DE102011051583A1

DE102011051583A1 - Bildaufnahmevorrichtung für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102011051583A1
Application number: DE102011051583A
Authority: DE
Inventors: Dieter Krökel
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 2011-07-05
Filing date: 2011-07-05
Publication date: 2013-01-10
Also published as: WO2013004227A1; DE112012002809A5; US20150035980A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bildaufnahmevorrichtung, die einen Bildsensor umfasst. In zumindest einem ersten Teilbereich vor dem Bildsensor ist ein erster Polarisationsfilter und in zumindest einem zweiten Teilbereich ein zweiter Polarisationsfilter angeordnet. Die Polarisationsfilter weisen unterschiedliche Polarisationsrichtungen (h; v) auf. Die erfindungsgemäße Bildaufnahmevorrichtung umfasst eine Auswerteeinrichtung, die durch Vergleich der Intensitäten der mindestens zwei unterschiedlich polarisierten Teilbereiche das Vorhandensein von polarisiertem Licht erkennen kann. Es wird also die Intensität in dem Teilbereich des Bildsensors, auf den elektromagnetische Strahlung trifft, die den ersten Polarisationsfilter passiert hat, verglichen mit der Intensität in dem Teilbereich des Bildsensors, auf den elektromagnetische Strahlung trifft, die den zweiten Polarisationsfilter passiert hat.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bildaufnahmevorrichtung für ein Fahrzeug und ein Verfahren zur Detektion von Nässe auf einer Fahrbahn.
Die Unfallvermeidung gewinnt bei Fahrerassistenzsystemen zunehmend an Bedeutung. Notbremssysteme leisten hierzu einen wichtigen Beitrag. Ihre Wirkung hängt jedoch entscheidend vom Reibwert des Untergrundes ab. Insbesondere Nässe erniedrigt den Reibwert gegenüber dem auf einer trockenen Fahrbahn erheblich.
JP 2010-243463 A zeigt eine Fahrzeugstereokamera, bei der mittels zwei Linsenpaaren für unterschiedliche Sichtweiten und zwei Bildsensoren ein Stereobild für einen Nahbereich und ein Stereobild für einen Fernbereich erzeugt wird. Die unterschiedlichen Sichtbereiche werden mittels senkrechten und parallelen Polarisatoren bzw. Polarisationsfiltern getrennt. Eine derartige Stereokamera könnte im Rahmen eines Notbremssystems zur Objekterkennung und zur Relativgeschwindigkeitsmessung eingesetzt werden.
DE 10 2005 062 275 A1 zeigt ein Verfahren zum Erkennen eines drohenden Heckaufpralls mittels eines nach hinten gerichteten Abstands- und/oder Relativgeschwindigkeitssensors. Bei der Bewertung der Relativgeschwindigkeit eines sich dem eigenen Fahrzeug nähernden nachfolgenden Fahrzeugs, kann der aktuelle Reibwert nach unten angepasst werden, wenn der Regensensor Regen detektiert.
Nachteilig ist hieran unter anderem, dass ein separater Regensensor zur Reibwertanpassung erforderlich ist und dass die Nässe auf dem Fahrzeug ermittelt wird – nicht die Nässe auf der Fahrbahn.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, kostengünstig und zuverlässig Nässe auf der Fahrbahn zu erkennen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Bildaufnahmevorrichtung, die einen Bildsensor umfasst. In zumindest einem ersten Teilbereich vor dem Bildsensor ist ein erster Polarisationsfilter und in zumindest einem zweiten Teilbereich ein zweiter Polarisationsfilter angeordnet. Die Polarisationsfilter weisen unterschiedliche Polarisationsrichtungen auf. Die erfindungsgemäße Bildaufnahmevorrichtung umfasst eine Auswerteeinrichtung, die durch Vergleich der Intensitäten der mindestens zwei unterschiedlich polarisierten Teilbereiche das Vorhandensein von polarisiertem Licht erkennen kann. Es wird also die Intensität in dem Teilbereich des Bildsensors, auf den elektromagnetische Strahlung trifft, die den ersten Polarisationsfilter passiert hat, verglichen mit der Intensität in dem Teilbereich des Bildsensors, auf den elektromagnetische Strahlung trifft, die den zweiten Polarisationsfilter passiert hat.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass sich ein nasser Untergrund auf die Polarisationseigenschaft von reflektiertem, zuvor unpolarisiertem, Licht derart auswirkt, dass die in der Einfallsebene gerichtete Polarisation bevorzugt transmittiert wird, während die senkrecht zur Einfallsebene gerichtete Polarisation bevorzugt reflektiert wird.
Betrachtet man diese Szene mit einer erfindungsgemäßen Bildaufnahmevorrichtung, in deren Strahlengang in mindestens zwei Teilbereichen Polarisatoren, die senkrecht zueinander stehen, eingebracht sind, so kann man für den nassen Fahrbahnbereich einen Kontrastunterschied zwischen den beiden Teilbereichen detektieren und damit gemäß einer bevorzugten Ausführungsform auf Nässe schließen, woraus ein geringerer Reibwert als bei einer trockenen Fahrbahn resultiert.
Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, dass Nässe mit einer Bildaufnahmevorrichtung mit einem einzigen Bildsensor, d.h. mit einer Monokamera zuverlässig und kostengünstig erkannt werden kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Bildsensor eine Vielzahl von matrixförmig nebeneinander angeordneten und für elektromagnetische Strahlung empfindlichen Sensorelemente. Den Sensorelementen sind über eine Filterpixelmatrix Filterelemente zugeordnet, so dass jedes Sensorelement elektromagnetische Strahlung aus einem bestimmten Wellenlängenbereich oder mit einer bestimmten Polarisationsrichtung erfasst. Hierbei ist es auch möglich, dass mehrere benachbarte Sensorelemente einem identischen Filterelement aus der Filterpixelmatrix zugeordnet sind.
Die Einbringung der Polarisatoren in die Filterpixelmatrix ermöglicht zum einen eine optimale Verteilung der Polarisatoren, zum anderen bleiben die Farbinformationen des detektierten Bildsensorsignals im Wesentlichen erhalten. Polarisatoren verringern die Lichtintensität von unpolarisiertem Licht etwa um 50%. Hinzukommen noch Reflexions- und Absorptionsverluste von weiteren ca. 10%. Damit Kameras für Fahrzeuganwendungen insbesondere in der Nacht noch hochempfindlich genug sind, ist ein etwa 60%-iger Lichtverlust für vollflächige Polarisationsfilter nicht tolerierbar. Durch die pixelweise Verteilung von Farb- und Polarisationsfilterelementen wird dagegen eine annähernd homogene Signalhöhe erzielt, da der Transmissionsverlust eines Polarisationsfilterelements in der Größenordnung des nicht mehr vorhandenen Farbfilterelements liegt.
Ein für Kanten- und Formerkennung generiertes Grauwertbild wird zudem durch die Polarisatoren kaum beeinflusst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Bildaufnahmevorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus den Ausführungsbeispielen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Detektion von Nässe auf einer Fahrbahn mittels einer erfindungsgemäßen Bildaufnahmevorrichtung. Diese weist in mindestens zwei Teilbereichen vor einem Bildsensor unterschiedlich orientierte Polarisationsfilter (h; v) auf. Nach Erfassen eines Bildes durch den Bildsensor wird durch Vergleich der Intensitäten der mindestens zwei unterschiedlich polarisierten Teilbereiche (h; v) Nässe auf der Fahrbahn erkannt. Die unterschiedliche Intensität ist das Resultat der unterschiedlichen Reflexion der unterschiedlich polarisierten Anteile auf der nassen Fahrbahn. Parallel (vertikal) polarisiertes Licht wird stärker transmittiert, während senkrecht (horizontal) polarisiertes Licht stärker auf der nassen Oberfläche reflektiert wird und somit in höherem Maße vom Bildsensor detektiert wird.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren beschrieben.
1 zeigt eine Filterpixelmatrix, die aus modifizierten Bayer-Matrizen zusammengesetzt ist, mit zeilenweise variierenden Polarisatoren unterschiedlicher Orientierung.
2 zeigt eine Filterpixelmatrix mit einer quadratischen Gruppierung von senkrecht zueinander stehenden Polarisatoren vergleichbar einem Schachbrettmuster.
In 1 ist eine Filterpixelmatrix für den Bildsensor dargestellt, die einem modifizierten Bayer-Farbilter entspricht, bei dem jeder 4. Pixel mit einem Polarisator versehen ist. Im dargestellten Fall wurde beim ursprünglichen 2×2 Bayer-Farbfilter (R, G, G, B) das grüne Filterelement in der zweiten Zeile durch einen Polarisator (R, G, h/v, B) ersetzt. Die beiden Polarisationsrichtungen sind zum einen senkrecht bzw. horizontal (h, horizontal schraffiert) und zum anderen parallel bzw. vertikal (v, vertikal schraffiert). Diese Ersetzung des zweiten grünen Bayer-Filterelements wurde für die Filtermatrix aus 1 derart vorgenommen, dass die Zeilen mit Polarisatoren einander abwechseln: 1: Zeile keine Polarisatoren, 2. Zeile horizontale Polarisatoren (h), 3. Zeile keine Polarisatoren, 4. Zeile vertikale Polarisatoren (v).
