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Die Erfindung betrifft eine Sicherheitskamera und ein Verfahren zur Detektion von Objekten nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 beziehungsweise Anspruch 9.
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Bei kamerabasierter Überwachung, wie sie von Sicherheits- oder Machine-Vision-Kameras geleistet wird, müssen interessierende Objekte vor einem beliebigen Hintergrund diskriminiert werden. Dazu wird ein Kontrast am Objektrand relativ zum Hintergrund benötigt, um eine Objekterkennung zuverlässig automatisch durchführen zu können. Ungünstige Belichtungsverhältnisse können diese Erkennungsaufgabe erschweren und den praktischen Einsatz in sicherheitsrelevanten Anwendungen wegen nur unvollständiger Objekterkennung verhindern.
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Ungünstige Belichtungswellenlängen oder ungünstige spektrale Remissionsverläufe von Objekt und Hintergrund sind besonders störend in Grauwertbildern von Monochromkameras. Beispielsweise können blaue und rote Bereiche, je nach Lichtverhältnissen auch nahezu beliebige andere Farbkombinationen, für Monochromkameras identisch aussehen und so zu Detektionsausfällen führen. Eine Verwendung von Farbkameras, welche eine dreikanalige Auswertung erfordert, verbietet sich häufig oder wäre aufgrund der großen aufzunehmenden Datenmenge zumindest deutlich aufwändiger, auch weil die relevanten Informationen mit großem Rechenaufwand extrahiert werden müssen.
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Aus der
DE 10 2004 035 243 A1 ist eine Kameraanordnung bekannt, welche eine Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung eines Gefahrenbereichs und einen Bildsensor zur Erfassung von Licht aus dem Gefahrenbereich aufweist, wobei eine Testvorrichtung die Beleuchtung variieren kann, um die Funktionsfähigkeit des Bildsensors zu überprüfen. Die verwendete Kamera ist hier notwendig eine Farbkamera, denn der Test besteht gerade darin, dass der Sensor eine Farbänderung der Beleuchtung richtig erkennt. Außerdem soll die Variation der Farbe jeweils in einem kaum wahrnehmbaren Umfang stattfinden. Eine solche geringfügige Änderung der spektralen Zusammensetzung der Beleuchtung vermag an den eingangs beschriebenen Detektionsproblemen nichts zu ändern.
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Die
EP 1 269 762 B1 zeigt eine kamerabasierte Überwachungsvorrichtung, welche zum Test der Funktionsfähigkeit des Aufnahmechips das Bild der aufgenommenen Szenerie unter anderem dadurch dynamisiert, dass die Helligkeit durch zusätzliche Beleuchtung variiert wird. Schon weil dies nur dem Test der Funktionsfähigkeit dient, erhöht sich dadurch nicht die Zuverlässigkeit der Erkennung von Objektkanten. Zudem ist die Art der Beleuchtung auch in keiner Weise zu einer Verbesserung dieser Erkennung ausgebildet.
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In der
DE 199 19 584 A1 ist eine Anordnung zur 3D-Aufnahme offenbart, welche eine Szene mit zwei Beleuchtungsobjektiven überlappend mit einem Kontrastmuster unterschiedlicher Farben beleuchtet und diese Szene aus verschiedenen Perspektiven mittels mehrerer Abbildungsobjektive aufnimmt. Die einzelnen Sensoren arbeiten in einem an ein Lichtschnittverfahren oder ein Streifenprojektionsverfahren angelehntes Verfahren zur Ermittlung von Entfernungen aus Verzerrungen des Kontrastmusters. Es entsteht also eine Vielzahl von 3D-Sensoren, keine Zusammenwirkung als stereoskopisches System. Die unterschiedlichen Farben des Kontrastmusters dienen dazu, die einzelnen Sensoren zu separieren, so dass sie sich durch ihre jeweils eingestrahlten Kontrastmuster nicht stören. Das erfordert zwingend schmalbandige Filter vor jedem Abbildungsobjektiv, um das jeweils zugehörige Kontrastmuster der eigenen Farbe zu selektieren. Diese Zuordnung der Farbe zu einem Abbildungsobjektiv ist demnach fest, so dass jedes einzelne Abbildungsobjektiv kontrastarme Objekt-Hintergrundübergänge bei der jeweils für den einzelnen 3D-Sensor festen Beleuchtung ebenso schlecht erkennt, als würde die Szene mit einer einzigen Farbe beleuchtet.
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Die
DE 101 43 504 A1 offenbart eine CCD-Kamera zur Sicherung eines Überwachungsbereichs vor unbefugtem Eingriff. In den Überwachungsbereich werden mehrere verschiedene Hell-Dunkel-Muster projiziert, die vorzugsweise komplementär zueinander strukturiert sind.
