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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Fokussierung eines optischen Abbildungssystems einer Verkehrsüberwachungsanlage gemäß Patentanspruch 1.
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Die
US 2009/0060279 A1 beschreibt ein Verfahren zur Detektion von Fahrzeugen innerhalb eines vorgegebenen Bereichs mittels einer Verkehrsüberwachungsanlage, welche über ein optisches Abbildungssystem verfügt. Die
US 2009/0079862 A1 offenbart unter anderem ein Verfahren zur Fokussierung eines Abbildungssystems auf sich bewegende Objekte, wobei das Verfahren auf dem Ableiten des Bildes nach Bildpunkt-Helligkeitswerten beruht und durch ein Sobel-Filter die Richtung des größtmöglichen Anstiegs von Hell-Dunkelübergängen bestimmt werden kann.
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Verkehrsüberwachungsanlagen können für vielerlei Aufgaben im Straßenverkehr eingesetzt werden, z. B. für die Analyse von Verkehrsströmen, steuern von Verkehrsleitsystemen oder insbesondere für die Erfassung und Verfolgung von Verkehrsverstößen. Bei der Verfolgung von Verkehrsverstößen werden überwiegend Verkehrsüberwachungsanlagen mit fotografischer Erfassung eingesetzt, da eine anschließende Verfolgung des Verkehrsverstoßes, gegebenenfalls bis vor Gericht, wesentlich leichter durchführbar ist. Verkehrsüberwachungsanlagen mit fotografischer Erfassung werden für die Erfassung verschiedener Verkehrsverstöße, wie z. B. Übertretung der zulässigen Höchstgeschwindigkeit, Missachten der Rotlichtphase an Lichtzeichenanlagen, Unterschreitung des Mindestabstandes usw., eingesetzt. Da die dabei eingesetzten Kameras zur Erfassung von Verkehrsverstößen unabhängig von der Art der Erfassung des Verkehrsverstoßes eingesetzt werden können, wird im Folgenden die Erfassung von Geschwindigkeitsverstößen beschrieben, da sie die häufigste Art von Verkehrsverstößen darstellen. Grundsätzlich erfolgt die fotografische Erfassung von Verkehrsverstößen in gleicher oder ähnlicher Weise, jeweils getriggert von dem Eintritt des Ereignisses eines Verkehrsverstoßes.
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Um eine Fahrbahn mit einer oder mehreren Fahrspuren non-invasiv (d. h. ohne Eingriff in die Fahrbahnoberfläche), überwachen zu können, werden insbesondere Sensoreinheiten wie Radarsysteme, Stereokameras oder Lasersysteme eingesetzt. Insbesondere bei zeitlich vorübergehendem Einsatz, aber auch bei festem stationärem Einsatz solcher Messsysteme, werden diese seitlich an der Fahrbahn aufgestellt, um mit ihrem Radarkegel beziehungsweise Scanwinkelbereich die Fahrbahn in einem vorgegebenen Bereich horizontal zu überdecken. Von Fahrzeugen, die diesen Bereich durchfahren, werden Messdaten erfasst und aus diesen die entsprechende Fahrgeschwindigkeit, z. B. mittels Objekttrackingverfahren oder durch die Dopplerverschiebung, ermittelt. Diese Geschwindigkeit wird mit einer Grenzgeschwindigkeit verglichen und wenn die erfasste Geschwindigkeit größer als die Grenzgeschwindigkeit ist, wird eine fotografische Aufnahme mittels einer Kamera erstellt, in der das angemessene Fahrzeug und die erfasste Geschwindigkeit abgebildet sind. Um das Fahrzeug eindeutig identifizieren zu können, ist es essentiell, dass die fotografische Aufnahme einen gewissen Schärfegrad aufweist. Da sich ein Fahrzeug nur kurzfristig in dem Aufnahmebereich befindet, ist es sehr schwierig die Kamera in dieser Zeit auf den Aufnahmebereich zu fokussieren, da dies stets eine hinreichende Anzahl von den Aufnahmebereich durchfahrenden Fahrzeugen benötigt. Bei wenig oder gar fehlendem Verkehr ist ein Fokussieren überhaupt nicht möglich.
