DE102011118171A1 - Method for continuous estimation of driving surface plane of motor vehicle, involves determining current three-dimensional points of surrounding of motor vehicle from current image of image sequence of image capture device - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Schätzung der Fahrbahnebene gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Verfahren zur Klassifikation gemessener 3D-Punkte gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8, eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Schätzung der Fahrbahnebene gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9, sowie eine Vorrichtung zur Klassifikation von 3D-Punkten der Umgebung eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.The invention relates to a method for the continuous estimation of the road surface according to the preamble of
Verfahren und Vorrichtungen zur Vermessung des Umfeldes eines Kraftfahrzeugs sind bekannt, da die Kenntnis des Kraftfahrzeugsumfeldes eine notwendige Voraussetzung für den Einsatz einer Vielzahl von Fahrerassistenzsystemen ist. So sind beispielsweise Radarsysteme im Einsatz, um in ACC-Assistenzsystemen (ACC: Automatic Cruise Control) das in Fahrtrichtung vordere Umfeld des Kraftfahrzeugs zu vermessen, so dass basierend auf den Messergebnissen eine Abstands- und Geschwindigkeitsregelung erfolgen kann. Ferner werden Kamerasysteme, Lasersysteme, Radar und Ultraschallsensoren zur Detektion und Vermessung von Parklücken bei Parkassistenten eingesetzt. Spurhalteassistenten detektieren unter anderem Fahrspurbegrenzungen sowie Fahrbahnmarkierungen und halten das Fahrzeug in der eigenen Fahrspur.Methods and devices for measuring the environment of a motor vehicle are known because the knowledge of the motor vehicle environment is a necessary prerequisite for the use of a variety of driver assistance systems. For example, radar systems are used to measure in ACC assistance systems (ACC: Automatic Cruise Control) the front in the direction of travel environment of the motor vehicle, so that based on the measurement results, a distance and speed control can be done. Furthermore, camera systems, laser systems, radar and ultrasonic sensors are used for the detection and measurement of parking spaces in parking assistants. Lane departure warning systems detect, among other things lane boundaries and lane markings and keep the vehicle in its own lane.
Weiterhin existieren Kollisionswarnsysteme, bei dem vorausfahrende Fahrzeuge oder andere Hindernisse im Vorfeld des Fahrzeugs mit Hilfe eines Sensorsystems, beispielsweise mittels eines Radarsensors und/oder eines monokularen oder binokularen Videosystems, geortet werden. Durch Auswertung entsprechender gemessener Daten und davon abgeleiteter Größen, wie beispielsweise der gemessenen Abstände und der Relativgeschwindigkeiten zwischen vorausfahrendem Fahrzeug und Eigenfahrzeug etc., werden Situationen erkannt, in denen es ohne Eingriff des Fahrers zu einer Kollision kommen würde.Furthermore, there are collision warning systems in which vehicles in front or other obstacles in the apron of the vehicle with the aid of a sensor system, for example by means of a radar sensor and / or a monocular or binocular video system, are located. By evaluating appropriate measured data and derived variables, such as the measured distances and the relative speeds between the vehicle ahead and the vehicle, etc., situations are detected in which there would be a collision without intervention of the driver.
Bei beispielsweise kamerabasierten Verfahren zur Erkennung von Hindernissen vor dem Fahrzeug, die eine Rekonstruktion der Fahrzeugumgebung in 3D durchführen, muss zur Erkennung der Hindernisse eine Trennung zwischen dem Fahrbahnuntergrund und den möglichen Hindernissen durchgeführt werden. Dabei kann die 3D-Rekonstuktion der Umgebung des Fahrzeugs auf 3D-Messdaten beruhen, die durch ein Structure-from-Motion-Verfahren aus Bildern einer monokularen Kamera abgeleitet werden.For example, in camera-based methods for detecting obstacles in front of the vehicle, which perform a reconstruction of the vehicle environment in 3D, a separation between the road surface and the possible obstacles must be performed to detect the obstacles. In this case, the 3D reconstitution of the surroundings of the vehicle can be based on 3D measurement data, which are derived from images of a monocular camera by a structure-from-motion method.