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Eine weitere Vorrichtung zum Überwachen eines Raumbereichs gemäß
DE 10 2005 056 265 A1 verwendet zwei Bildsensoren, um mit einer Laufzeitmessung bestimmte Abstände in einem Bild des einen Bildsensors durch ein Bild des anderen Bildsensors zu überprüfen. In einer Ausführungsform sind zwei Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge vorgesehen, während den Bildsensoren jeweils an die Wellenlänge nur einer der Lichtquellen angepasste optische Filter vorgeordnet werden.
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Die
WO 2007/083 741 A1 zeigt eine Infrarotkamera mit einer Laserlichtquelle und einer Einrichtung zum Selektieren einer Wellenlänge. Dadurch kann die Beleuchtung in einem Modus das Absorptionsspektrum von Feuchtigkeit in der Atmosphäre ausschließen und in einem anderen Modus auf das Absorptionsspektrum von Wasser und Eis beschränkt werden.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein einfaches System zur Überwachung auf Basis aufgenommener Bilddaten anzugeben, welches eine verbesserte Objektdetektion zeigt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Sicherheitskamera nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Detektion von Objekten nach Anspruch 9 gelöst.
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Dabei geht die erfindungsgemäße Lösung von dem Grundprinzip aus, dass kontrastschwache Übergänge zwischen Objekt und Hintergrund in verschiedenen Spektralbereichen unterschiedlich stark ausgeprägt sind, und das Remissionsspektrum des Überwachungsbereichs und der darin enthaltenen Objekte kann dementsprechend in unterschiedlichen Spektren ausgewertet werden.
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Damit verbindet sich der Vorteil, dass kein großer technischer Aufwand zur Separation von Farbkanälen getrieben werden muss, sondern die spektrale Information auf einfache Weise zugänglich wird. Dies ist deshalb insbesondere auch basierend auf einer billigen Monochromkamera möglich. Es werden zusätzliche spektrale Merkmalsräume erschlossen, damit schlechte Kontraste in einem Spektralbereich durch einen anderen Spektralbereich ausgeglichen werden können, was sich in einer verbesserten Objektdetektion niederschlägt.
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In der ersten Alternative der erfindungsgemäßen Lösung wird der Merkmalsraum dadurch erweitert, dass in jeden Auswertungszyklus Informationen aus unterschiedlicher spektraler Beleuchtung eingehen und sich damit durch bessere Kontraste die Erkennungsgenauigkeit der Auswertung erhöht. In der zweiten Alternative wird bewertet, wie gut unter den aktuellen spektralen Beleuchtungsbedingungen eine Objektdetektion möglich ist, und gegebenenfalls das Spektrum gewechselt, um ausreichende Zuverlässigkeit sicherzustellen.
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Die Steuerung ist bevorzugt dafür ausgebildet, das Auslösen der Veränderung und/oder das Zeitintervall der Belichtung des Lichtempfängers so zu steuern, dass während der Aufnahme von Bilddaten eines ersten Bildes oder zwischen zwei Aufnahmen von Bilddaten eines ersten und eines zweiten Bildes die Beleuchtungsbedingungen wechseln. In der ersten Alternative fließen verschiedene spektrale Informationen über das Remissionsverhalten im Überwachungsraum in ein einziges Bild ein, so dass die Auswertung in keiner Weise aufwändiger wird, jedoch aufgrund der in den verschiedenen Spektren unterschiedlichen Kontraste Objekte besser erkennen kann. In der zweiten Alternative werden die unter verschiedenen Spektren aufgenommenen Bilder klar voneinander separiert und führen zu verschiedenen Bilddaten, welche gewöhnlich einzeln ausgewertet werden. Ist in den einen Bilddaten der Kontrastunterschied zu schwach, um ein Objekt zu erkennen, so kann dies durch die anderen Bilddaten in einem anderen Spektrum ausgeglichen werden. Es sind auch Mischformen denkbar, bei denen mehrere Bilder aufgenommen werden, während das Spektrum sowohl zwischen zwei Bildern als auch während der Belichtungszeit für ein einzelnes Bild wechselt.
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Weiterhin ist die Steuerung bevorzugt dafür ausgebildet, Bilddaten eines Gesamtbildes aus Teilbereichen des ersten Bildes und des zweiten Bildes zusammenzusetzen, so dass die Bilddaten einen höheren Kontrast aufweisen als jedes Einzelbild. Verschiedene Teilbereiche und besonders Objektkanten, die in einem Spektrum kontrastschwach sind, können in dem anderen Spektrum gut erkennbar sein. Indem jeweils der kontraststärkere Teilbereich ausgewählt und aus diesen Teilbereichen ein Gesamtbild zusammengesetzt wird, kann mit nur einer Auswertung des Gesamtbildes die Erkennungsgenauigkeit erheblich gesteigert werden.