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Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Fokussierung eines optischen Abbildungssystems zur Verfügung zu stellen, das schneller erfolgen kann und nicht auf einen etwaigen Verkehr angewiesen ist. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen werden durch die abhängigen Ansprüche näher definiert.
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In einem Grundgedanken der Erfindung weist ein Verfahren zur Fokussierung eines optischen Abbildungssystems einer Verkehrsüberwachungsanlage auf ein zu fotografierendes Objekt, das sich in einem vorgebbaren Abstand zum optischen Abbildungssystem auf einer Fahrbahnoberfläche in einem vorgebbaren Bereich befindet, die folgenden Merkmale auf: Festlegen des vorgebbaren Bereiches als vorgegebener Bereich; Bereitstellen des optischen Abbildungssystems; Aufstellen des optischen Abbildungssystems; Aufnehmen eines fotografischen Bildes mittels des optischen Abbildungssystems; Ableiten des Bildes nach Bildpunkt-Helligkeitswerten und Betragsbildung; Ermitteln eines Schärfebereiches auf der Fahrbahnoberfläche, wobei der Schärfebereich eine durch das Ableiten des Bildes nach Bildpunkt-Helligkeitswerten erhöhte Helligkeit gegenüber einem benachbartem Unschärfebereich aufweist; Fokussieren des Abbildungssystems derart, dass sich der Schärfebereich in den vorgegebenen Bereich bewegt.
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Die Erfindung macht sich somit zu Nutze, dass durch die Ableitung des Bildes nach Bildpunkt-Helligkeitswerten Kanten, also Übergänge der Helligkeit in Form von Umrissen, detektiert werden können. Bereiche beziehungsweise Oberflächenstrukturen der Fahrbahnoberfläche weisen eine Vielzahl von Kanten auf. Nach Ableitung des Bildes nach Bildpunkt-Helligkeitswerten und Betragsbildung erscheinen diese Oberflächenstrukturen der Fahrbahnoberfläche in einem Schärfebereich mit einer erhöhten Helligkeit (Intensität), während in einem Unschärfebereich diese Kanten der Oberflächenstruktur aus dem abgeleiteten fotografischen Bild nicht hervorgehen. Somit kann der Schärfebereich durch die erhöhte Helligkeit gegenüber dem Unschärfebereich leicht ermittelt werden.
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Unter einer Verkehrsüberwachungsanlage von Fahrzeugen im Straßenverkehr kann erfindungsgemäß eine Anlage verstanden werden, die geeignet ist, eine Geschwindigkeitsüberwachung, eine Rotlichtüberwachung, eine kombinierte Rotlicht -und Geschwindigkeitsüberwachung oder eine sonstige Überwachung von Verkehrsverstößen durchzuführen. Dabei kann die Verkehrsüberwachungsanlage als eine stationäre, quasi stationäre oder alternativ als eine mobile Anlage ausgeführt sein. Die Verkehrsüberwachungsanlage umfasst zumindest eine Einrichtung zum Erfassen einer Verkehrssituation. Unter einer Einrichtung zum Erfassen einer Verkehrssituation kann beispielsweise ein Radar- oder Lidargerät, eine Kamera im Sinne eines optischen Abbildungssystems, ein Mittel zur Messung der Geschwindigkeit, optische, opto-elektrische oder elektromagnetische Mess- oder Aufnahmegeräte oder dergleichen oder einer Kombination der vorstehend gekannten Elemente verstanden werden. Eine derartige Einrichtung soll erfindungsgemäß als Sensoreinheit verstanden werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Schritte Aufnehmen eines fotografischen Bildes, Ableiten nach Bildpunkt-Helligkeitswerten und Betragsbildung, Ermitteln eines Schärfebereiches auf der Fahrbahnoberfläche, Fokussieren des Abbildungssystems derart oft wiederholt, dass zumindest 70 % des vorgegebenen Bereiches, bevorzugt der gesamte vorgegebene Bereich innerhalb des Schärfebereiches angeordnet ist. Somit kann sichergestellt werden, dass Fahrzeuge, die sich in dem vorgegebenen Bereich befinden und für die ein Verkehrsverstoß ermittelt wurde, eindeutig identifiziert werden können.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der vorgebbare Abstand einen Wert zwischen 10 und 50 m, bevorzugt 25 m, auf. Ein derartiger Abstand ist ein typischer Wert zwischen dem optischen Abbildungssystem und dem zu fotografierenden Objekt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Festlegen des vorgebbaren Bereiches als vorgegebener Bereich das Einbeziehen eines Haltebalkens auf der Fahrbahnoberfläche. Eine derartige Einbeziehung eines Haltebalkens spielt insbesondere dann eine Rolle, wenn neben der Übertretung der zulässigen Höchstgeschwindigkeit auch das Missachten der Rotlichtphase an Lichtzeichenanlagen ermittelt werden soll.