Ein derartiges Structure-from-Motion Verfahren ist beispielsweise in dem
Aus der
Die bekannten Verfahren setzen zur Bestimmung der Fahrbahn sowie zur Trennung von Fahrbahn und Hindernissen eine unveränderliche Sensorverbaulage des Umfeldsensors sowie eine statische Fahrbahnebene voraus. Jedoch ist schon bei unterschiedlichen Beladungszuständen, Nickbewegungen des Fahrzeugs oder Unebenheiten der Fahrbahn eine eindeutige Trennung zwischen Hindernissen und Fahrbahnebene allein anhand der vertikalen Komponente der gemessenen 3D-Punkte nicht fehlerfrei möglich.The known methods require the determination of the roadway and the separation of the road and obstacles an unchangeable sensor mounting position of the environmental sensor and a static road surface. However, even with different loading conditions, pitching movements of the vehicle or unevenness of the roadway, a clear separation between obstacles and roadway level is not possible without error on the basis of the vertical component of the measured 3D points alone.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur kontinuierlichen Schätzung der Fahrbahnebene aus 3D-Punkten der Fahrzeugumgebung eines Kraftfahrzeugs sowie ein Verfahren zur Klassifikation der gemessenen 3D-Punkte zu schaffen.It is therefore the object of the invention to provide an improved method and an improved device for the continuous estimation of the road level from 3D points of the vehicle surroundings of a motor vehicle as well as a method for the classification of the measured 3D points.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur kontinuierlichen Schätzung der Fahrbahnebene mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Verfahren zur Klassifikation gemessener 3D-Punkte mit den Merkmalen des Anspruchs 8, durch eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Schätzung der Fahrbahnebene mit den Merkmalen des Anspruchs 9, sowie eine Vorrichtung zur Klassifikation von 3D-Punkten der Umgebung eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by a method for continuously estimating the level of the roadway having the features of
Das erfindungsgemäße Verfahren zur kontinuierlichen Schätzung der Fahrbahnebene eines Kraftfahrzeugs aus Bildern einer Bildsequenz einer Bilderfassungseinrichtung des Kraftfahrzeugs weist die folgenden Schritte auf:
- – Bestimmung von aktuellen 3D-Punkten des Umfeldes des Kraftfahrzeugs aus dem aktuellen Bild der Bildsequenz der Bilderfassungseinrichtung,
- – Durchführen einer ersten Selektion der aktuellen 3D-Punkte hinsichtlich der horizontalen Komponente zum Erhalt einer vorselektierten Menge aktueller 3D-Punkte,
- – Durchführen einer zweiten Selektion innerhalb der vorselektierten Menge hinsichtlich der vertikalen Komponente zum Erhalt einer selektierten Menge aktueller 3D-Punkte, und
- – Schätzung der aktuellen Fahrbahnebene zumindest anhand der selektierten Menge aktueller 3D-Punkte.
- Determination of current 3D points of the environment of the motor vehicle from the current image of the image sequence of the image acquisition device,
- Performing a first selection of the current 3D points with respect to the horizontal component to obtain a preselected amount of current 3D points,
- Performing a second selection within the preselected set with respect to the vertical component to obtain a selected set of current 3D points, and
- - Estimation of the current road level at least based on the selected amount of current 3D points.
Durch die Schätzung einer Fahrbahnebene für jedes Bild einer Bildsequenz kann vorteilhafterweise eine kontinuierliche Ermittlung der beispielsweise vor dem Fahrzeug sich erstreckenden Fahrbahnebene durchgeführt werden und Änderungen der Umgebungsbedingungen, wie Unebenheiten oder Steigungen, werden automatisch erfasst und gehen in die Schätzung der Fahrbahnebene ein. Als Bilderfassungseinrichtung kommen nicht nur kamerabasierte Bilderfassungseinrichtungen in Frage, sondern es können auch andere 3D-Sensoren, wie beispielsweise Laserscanner, eingesetzt werden.By estimating a road surface for each image of an image sequence, it is advantageously possible to carry out a continuous determination of the road surface extending, for example, in front of the vehicle, and changes in the environmental conditions, such as unevenness or gradients, are automatically detected and included in the estimation of the roadway plane. As an image capture device not only camera-based image capture devices come into question, but it can also other 3D sensors, such as laser scanners, are used.