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Alternativ ist die Steuerung dafür ausgebildet, die Anwesenheit eines Objekts anzunehmen, wenn die getrennte Auswertung der Bilddaten eines ersten und eines zweiten Bildes die Anwesenheit eines Objekts ergibt. Statt also ein Gesamtbild zusammenzusetzen und dies anschließend nur einmal auszuwerten, werden die unterschiedlichen Spektren durch jeweils eine eigene Auswertung ausgenutzt. Im Ergebnis wird auch so die Erkennungsgenauigkeit erheblich gesteigert, weil Objektkanten, die unter einem Spektrum des einen Bildes schlecht erkennbar sind, durch Detektion in dem anderen Bild kompensiert werden können.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sind mindestens zwei Lichtquellen zur Beleuchtung des Überwachungsbereichs mit unterschiedlicher spektraler Abstrahlung vorgesehen, insbesondere Halbleiterlichtquellen, LEDs oder Laser, welche jeweils Licht im sichtbaren oder infraroten Bereich erzeugen können, wobei die Steuerung eine Veränderung der Beleuchtungsbedingungen durch Aktivieren, Deaktivieren oder Veränderung der Leistungsaufnahme der Lichtquellen auslösen kann. Die unterschiedlichen spektralen Bedingungen werden also aktiv dem Überwachungsbereich aufgeprägt, wobei die Steuerung durch verschiedene Zeitmuster, in denen der Überwachungsbereich nicht, von jeweils einer oder überlappend von beiden Lichtquellen beleuchtet wird, zahlreiche Möglichkeiten hat, diese spektralen Bedingungen zu variieren. Ein weiterer Freiheitsgrad, um die spektralen Bedingungen zu variieren, liegt in der Wahl des Belichtungsfensters, welches von der Steuerung vollständig innerhalb eines Zeitfensters mit konstanten aktiven Beleuchtungsbedingungen, aber auch zwei oder mehrere unterschiedliche aktive Beleuchtungsbedingungen umfassend gelegt werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich zu den zwei Lichtquellen mit festgelegter spektraler Abstrahlung kann auch vorteilhafterweise eine breitbandige Lichtquelle mit einem Beleuchtungsfilter zur Beleuchtung des Überwachungsbereichs vorgesehen sein, wobei die Steuerung eine Veränderung der Beleuchtungsbedingungen durch Veränderungen der Filtereigenschaften des Beleuchtungsfilters auslösen kann. Mit einer solchen Lichtquelle und geeigneter Wahl der Filtereigenschaften können dem Überwachungsbereich aktiv nahezu beliebige Spektralbereiche aufgeprägt werden.
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Die Lichtquelle erzeugt jeweils bevorzugt homogenes Licht oder Licht in einem Kontrastmuster, insbesondere mittels eines vor der Lichtquelle angeordneten diffraktiven optischen Elements oder einer Maske. Durch die erfindungsgemäße Variation der spektralen Beleuchtungsbedingungen ist der Kontrast ohnehin schon erhöht, so dass eine homogene Beleuchtung, die technisch unaufwändiger ist, ausreichen kann. Zur weiteren Erhöhung des Kontrastes kann aber auch ein Kontrastmuster gewählt werden, also ein regelmäßiges oder unregelmäßiges Punktmuster, ein Linienmuster und weitere, sogar ein selbstunähnliches Muster, welches also eindeutige Bezüge zwischen Muster und zugehörigem Ort zulässt.
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Dem Lichtempfänger ist bevorzugt ein Sensorfilter vorgeordnet, wobei die Steuerung eine Veränderung der Beleuchtungsbedingungen durch Veränderung der Filtereigenschaften des Sensorfilters auslösen kann. Der Wechsel der Beleuchtungsbedingungen kann dann etwa auch darin liegen, dass das Umgebungslicht in einer Phase durchgelassen und in einer anderen Phase durch schmalbandige Filter ausgeblendet wird. Dabei muss nicht einmal notwendig der Überwachungsbereich aktiv beleuchtet werden, sondern es kann allein das natürliche oder ohnehin vorhandene künstliche Umgebungslicht ausgenutzt werden. Noch stärkere spektrale Unterschiede lassen sich dadurch erzeugen, dass in der Phase des schmalbandigen Filterns die Filtereigenschaften auf die Frequenz der aktiven Beleuchtung abgestimmt sind.
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Das Beleuchtungs- und/oder Sensorfilter ist bevorzugt ein Filterrad oder ein abstimmbares Filter, insbesondere ein schmalbandiges LCD-Filter, wobei die Steuerung insbesondere dafür ausgebildet ist, die Filtereigenschaften und/oder die Beleuchtungsbedingungen zu verändern, so dass die Bilddaten einen optimalen oder einen Mindestkontrast aufweisen. Ein Filterrad ist verhältnismäßig kostengünstig verfügbar. Über den Drehwinkel und die Sendefrequenz lassen sich die Filtereigenschaften von der Steuerung ändern. Ein abstimmbares Filter, das also durch elektronische Ansteuerung seine Filtereigenschaften ändern kann, ist wesentlich schneller, robuster und kommt ohne nachteilige mechanisch bewegte Teile aus, die eine höhere Wartungsanfälligkeit haben. Die Steuerung kann die Filtereigenschaften in einem Teach-In oder dynamisch an die aktuellen Gegebenheiten anpassen, um einen Kontrast der Bilddaten zu erzeugen, welcher für eine sichere Objektdetektion ausreicht, und dadurch die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit erhöhen.