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In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Ableiten des Bildes nach Bildpunkt-Helligkeitswerten durch Anwendung eines Sobel-Operators und anschließender Bildung des Betrages, um Kanten in allen Richtungen im Ergebnisbild gleich darzustellen. Der Sobel-Operator ist ein einfacher Kantendetektionsfilter, der in der Bildverarbeitung häufig Anwendung findet. Dieser berechnet die erste Ableitung der Bildpunkt-Helligkeitswerte, wobei bevorzugt gleichzeitig orthogonal zur Ableitungsrichtung geglättet wird. Günstig ist es hierbei, wenn eine Größe einer Filtermaske des Sobel-Operators 3x3 Bildpunkte, bevorzugt größer 3x3 Bildpunkte, besonders bevorzugt 7x7 Bildpunkte, umfasst.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Größe der Filtermaske unter Einbeziehung eines Frequenzbereiches eines Hauptrauschanteils bestimmt. Günstig ist es hierbei, wenn die Bestimmung des Frequenzbereiches des Hauptrauschanteils mittels einer Fourieranalyse, bevorzugt automatisch, erfolgt. Somit wird erfindungsgemäß erreicht, dass ein störendes Rauschen, beispielsweise das sogenannte „Salt and Pepper“ Rauschen unterdrückt wird, während die Kanten durch die Rauschunterdrücken nicht wesentlich beeinflusst werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Ermitteln des Schärfebereiches durch einen Vergleich der Helligkeitswerte und deren Verteilung im Schärfebereich mit in einer Datenbank hinterlegten Referenzhelligkeitswerten und deren Referenzverteilung. Somit ist es erfindungsgemäß möglich, den Schärfebereich automatisch zu ermitteln.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Helligkeitswerte und deren Verteilung auf etwaigen Fahrbahnmarkierungen oder Fremdkörpern analog zu den Helligkeitswerten und deren Verteilung auf der Fahrbahnoberfläche ermittelt.
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Unter dem Merkmal „Fremdkörper“ werden erfindungsgemäß Körper verstanden, die kein Teil der Fahrbahn sind. Unter dem Merkmal „Fahrbahnmarkierung“ kann erfindungsgemäß eine farbliche Kennzeichnung auf der Fahrbahnoberfläche verstanden werden. Hierbei kann es sich um Längsmarkierungen, also um Markierungen längs zur Fahrtrichtung oder um Quermarkierungen, also um Markierungen quer zur Fahrtrichtung handeln. Die Quermarkierungen können beispielsweise als Halte- oder Wartelinien ausgebildet sein. Ferner kann es sich um Pfeile, die der Richtungsweisung und Verkehrslenkung dienen, handeln. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Aufzählung nur beispielhaft und nicht abschließend dargestellt ist.
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Somit ist es erfindungsgemäß auch möglich, nicht nur die Fahrbahnoberfläche selbst, sondern andere Elemente auf der Fahrbahnoberfläche wie Fahrbahnmarkierungen oder Fremdkörper zur Ermittlung des Schärfebereichs zu verwenden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Fokussieren des optischen Abbildungssystems derart automatisch, dass sich der Schärfebereich auf Basis der Messdaten der Sensoreinheit, beispielsweise eines Laserscanners, durch einen Aktuator in den vorgebbaren Bereich bewegt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können insbesondere Stereokameras gleichzeitig als optisches Abbildungssystem als auch als Sensoreinheit eingesetzt werden. Dabei kann der Schärfebereich automatisch auf den vorgebbaren Bereich, insbesondere den Bereich der Stereokamera mit der größten Disparität, bewegt werden.