Vorzugsweise werden die aktuellen 3D-Punkte, deren Abstand zur geschätzten Fahrbahnebene kleiner als ein vorgegebener Mindestabstand ist, als 3D-Punkte der Fahrbahnebene klassifiziert. Aus der Menge der aktuellen 3D-Punkte, deren Anzahl beispielsweise ca. 1000 bis 1500 3D-Punkte pro Bild betragen kann, wird durch die Vorgabe des Mindestabstandes eine Teilmenge der zur Fahrbahn gehörenden 3D-Punkte definiert.The current 3D points, whose distance from the estimated road plane is smaller than a predetermined minimum distance, are preferably classified as 3D points of the roadway plane. From the amount of the current 3D points, the number of which may be, for example, approximately 1000 to 1500 3D points per picture, the specification of the minimum distance defines a subset of the 3D points belonging to the roadway.
Zur Stabilisierung der Schätzung der Fahrbahnebene aus den aktuellen 3D-Punkten können vorzugsweise zusätzlich die als Fahrbahnpunkte klassifizierten 3D-Punkte zumindest des vorherigen Bildes zur aktuellen Schätzung der Fahrbahnebene verwendet werden.In order to stabilize the estimate of the roadway level from the current 3D points, the 3D points classified at least as the roadway points, at least of the previous image, can preferably additionally be used for the current estimation of the roadway plane.
Vorzugsweise werden die aktuellen 3D-Punkte des Umfeldes des Kraftfahrzeugs mittels eines Structure-from-Motion-Verfahrens erzeugt. Auf diese Weise kann zur Erzeugung der Bildsequenzen eine monokulare Kamera verwendet werden, was zur Kostenersparung beiträgt.Preferably, the current 3D points of the environment of the motor vehicle are generated by means of a structure-from-motion method. In this way, a monocular camera can be used to generate the image sequences, which contributes to cost savings.
Vorzugsweise wird zur Durchführung der ersten Selektion die horizontale Komponente der aktuellen 3D-Punkte auf einen rechteckigen Bereich vor der Bilderfassungseinrichtung begrenzt. Dabei werden unter der horizontalen Komponente die x- und y-Koordinaten verstanden, wenn beispielsweise ein x-y-z-Koordinatensystem verwendet wird, wobei die z-Koordinate die vertikale Komponente ist, während die x- und y-Koordinate die horizontale Ebene bilden. Durch die erste Selektion werden also beispielsweise 3D-Punkte ausgewählt und der vorselektierten Menge zugeordnet, die innerhalb eines Rechtecks vor der Bilderfassungseinrichtung in Fahrtrichtung des Fahrzeuges liegen.Preferably, to carry out the first selection, the horizontal component of the current 3D points is limited to a rectangular area in front of the image capture device. Herein, the horizontal component means the x and y coordinates when, for example, an x-y-z coordinate system is used, where the z-coordinate is the vertical component while the x and y coordinates are the horizontal plane. Thus, for example, 3D points are selected by the first selection and assigned to the preselected quantity, which lie in the direction of travel of the vehicle within a rectangle in front of the image capture device.
Weiter bevorzugt wird zur Durchführung der zweiten Selektion die vertikale Komponente, d. h. die vertikale Koordinate, der 3D-Punkte der vorselektierten Menge auf einen Bereich innerhalb einer vorgegebenen oberen und einer vorgegebenen unteren Grenze beschränkt, wodurch sich die selektierte Menge ergibt. Eine derartige Selektion kann über die Verwendung eines Medians erfolgen.Further preferred for carrying out the second selection is the vertical component, i. H. the vertical coordinate that constrains 3D points of the preselected set to a range within a predetermined upper and lower limit, resulting in the selected amount. Such selection may be via the use of a median.