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In einer bevorzugten, insbesondere sicherheitstechnischen Anwendung ist eine Warn- oder Absicherungseinrichtung vorgesehen, welche dafür ausgebildet ist, bei Erkennung eines unzulässigen Objekteingriffs in dem Überwachungsbereich durch die Steuerung eine Warnung auszugeben oder eine Gefahrenquelle abzusichern. Nicht jegliche Objektdetektion, sondern nur unzulässige Objekte, die also nicht zuvor als zugelassen eingelernt oder aufgrund ihrer Eigenschaften als unkritisch erkannt werden, führen daher zu einer Warnung oder einer sicherheitsgerichteten Abschaltung. Das wichtigste Beispiel derartiger unzulässiger Objekte sind Körperteile von Bedienpersonal.
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Der Sensor ist bevorzugt eine zweidimensionale oder eine dreidimensionale Sicherheitskamera, die insbesondere nach dem Prinzip der Stereoskopie, der Lichtlaufzeit oder der aktiven Triangulation arbeitet. Dies sind typische in der Sicherheitstechnik angewandte Sensoren, welche besonders von der erhöhten Zuverlässigkeit durch Anpassung und Ausnutzung spektraler Eigenschaften profitieren.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf ähnliche Weise weitergebildet werden und zeigt dabei ähnliche Vorteile. Derartige vorteilhafte Merkmale sind beispielhaft, aber nicht abschließend in den sich an die unabhängigen Ansprüche anschließenden Unteransprüchen beschrieben.
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Erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafterweise der Wechsel der Beleuchtungsbedingungen so schnell, dass das Auge eines Betrachters aufgrund seiner Trägheit keinen Wechsel bemerkt, so bleibt die Szene trotz Ausnutzung verschiedener optischer Spektren ruhig, ohne Bedienpersonal zu irritieren oder gar Beeinträchtigungen bis hin zu epileptischen Anfällen auszulösen.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:
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1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors und seines Überwachungsbereichs in der Draufsicht;
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2a ein stark vereinfachtes beispielhaftes Grauwertbild des Überwachungsbereichs mit einem roten Objekt auf blauem Hintergrund unter breitbandiger Beleuchtung zur Illustration des Problems schlechter Kontraste;
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2b ein Bild gemäß 2a in einem blauen Beleuchtungsspektrum mit klar erkennbarem Objekt;
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2c ein Bild gemäß 2a alternativ in einem roten Beleuchtungsspektrum mit ebenfalls klar erkennbarem Objekt;
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3 eine Darstellung der zeitlichen Abfolge von verschiedenen Beleuchtungen und Belichtungsfenstern zur Erläuterung der Erzeugung von Bilddaten unter unterschiedlichen spektralen Beleuchtungsbedingungen;
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4 eine Darstellung gemäß 3 mit zu Beleuchtungspulsen mehrerer Lichtquellen zeitversetztem Belichtungsfenster;
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5 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors und seines Überwachungsbereichs als 3D-Kamera;
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6 eine schematische Darstellung einer Kamera mit einem als Filterrad ausgebildeten variablen optischen Filter; und
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7 eine Darstellung des zeitlichen Ablaufs der Filtereigenschaften eines variablen Filters gemäß 6 und eines Belichtungsfensters.
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1 zeigt in schematischer Draufsicht einen Sensor 10 zur Überwachung eines Überwachungs- oder Raumbereichs 12 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. In einem Gehäuse 14 mit einer Frontscheibe 16 ist ein Bildsensor 18 angeordnet, der durch ein Objektiv 20 und die Frontscheibe 16 Bilddaten des Raumbereichs 12 erzeugen kann. Dieser Bildsensor 18 besteht beispielsweise aus einer Vielzahl von Photodioden oder ist ein zeilen- oder matrixförmiger Aufnahmechip, der ein zeilenförmiges oder rechteckiges Pixelbild aufnimmt und etwa ein CCD- oder ein CMOS-Sensor ist.
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Eine Steuerung 22 des Sensors 10 ist mit dem Bildsensor 18 verbunden und empfängt dessen Bilddaten aus dem Raumbereich 12. Weiterhin ist an die Steuerung 22 eine Warn- oder Abschalt- beziehungsweise Absicherungseinrichtung 24 angeschlossen. Die Abschalteinrichtung 24 weist einen Abschaltausgang (OSSD, Output Switching Signal Device) auf. Steuerung 22 sowie Warn- oder Abschalteinrichtung 24 können, wie in 1 dargestellt, Teile einer externen Steuerung oder eines externen Rechnersystems sein, sie können aber auch in den Sensor 10 innerhalb des Gehäuses 14 integriert werden.