Die Polarisatoren sind zeilenweise senkrecht zueinander angeordnet. Bei unpolarisiertem Licht wird keine zeilenweise Helligkeits- bzw. Intensitätsstruktur sichtbar sein. Bei teilweise polarisiertem Licht, wie es bei Reflektion auf nassen Fahrbahnen entsteht, werden die Bildbereiche des Bildsensors, auf die die nasse Fahrbahn abgebildet wird, eine zusätzliche zeilenweise Helligkeitsstruktur aufweisen, die sich durch die Auswerteeinheit mittels Bildverarbeitungsalgorithmen nachweisen lässt. Beim erfolgreichen Nachweis dieser zeilenweisen Helligkeitsstruktur gibt die Auswerteeinheit ein Signal „Nasse Fahrbahn“ an die Steuereinheit des Notbremsassistenten weiter oder an ein anderes Assistenzsystem, welches seinerseits nun den den Zeitpunkt des Bremseinsatzes und die Bremskraft an eine nasse Fahrbahn anpassen kann.
Heutige Waferlevel-Technologien erlauben die Aufbringung von Polarisatoren direkt auf den Bildsensor-Silizium-Wafer. Zusätzlich ist eine Strukturierungsgröße der Polarisatoren in Pixelgröße von nur einigen µm möglich.
Natürlich sind auch andere Anordnungen der Polarisatoren in der Filterpixelmatrix möglich, um die Nässeerkennung zu ermöglichen. In 2 sind die Polarisatoren gleicher Polarisationsrichtung in Quadraten von 4×4 Filterelementen, d.h. vier 2×2 Matrizen zusammengefasst. In einer Anordnung wie in 2 muss der Bildverarbeitungsalgorithmus der Auswerteeinheit nach quadratischen Helligkeitsunterschieden suchen. Die gezeigte Anordnung führt zu einem Schachbrettmuster der Helligkeitsunterschiede der mit Polarisatoren versehenen Filterelemente bei nassem Fahrbahnhintergrund. Liegt dagegen unpolarisiertes Licht vor, so treten keine Helligkeitsunterschiede entsprechend des Anordnungsmusters auf.
Die Anordnung der Gruppierungen bzw. Matrizen mit unterschiedlichen Polarisatoren sollte grundsätzlich so ausgerichtet sein, dass keine Verwechslung mit in der Natur vorkommenden Strukturen entstehen kann. Die Anordnung kann auch davon abhängig gemacht werden, ab welcher Größe nasse Fahrbahnbereiche erkannt werden sollen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2010-243463 A [0003]
DE 102005062275 A1 [0004]

Claims

Bildaufnahmevorrichtung für ein Fahrzeug umfassend einen Bildsensor, wobei in zumindest einem ersten Teilbereich ein erster Polarisationsfilter (h) und in zumindest einem zweiten Teilbereich ein zweiter Polarisationsfilter (h; v) angeordnet ist, wobei die Polarisationsfilter (h; v) unterschiedliche Polarisationsrichtungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufnahmevorrichtung eine Auswerteeinrichtung umfasst, die durch Vergleich der Intensitäten der mindestens zwei unterschiedlich polarisierten Teilbereiche polarisiertes Licht erkennen kann.
Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Auswerteeinrichtung durch Vergleich der Intensitäten der unterschiedlich polarisierten Teilbereiche eine nasse Fahrbahn erkennen kann.
Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Bildsensor eine Vielzahl von matrixförmig nebeneinander angeordneten und für elektromagnetische Strahlung sensitiven Sensorelemente umfasst und wobei den Sensorelementen über eine Filterpixelmatrix Filterelemente (R; G; B; h; v) zugeordnet sind, so dass jedes Sensorelement elektromagnetische Strahlung aus einem bestimmten Wellenlängenbereich (R; G; B) oder mit einer bestimmten Polarisationsrichtung (h; v) erfasst.
Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Filterpixelmatrix aus zwei verschiedenen 2×2 Matrizen zusammengesetzt ist, die sich hinsichtlich der Polarisationsrichtung (h; v) unterscheiden.
Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 4, wobei die erste 2×2 Matrix je ein Filterelement für rot, grün, erste Polarisationsrichtung und blau (R, G, h, B) umfasst und die zweite 2×2 Matrix je ein Filterelement für rot, grün, zweite Polarisationsrichtung und blau (R, G, v, B).
Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei sich die verschiedenen 2×2 Matrizen (R, G, h, B bzw. R, G, v, B) zeilenweise abwechseln beim Aufbau der Filterpixelmatrix.
Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei sich die verschiedenen 2×2 Matrizen (R, G, h, B bzw. R, G, v, B) spaltenweise abwechseln beim Aufbau der Filterpixelmatrix.
Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Filterpixelmatrix schachbrettartig aus quadratischen Anordnungen der verschiedenen 2×2 Matrizen (R, G, h, B bzw. R, G, v, B) aufgebaut ist.
Verfahren zur Detektion von Nässe auf einer Fahrbahn mittels einer Bildaufnahmevorrichtung, die in mindestens zwei Teilbereichen vor einem Bildsensor unterschiedlich orientierte Polarisationsfilter (h; v) aufweist, wobei durch Vergleich der Intensitäten der mindestens zwei unterschiedlich polarisierten Teilbereiche (h; v) Nässe auf der Fahrbahn erkannt wird.