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Es versteht sich, dass die eben beschriebenen Ausführungsformen in Alleinstellung oder in Kombination untereinander dargestellt werden können. Umfasst eine bevorzugte Ausführungsform eine „und/ oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass die Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend Bezug nehmend auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 schematischer Aufbau einer typischen Verkehrsszene;
- 2 Fotografische Darstellung einer typischen Verkehrsszene;
- 3 Darstellung der typischen Verkehrsszene gemäß 2 nach einer Ableitung nach Bildpunkt-Helligkeitswerten;
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1 zeigt eine typische Verkehrsszene, in der eine erfindungsgemäße Verkehrsüberwachungsanlage 4 zum Einsatz kommt. Eine derartige Anlage weist eine wellenstrahlbasierte Sensoreinheit 4a auf, z.B. einen Laserscanner, der eine gepulste Laserstrahlung in einem Winkelbereich aussendet und aus der reflektierten Strahlung von Fahrzeugen 2, die diesen Winkelbereich durchfahren, deren Geschwindigkeit und die zeitliche Änderung der Position innerhalb des Winkelbereiches mittels einer Rechner- und Steuereinheit 4b ableiten kann.
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Nach der Bestimmung der Geschwindigkeit des sich im Winkelbereich befindlichen Fahrzeuges wird diese Geschwindigkeit mittels der Rechner- und Steuereinheit 4b mit einer vorgegebenen Grenzgeschwindigkeit verglichen und im Falle einer Überschreitung ein optisches Abbildungssystem 1 in Form einer Kamera ausgelöst, die mit der Rechner- und Steuereinheit verbunden ist, um die Überschreitung der Grenzgeschwindigkeit zu dokumentieren und den daraus resultierenden Verkehrsverstoß ahnden zu können.
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Die Kamera 1 hat die Aufgabe, ein Bild in Form einer fotografischen Aufnahme zu erstellen, sobald sich das Fahrzeug 2 in einem vorgegebenen Bereich 3 zur Kamera 1 befindet. Eine typische mittlere Entfernung zwischen der Kamera 1 und dem Fahrzeug 2 beziehungsweise dem vorgegebenen Bereich 3 ist hierbei ungefähr 25 m. Die Kamera 1 ist derart zum vorgegebenen Bereich 3 aufgestellt, dass sie Fahrzeuge, die sich innerhalb dieses Bereiches befinden, scharf abbilden kann.
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Um eine scharfe Aufnahme 6 des Fahrzeuges 2 zu erhalten, ist nun ein Verfahren zur Fokussierung der Kamera 1 der Verkehrsüberwachungsanlage 4 auf das Fahrzeug 2, das sich in dem vorgegebenen Bereich 3 befindet, vorgesehen. Dieses Verfahren kann ohne die Fokussierung auf das Fahrzeug 2 in dem gewünschten Bereich erfolgen. Erfindungsgemäß wird hierbei in einem ersten Schritt mit der Kamera 1 eine Aufnahme 6 der Verkehrsszene ausgelöst, die die Verkehrsszene wie in 2 dargestellt fotografisch festhält. Anschließend wird das Bild in Form einer digitalen fotografischen Aufnahme (2) nach den Differenzen der Bildpunkt-Helligkeitswerte, durch Anwendung eines Kantendetektionsfilters, insbesondere einem Sobel-Operators, abgeleitet und eine Betragsbildung vorgenommen. Daraus resultiert ein Bild gemäß 3, in dem die Oberflächenstrukturen der Fahrbahnoberfläche in dem Schärfebereich mit einer erhöhten Helligkeit (Intensität) und in einem Unschärfebereich diese Kanten der Oberflächenstruktur aus dem abgeleiteten fotografischen Bild nicht hervorgehen. Somit kann der Schärfebereich durch die erhöhte Helligkeit gegenüber dem Unschärfebereich leicht ermittelt werden. Fahrbahnmarkierungen 8 oder Fremdkörper auf der Fahrbahnoberfläche 5 im Schärfebereich 7a werden dabei im abgeleiteten Bild gemäß 3 nicht mit berücksichtigt.