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Erkennt die Steuerung 22 durch Auswertung der Bilddaten des Raumbereichs 12 einen unzulässigen Objekteingriff, etwa durch ein Objekt 26, so wird über die Warn- oder Abschalteinrichtung 24 eine Warnung ausgegeben oder eine Gefahrenquelle abgesichert. Dazu werden häufig in dem Raumbereich 12 Schutzfelder angelegt, in die kein Eingriff erfolgen darf, beispielsweise um gefährliche Maschinenteile herum. Um Ausfallzeiten durch unnötige Fehlalarme so gering wie möglich zu halten, wird häufig um das eigentliche Schutzfeld herum ein Warnbereich angelegt, wo ein unzulässiger Objekteingriff zunächst nur eine Warnung auslöst und erst bei fortgesetztem Eingriff auch in das Schutzfeld die Gefahrenquelle abgesichert wird, also beispielsweise die Maschine des gefährlichen Maschinenteils abgeschaltet oder in eine sichere Position gebracht wird. Es ist auch denkbar, vorab in dem Raumbereich 12 vorhandene Objekte 26 sowie bestimmte erlaubte Bewegungsmuster festgelegter Objekte 26 einzulernen und diese im Betrieb von unzulässigen Objekteingriffen zu unterscheiden, also bei deren Eingriff nicht zu reagieren.
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Für Anwendungen in der Sicherheitstechnik ist der Sensor 10 fehlersicher ausgelegt. Dies bedeutet unter anderem, dass der Sensor 10 sich selber in Zyklen unterhalb der geforderten Ansprechzeit testen kann und dass der Ausgang zur sowie die Warn- oder Abschalteinrichtung 24 und dessen OSSD sicher, beispielsweise zweikanalig ausgelegt sind. Ebenso ist auch die Steuerung 22 selbstsicher, wertet also zweikanalig aus oder verwendet Algorithmen, die sich selbst prüfen können.
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Entsprechende Sicherheitsanforderungen sind in der Norm EN 954-1 bzw. ISO 13849 (performance level) festgelegt. Die damit mögliche Sicherheitsstufe und die weiteren Sicherheitsanforderungen an eine Anwendung sind in der Norm EN 61508 bzw. EN 62061 definiert. Eine entsprechende Norm für Sicherheitskameras ist in Vorbereitung.
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In dem Gehäuse 14 ist weiterhin eine Beleuchtung 28 vorgesehen, die in einer alternativen Ausführungsform auch außerhalb des Gehäuses 14 angeordnet sein kann. Die Beleuchtung 28 weist zwei Lichtquellen 30, 32 auf, und die Steuerung 22 ist mit der Beleuchtung 28 derart verbunden, dass sie die Beleuchtung 28 und jede der Lichtquellen 30, 32 je nach Bedarf ein- und ausschaltet oder deren Leistung regelt. Die Beleuchtung 28 beleuchtet im Betrieb den zu überwachenden Teil des Raumbereichs 12. Das Licht kann homogen sein, oder es wird ein Kontrastmuster erzeugt, das einen höheren Kontrast im Raumbereich 12 und damit auch in den aufgenommenen Bilddaten sichert. Als Muster kommen ein Punktmuster, ein Linienmuster, ein Gitternetz oder andere regelmäßige Muster in Betracht, aber auch unregelmäßige und sogar selbstunähnliche Muster, die unter einfachen geometrischen Operationen wie Verschiebungen, Drehungen und Spiegelungen in keinem Teilbereich ineinander überführt werden können. Solche selbstunähnlichen Muster ermöglichen eine eindeutige Zuordnung von Charakteristika des Musterbereichs zu relativer Lage innerhalb des Musters. Das Kontrastmuster kann durch eine Maske oder durch ein diffraktives optisches Element erzeugt werden, welches Mikrostrukturen aufweist, die Licht vorgegebener Weise ablenken, um das gewünschte Kontrastmuster zu erhalten.
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Als Lichtquellen 30, 32 dienen Halbleiterelemente, wie Laser oder Leuchtdioden, insbesondere auch Hochleistungs-LEDs. Die beiden Lichtquellen 30, 32 haben jeweils ein voneinander unterschiedliches schmalbandiges Emissionsspektrum. Dabei können Spektralbänder im sichtbaren oder infraroten Bereich vorgesehen sein, wobei jedoch die Kombination zweier unterschiedlicher Bänder jeweils im infraroten Bereich weniger sinnvoll ist, weil die frequenzabhängigen Kontrastunterschiede in verschiedenen Frequenzen des sichtbaren Lichts deutlich höher sind als in verschiedenen Frequenzen des infraroten Lichts.