Vorzugsweise wird die Schätzung der Fahrbahnebene nach der Methode der kleinsten Quadrate durchgeführt, wobei die Schätzung der Fahrbahnebene nicht darauf beschränkt ist. Andere Ebenenschätzungsverfahren können verwendet werden.Preferably, the least squares estimation of the lane plane is performed, but the estimate of the lane plane is not limited thereto. Other level estimation methods may be used.
Das erfindungsgemäße Verfahren führt daher eine kontinuierliche Schätzung der Fahrbahnebene auf Basis der 3D-Messpunkte durch. Zur Stabilisierung der Schätzung können zusätzlich 3D-Messpunkte aus einem Gedächtnisspeicher herangezogen werden, die sich zum Zeitpunkt der jeweils aktuellen Messung auf der Fahrbahn unterhalb des Fahrzeugs befinden.The method according to the invention therefore carries out a continuous estimation of the road surface on the basis of the 3D measurement points. To stabilize the estimation, additional 3D measurement points from a memory memory can be used, which are located at the time of the current measurement on the roadway below the vehicle.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Klassifikation von 3D-Punkten einer Umgebung eines sich bewegenden Kraftfahrzeugs in 3D-Punkte der Fahrbahn auf der sich das Kraftfahrzeug bewegt und in 3D-Punkte von Hindernissen im Fahrweg des Kraftfahrzeugs unter Verwendung des im Vorangegangenen geschilderten Verfahrens zur kontinuierlichen Schätzung der Fahrbahnebene, werden aktuelle 3D-Punkte als Hindernisse klassifiziert, wenn deren Abstand zur geschätzten Fahrbahnebene größer oder gleich einem vorgegebenen Mindestabstand ist, und werden aktuelle 3D-Punkte als zur Fahrbahn gehörend klassifiziert, wenn deren Abstand zur geschätzten Fahrbahnebene kleiner als ein vorgegebene Mindestabstand ist. Als Schwellwert kann ein Mindestabstand im Bereich von 300 mm bis 400 mm, insbesondere 350 mm verwendet werden.In the method according to the invention for classifying 3D points of an environment of a moving motor vehicle into 3D points of the roadway on which the motor vehicle is moving and in 3D points of obstacles in the travel path of the motor vehicle using the above-described method for the continuous estimation of Lane level, current 3D points are classified as obstacles if their distance from the estimated lane plane is greater than or equal to a specified minimum distance, and current 3D points are classified as belonging to the lane if whose distance to the estimated road level is less than a predetermined minimum distance. As a threshold, a minimum distance in the range of 300 mm to 400 mm, in particular 350 mm can be used.
Mittels dieses Verfahrens ist es möglich, die Klassifikation von 3D-Messpunkten in Hindernisse oder Fahrbahn auch bei unterschiedlichen Beladungszuständen, Nickbewegungen des Fahrzeugs oder Unebenheiten der Fahrbahn durchzuführen. Hierdurch kann die Qualität von Fahrerassistenzsystemen zur Hinderniserkennung im Nahbereich deutlich gesteigert werden.By means of this method, it is possible to perform the classification of 3D measuring points in obstacles or road even with different loading conditions, pitching movements of the vehicle or unevenness of the roadway. As a result, the quality of driver assistance systems for obstacle detection in the vicinity can be significantly increased.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur kontinuierlichen Schätzung der Fahrbahnebene zur Durchführung des im Vorangegangenen erläuterten Verfahrens zur kontinuierlichen Schätzung der Fahrbahnebene eines Kraftfahrzeugs umfasst:
- – eine im Kraftfahrzeug angeordnete Bilderfassungseinrichtung zur Generierung von einer. Bildsequenz der Kraftfahrzeugumgebung,
- – eine Einrichtung zur Bestimmung von aktuellen 3D-Punkten der Kraftfahrzeugumgebung aus dem aktuellen Bild der Bildsequenz,
- – eine Einrichtung zur Durchführung einer zweistufigen Selektion der aktuellen 3D-Punkte anhand der vertikalen und der horizontalen Koordinate zur Bestimmung einer selektierten Menge aktueller 3D-Punkte, und
- – eine Schätzeinrichtung zur Schätzung der Fahrbahnebene.