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2 zeigt eine fotografische Aufnahme 6 einer typischen Verkehrsszene mit Fahrzeugen 2 auf einer Fahrbahnoberfläche 5, die durch Fahrbahnmarkierungen 8 in mehrere Fahrbahnstreifen unterteilt ist, auf denen sich die verschiedenen Fahrzeuge befinden, in Form einer digitalen fotografischen Aufnahme. Am oberen Rand der fotografischen Aufnahme ist eine Scriptzeile mit eingeblendeten Messdaten sowie weiteren Daten z. B zum Aufstellort und der Gerätekonfiguration der Verkehrsüberwachungsanlage, eingeblendet. Weiterhin sind am unteren Rand der Scriptzeile sowie am unteren Bildrand Markierungen zur verbesserten Auswertung des Bildes eingeblendet.
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3 zeigt das Resultat einer Bildbearbeitung der fotografischen Aufnahme in 2. Mithilfe der Faltung wurde ein Sobel-Operator als Algorithmus angewendet (Sobel-Algorithmus). Der Sobel-Operator ist ein einfacher Kantendetektions-Filter mit dessen Hilfe die erste Ableitung der Bildpunkt-Helligkeitswerte bestimmt werden kann. Gleichzeitig wird dabei orthogonal zur Ableitungsrichtung geglättet. In diesem Fall wurde bei dem Algorithmus für die Faltung, einer 7x7-Matrix (Faltungsmatrix), deren Komponenten die Änderungsgewichtung der Umgebung vom Punkt repräsentieren, verwendet. Dabei wurde aus dem Originalbild für jeden Bildpunkt immer nur ein Ausschnitt, genauer gesagt die Umgebung des zu betrachtenden Punktes verwendet. Die Matrix ist üblicherweise symmetrisch angelegt, sodass keine Änderung in der Umgebung zu einer Nullsumme führt. Von den resultierenden Werten des Sobel-Operators werden nur die Beträge betrachtet.
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Dadurch werden nun hohe Frequenzen im Ursprungsbild 2 mit Grauwerten dargestellt. Die Bereiche der größten Intensität sind dort, wo sich die Helligkeit des Originalbildes am stärksten ändert und somit die größten Kanten darstellt.
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In dem abgeleiteten fotografischen Bild gehen die Kanten der Oberflächenstrukturen der Fahrbahnoberfläche in dem Schärfebereich 7a mit einer erhöhten Helligkeit (Intensität) hervor. In einem Unschärfebereich 7b gehen diese Kanten der Oberflächenstruktur nicht hervor. Somit kann der Schärfebereich im Bereich der Fahrbahnoberfläche durch die erhöhte Helligkeit gegenüber dem Unschärfebereich leicht ermittelt werden. Erfindungsgemäß muss nun der Bereich mit der Fahrbahnoberfläche mit erhöhter Helligkeit durch Fokussieren des Abbildungssystems in den vorgegebenen Bereich 3 bewegt werden. Nach dem Fokussieren kann durch nochmalige Anwendung des Verfahrens die veränderte Position des Schärfebereichs 7a im dann neu abgeleiteten Bild ermittelt werden. Weiterhin sind am unteren Rand der Scriptzeile sowie Markierungen am unteren Bildrand zur verbesserten Auswertung des Bildes eingeblendet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Optisches Abbildungssystem
- 2
- Objekt
- 3
- Vorgebbarer Bereich
- 4
- Verkehrsüberwachungsanlage
- 4a
- Sensoreinheit
- 4b
- Rechner- und Steuereinheit
- 5
- Fahrbahnoberfläche
- 6
- Bild
- 7a
- Schärfebereich
- 7b
- Unschärfebereich
- 8
- Fahrbahnmarkierung