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Durch geeignete Ansteuerung der beiden Lichtquellen 30, 32 von der Steuerung 22 kann die Beleuchtung im Raumbereich 12 auf ein einzelnes Spektralband einer Lichtquelle 30, 32 oder ein überlappendes Spektralband beider Lichtquellen 30, 32 festgelegt werden. Zusätzlich kann die Steuerung 22 ein Belichtungsfenster für den Bildsensor 18 und damit das effektiv für die Aufnahme der Bilddaten genutzte Beleuchtungsspektrum festlegen. Selbstverständlich ist denkbar, mehr als zwei Lichtquellen für weitere Beleuchtungsspektralbänder vorzusehen.
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Mit dem Sensor 10 realisierbare Beleuchtungsszenarien zur Gewinnung von Bilddaten mit verbessertem Kontrast werden nun unter Bezugnahme auf die 2 bis 4 beschrieben.
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In 2a ist eine zur Veranschaulichung sehr einfache Konstellation eines roten Objekts 26 vor einem blauen Hintergrund des Raumbereichs 12 als Grauwertbild unter breitbandiger Beleuchtung dargestellt. Aufgrund schwachen Kontrasts ist das Objekt 26 schlecht oder gar nicht aufzulösen. 2b und 2c zeigen dieselbe Konstellation in einem blauen beziehungsweise einem roten Beleuchtungsspektrum. Das Objekt 26 hebt sich mit starker Kontrast von dem Hintergrund ab und ist durch die Steuerung 22 leicht zu erkennen. Der erläuterte Effekt ist besonders groß bei Verwendung einer Monochromkamera, aber auch bei einer Farbkamera wird durch die erfindungsgemäße multispektrale Beleuchtung die Auswertung beträchtlich erleichtert.
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In einer Ausführungsform der Erfindung bewertet die Steuerung 22 das aufgenommene Bild auf hinreichenden Kontrast und wechselt das Beleuchtungsspektrum immer dann, wenn die Bilddaten für eine zuverlässige Objektdetektion nicht kontraststark genug sind. Ein Beispiel für ein solches zu kontrastschwaches Bild könnte so aussehen wie das in 2a dargestellte. In einer anderen Ausführungsform liegen jeder Auswertung auf einen unzulässigen Objekteingriff, also jedem Auswertungszyklus innerhalb der geforderten Ansprechzeit des Sensors 10, mehrere Bilder zu Grunde, die unter unterschiedlichen Beleuchtungsspektren aufgenommen sind, oder ein Bild, in dessen Bilddaten unterschiedliche Beleuchtungsspektren eingeflossen sind. Gerade im letzteren Fall sollte die Beleuchtung angepasst sein, etwa indem je nach Rotanteil im Raumbereich 12 größere oder kleinere Rotanteile der Beleuchtung innerhalb der Aufnahmezeit eingestellt werden.
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3 zeigt im oberen Teil drei zueinander zeitversetzte beispielhafte Beleuchtungspulse, etwa einen roten Beleuchtungspuls 34, einen blauen Beleuchtungspuls 36 und einem grünen Beleuchtungspuls 38. Dies ist ein mögliches Beleuchtungsschema, mit dem die Steuerung 22 drei verschiedene schmalbandige Lichtquellen ansteuert. Andere, insbesondere nicht pulsförmige Beleuchtungen sind denkbar. Im unteren Teil der 3 sind drei Belichtungsfenster 40 dargestellt, in denen der Bildsensor 18 Bilddaten aufnimmt, so dass drei Bilder unter jeweils roter, blauer und grüner Beleuchtung entstehen. Belichtungsphasen des Sensors 10 sind also synchron zu den Beleuchtungspulsen 34, 36, 38 mit der jeweils gewünschten spektralen Charakteristik.
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Gemäß 4 kann das Belichtungsfenster 40 auch so gelegt werden, dass während der Belichtungszeit unterschiedliche Beleuchtungen vorliegen, die Beleuchtungspulse 34, 36 sind dann also nicht synchron zu dem Belichtungsfenster 40. Im dargestellten Beispiel wird jeweils zur Hälfte während der Beleuchtung mit dem roten Beleuchtungspuls 34 und dem blauen Beleuchtungspuls 36 belichtet.
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Der Wechsel zwischen den unterschiedlichen Beleuchtungsfarben, die abweichend von den Darstellungen in 3 und 4 auch im infraroten Bereich liegen können, wird jeweils so schnell vollzogen, dass die Trägheit des menschlichen Auges den Wechsel nicht bemerkt und Bedienpersonal sich deshalb nicht von dem Sensor 10 gestört fühlt.
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Es ist einerseits denkbar, dass die Steuerung 22 den Kontrast im Bild oder in Bildregionen sowie das Detektionsergebnis bewertet und abhängig davon einen Anstoß für einen Spektralwechsel der Beleuchtung 28 gibt. Alternativ können in einem regelmäßigen Turnus alle oder einige der verfügbaren Beleuchtungsspektren durchprobiert werden.