- - An arranged in the motor vehicle image capture device for generating a. Image sequence of the automotive environment,
- A device for determining current 3D points of the motor vehicle environment from the current image of the image sequence,
- A means for performing a two-step selection of the current 3D points using the vertical and horizontal coordinates to determine a selected amount of current 3D points, and
- - An estimator for estimating the level of the road.
Wie bereits erwähnt, werden unter Bilderfassungseinrichtungen alle Umfeldsenoren verstanden, die eine Darstellung der Fahrtzeugumgebung in 3D-Punkten ermöglichen.As already mentioned, image capturing devices are understood as meaning all environmental sensors which make it possible to display the vehicle environment in 3D points.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Klassifikation von 3D-Punkten umfasst neben den Komponenten der Vorrichtung zur kontinuierlichen Schätzung der Fahrbahnebene eine Klassifikationseinrichtung zur Klassifikation der aktuellen 3D-Punkte in solche 3D-Punkte, die zur geschätzten Fahrbahn gehören, und solche 3D-Punkte, die zu Hindernissen gehören. Ferner umfasst die Vorrichtung einen Gedächtnisspeicher zur Speicherung der zur Fahrbahn gehörenden aktuellen 3D-Punkte.The device for classifying 3D points according to the invention comprises, in addition to the components of the device for continuously estimating the road plane, a classification device for classifying the current 3D points into those 3D points that belong to the estimated roadway and those 3D points that belong to obstacles belong. Furthermore, the device comprises a memory memory for storing the current 3D points belonging to the roadway.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Dabei zeigtA preferred embodiment of the invention will be explained below with reference to the drawings. It shows
Die Eingangsgröße des in
Dabei erfolgt in einem ersten Vorselektionsschritt
Die in Schritt
Diese in den Schritten
Mit dem auf der Ebene EF liegenden Mittelwertes oder Schwerpunktes der 3D-Punkte der wie folgt definiert ist: werden die mittelwertbefreiten 3D-Punkte in eine Matrix P zusammengefasst, die wie folgt definiert ist: With the mean or center of gravity at E F level the 3D points which is defined as follows: become the mean-value-released 3D points summarized in a matrix P, which is defined as follows:
Mit den Gleichungen 2 und 3 sowie dem Normalenvektor der Ebene EF kann die Gleichung 1 wie folgt dargestellt werden: With
Mit der Randbedingung folgt ein Schätzwert für den Normalenvektor der Ebene zu With the boundary condition follows an estimate for the normal vector the plane too
Somit ist der normierte Eigenvektor zum kleinsten Eigenwert von und die Ausgleichsebene lautet in der Hesse-Normalform: Thus is the normalized eigenvector to the smallest eigenvalue of and the level of compensation in the Hesse normal form is:
Nach dem Schritt
Anschließend kann in Schritt
Die zur Fahrbahnebene gehörenden 3D-Punkte
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Fahrzeugvehicle
- 22
- Kameracamera
- 33
- rechteckiger Bereich vor dem Fahrzeugrectangular area in front of the vehicle
- 44
- Fahrtrichtungdirection of travel
- 1010
- Kamerabildcamera image
- 1111
- Schätzung von Kamerabewegung und 3D-PunktenEstimation of camera movement and 3D points
- 1212
- 3D-Punkte3D points
- 1313
- Vorselektion nach horizontaler KomponentePreselection according to horizontal component
- 1414
- Vorselektion nach vertikaler KomponentePreselection for vertical component
- 1515
- Ebenenschätzungplane estimation
- 1616
- Klassifikation Fahrbahn/HindernisseClassification roadway / obstacles
- 1717
- Mindesthöheminimum height
- 1818
- 3D-Punkte der Fahrbahn3D points of the roadway
- 1919
- 3D-Punkte von Hindernissen3D points of obstacles
- 2020
- Speicher für 3D-PunkteMemory for 3D points
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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