of the video sensor ( 3 ) and the laser source ( 7 ) the video sensor ( 3 ) at least two from the direction of the reflected laser beam ( 10 ) has successively arranged, photosensitive layers.

Measuring system according to claim 3, characterized in that the laser beam ( 6 . 10 ) is reflected in a certain polarization plane.

Measuring system according to claim 3, characterized in that the laser beam ( 6 . 10 ) has a wavelength outside the range visible to the human eye.

measuring system according to one of the preceding claims, characterized that instead of a triangulation method a transit time measurement for distance measurement becomes.

Measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of laser sources ( 7 ) on the measuring system ( 1 ), the laser sources ( 7 ) are clocked out of phase with each other, so that with the video sensor ( 3 ) determinable incidence coordinates (x _A , y _A ) the laser sources ( 7 ) are individually assignable.

Measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that instead of a punctual illumination ( 8th ) of the object ( 2 ) a stripe light projection takes place.

Measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the laser source ( 7 ) is a laser diode.