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Werden mehrere Bilder aufgenommen, so ist denkbar, kontrastreiche Teilbereiche der jeweiligen Bilder zu selektieren und zu einem Gesamtbild zusammenzusetzen, welches aufgrund des durch die multispektrale Beleuchtung erhöhten Kontrasts eine deutlich genauere Auswertung ermöglicht. Denkbar ist auch, zusätzlich oder alternativ jedes einzelne Bild auf Objekte 26 hin auszuwerten und einen unzulässigen Objekteingriff dann als erkannt zu werten, wenn dies das Ergebnis der Auswertung eines der Bilder ist.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, in der gleiche Bezugszeichen die gleichen Merkmale bezeichnen. Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 1 ist hier eine 3D-Kamera vorgesehen, welche mittels zweier Bildsensoren 18a, 18b jeweils mit einer Abbildungsoptik 20a, 20b den Raumbereich 12 aus zwei unterschiedlichen Perspektiven aufnimmt und daraus mittels stereoskopischer Algorithmen Entfernungen schätzt und somit dreidimensionale Bilddaten erzeugt. Die übrigen beschriebenen Merkmale und Varianten lassen sich auf diese Ausführungsform übertragen. Besonders bei 3D-Algorithmen ist ein hinreichender Kontrast erforderlich, um zuverlässig Entfernungen abschätzen zu können, so dass die erfindungsgemäß verwirklichten Vorteile besonders gut zum Tragen kommen.
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Auch in weiteren, nicht dargestellten Sensoren kann die Erfindung eingesetzt werden, etwa in Lichtlaufzeitkameras, Sicherheitskameras, welche Entfernungen mittels aktiver Triangulation ermitteln, und sonstigen Sensoren, die einen ortsauflösenden Lichtempfänger aufweisen und wo eine Kontrasterhöhung durch multispektrale Beleuchtung und den somit erweiterten Merkmalsraum von Vorteil ist.
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6 zeigt eine zusätzliche oder alternative Möglichkeit, die spektrale Zusammensetzung des auf den Bildsensor 18 auftreffenden Lichts zu verändern. Dem hier als Sicherheitskamera 10 dargestellten Sensor wird ein Filterrad 42 vorgeordnet. Das Filterrad 42 hat einen breitbandigen Anteil 42a, im einfachsten Fall eine plane Glasplatte, und einen schmalbandigen Anteil 42b. Je nach Drehposition erreicht also jegliches Licht oder nur entsprechendes schmalbandiges Licht einer dem Filterband des Bereichs des schmalbandigen Anteils 42b entsprechenden spektralen Zusammensetzung den Bildsensor 18.
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In 7 ist ein möglicher Verlauf 44 der Intensität des Umgebungslichts gezeigt, welches in der ersten Hälfte des dargestellten Intervalls durch den breitbandigen Anteil 42a transmittiert wird und in der zweiten Hälfte durch den schmalbandigen Anteil 42b weitgehend unterdrückt wird. Dafür dreht sich das Filterrad 42 mit konstanter Geschwindigkeit und erlaubt so die Einstellung einer Filtergewichtung über den Zeitpunkt der Belichtung. Die Drehrate ist so gewählt, dass eine Halbdrehung des Filterrades 42 gerade innerhalb der maximalen Belichtungszeit des Bildsensors 18 stattfindet. Das Filterrad kann weitere Teilbereiche aufweisen, um gegenüber verschiedenen Frequenzen schmalbandig zu filtern und damit weitere spektral unterschiedliche Beleuchtungsschemata zu realisieren.
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Das Belichtungsintervall kann gegenüber den somit variierenden Beleuchtungssituationen verschoben werden, um Störeffekte des Umgebungslichts wie eine Überbelichtung auszugleichen. In Kombination mit verschiedenen schmalbandigen Anteilen 42b kann damit eine gewünschte spektrale Zusammensetzung ausgewählt werden. In zusätzlicher Kombination mit der aktiven Beleuchtung 28 vergrößert sich die Auswahl an verfügbaren Beleuchtungsspektren und -intensitäten weiter.
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Als Alternative zu einem mechanischen Filterrad, wie es in 6 dargestellt ist, kann auch als ein wesentlich schnelleres, robusteres und flexibleres Element ein elektronisch abstimmbares Filter auf LCD-Basis eingesetzt werden. In der Telekommunikation und der Projektionstechnik, weniger in der Sensorik wird derzeit in vielen Forschungsaktivitäten das Ziel verfolgt, schnellere, kostengünstigere, elektronisch abstimmbare optische Filter auf Basis weiterer Technologien zu entwickeln. Alle diese Filter kommen für den Einsatz anstelle des Filterrads 42 in Betracht.
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Ein in seinem Filterverhalten variables Filter, wie es soeben als Filter vor dem Bildsensor 18 beschrieben wurde, kann auch vor eine breitbandige Lichtquelle gesetzt werden, damit diese in die Lage versetzt wird, schmalbandige Beleuchtungen in jeweils gewünschten Zeiten zu erzeugen. Eine solche Lichtquelle kann dann alternativ oder zusätzlich zu schmalbandigen Halbleiterlichtquellen eingesetzt werden.
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Der Vorteil beim Einsatz von Filtern vor einer Lichtquelle und/oder vor dem Bildsensor 18 ist eine weitgehende Flexibilität in Bezug auf die zu verwendende Wellenlänge. Die Steuerung 22 oder eine Konfiguration kann also auf denjenigen Wellenlängenbereich optimiert werden, in dem der Raumbereich 12 mit den Objekten 26 den größten Kontrast bietet. Vorstellbar ist auch, mehrere Wellenlängenbereiche zu finden, in denen jeweils Teilbereiche einen optimalen Kontrast bilden, und das für die Auswertung verwendete Bild wird aus mehreren Bildern mit solchen Teilbereichen zusammengesetzt. Die Freiheitsgrade des Filters können auch ausgenutzt werden, um sich zusätzlich abstimmbar gegen das Umgebungslicht abzugrenzen.
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Dieses Umgebungslicht ist nämlich in seiner Intensität, seiner räumlichen Verteilung und in seinem Spektrum für den Sensor 10 unvorhersehbar, so dass sich neben dem Erreichen eines guten Kontrasts Schwierigkeiten durch das Umgebungslicht ergeben können. Zwar kann Umgebungslicht genutzt werden, um auch ohne aktive Beleuchtung 26 optische Informationen über den Raumbereich 12 zu gewinnen, es besteht aber immer die Gefahr von Unterbelichtung oder Übersteuerung und somit unzureichender oder sogar gänzlich unbrauchbarer Bilddaten.
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Das vorgestellte variable Filter 42 kann nun genutzt werden, um sich eine optimale Beleuchtung als Kombination aus aktiver Beleuchtung und/oder Umgebungslicht zusammenzustellen. Dazu werden Filtereigenschaften und die Lage des Belichtungsfensters entsprechend gewählt, und die herkömmliche Festlegung auf entweder nur aktive Beleuchtung mit schmalbandigem Filter oder nur Umgebungslicht ohne Filter entfällt. Erfindungsgemäß kann über die zeitliche Lage des Belichtungsfensters 40 und die Gewichtung zwischen Umgebungslicht und aktiver Beleuchtung variabel auf verschiedene Umgebungslichtbedingungen reagiert werden. So kann wie in 7 jeweils die halbe Belichtungszeit auf das Intervall mit breitbandigem und das Intervall mit schmalbandigem Filter gelegt werden. Variation der Änderungen der Filtereigenschaften und der Lage und Länge des Belichtungsfensters erlaubt aber auch jegliche Zwischeneinstellung, mit welcher effektiv die Intensität des Umgebungslichts und der aktiven Beleuchtung angepasst und ausgeglichen werden kann, so dass Übersteuerungen oder Untergewichtungen beider Komponenten vermieden werden.
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Erfindungsgemäß werden also diverse Beleuchtungsschemata auf Basis von Beleuchtungsquellen verschiedener Wellenlänge eingesetzt, die in einem speziellen zeitlichen Synchronisierungsschema eine Szene beleuchten und über ein oder mehrere Kameras aufnehmen. Dadurch lässt sich mit sehr geringem Aufwand, nämlich beispielsweise monochromem Bildaufnehmer und einfacher LED-Beleuchtung, ein zusätzlicher Merkmalsraum für die Objekterkennung oder Erfassung redundanter, aber nicht unbedingt einzeln sicher auswertbarer Bildinformationen erschließen. Die Möglichkeit, Kontraste und spezielle Objekte 26 im Kamerabild zu entdecken, ist dadurch stark verbessert. Da nur die zeitliche Synchronisation zwischen Beleuchtung und Belichtung angepasst werden muss, ist die Umschaltung zwischen den verschiedenen Beleuchtungsschemata sehr einfach zu realisieren, sehr flexibel und sehr schnell. Bei schneller Umschaltung wird aufgrund der Trägheit des menschlichen Auges die Verwendung verschiedener Beleuchtungsspektren nicht wahrgenommen, sondern als konstante Beleuchtung mit einer festen Farbe empfunden.
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Obwohl einzelne Ausführungsformen anhand der Figuren beschrieben worden sind, umfasst die Erfindung auch weitere Kombinationen, da die vorgestellten verschiedenen schmalbandigen aktiven Beleuchtungen, breitbandigen Beleuchtungen mit Filter, variablen Filtern vor dem Bildsensor und die diversen Auswertungsschemata sich ergänzende Maßnahmen zur Verwirklichung der Erfindungsidee sind.
