DE102014012720A1

DE102014012720A1 - Verfahren zur Ermittlung von optischen Verzerrungen und Kameraanordnung für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102014012720A1
Application number: DE201410012720
Authority: DE
Inventors: Anton Feldmann
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-08-27
Filing date: 2014-08-27
Publication date: 2015-04-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von mittels einer Fahrzeugscheibe (5) verursachten optischen Verzerrungen in mittels zumindest einer Kamera (3) erfassten Bildern. Erfindungsgemäß werden die Verzerrungen anhand einer Krümmung der Fahrzeugscheibe (5) im Kameraerfassungsbereich (K) ermittelt, wobei unter der Annahme einer Ausbildung einer Scheibenoberfläche der Fahrzeugscheibe (5) im Kameraerfassungsbereich (K) als Oberflächenteil eines Paraboloids eine Projektionsebene (E) der Kamera (3) von einem Ursprungspunkt in einen Schnittpunkt (SP) einer optischen Achse (X) der Kamera (3) mit der Scheibenoberfläche parallel verschoben projiziert wird und ausgehend von der parallel verschobenen Projektionsebene (E') in Richtung des Normalenvektors der verschobenen Projektionsebene (E') Abstände (A1 bis An) zwischen dieser und der Scheibenoberfläche in mehreren Punkten ermittelt werden, wobei anhand der Abstände (A1 bis An) die Krümmung der Fahrzeugscheibe (5) ermittelt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Kameraanordnung (1) für ein Fahrzeug (2), umfassend zumindest eine im Fahrzeuginneren angeordnete Kamera (3), deren optische Achse (X) durch eine Fahrzeugscheibe (5) aus dem Fahrzeuginneren nach außen gerichtet ist, und umfassend eine Entzerrungseinheit (6) zur Entzerrung eines mittels der Kamera (3) durch die Fahrzeugscheibe (5) erfassten Bildes. Erfindungsgemäß umfasst die Entzerrungseinheit (6) ein zwischen einer Optik (4) der Kamera (3) und der Fahrzeugscheibe (5) abgeschlossenes Volumen (V), welches mit einem Fluid (F) gefüllt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von mittels einer Fahrzeugscheibe verursachten optischen Verzerrungen in mittels zumindest einer Kamera erfassten Bildern.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Kameraanordnung für ein Fahrzeug, umfassend zumindest eine im Fahrzeuginneren angeordnete Kamera, deren optische Achse durch eine Fahrzeugscheibe aus dem Fahrzeuginneren nach außen gerichtet ist, und umfassend eine Entzerrungseinheit zur Entzerrung eines mittels der Kamera durch die Fahrzeugscheibe erfassten Bildes.
Aus dem Stand der Technik sind allgemein Fahrzeuge bekannt, welche eine oder mehrere, im Innenraum des Fahrzeugs angeordnete Kameras umfassen. Eine optische Achse der zumindest einen Kamera ist dabei durch eine Windschutzscheibe des Fahrzeugs nach außen gerichtet, so dass mittels der Kamera eine im Wesentlichen vor dem Fahrzeug befindliche Umgebung erfasst werden kann.
Aufgrund einer Krümmung der Windschutzscheibe entstehen in mittels der Kamera erfassten Bildern insbesondere als optische Verzerrungen, auch als so genannte Bildfeldverzeichnungen bezeichnet, ausgebildete Bildfehler. Zur Korrektur solcher Bildfeldverzeichnungen sind verschiedene Verfahren bekannt, mittels welcher die Bildfeldverzeichnungen anhand von Polynomfunktionen berechnet werden. Die Polynomfunktionen sind hierbei von einer Einbauposition der Kamera abhängig, woraus das Erfordernis einer Generation großer Datenmengen resultiert.
Weiterhin sind aus dem Stand der Technik verschiedene Kameraanordnungen für Fahrzeuge bekannt, welche eine Entzerrungseinheit zur Korrektur der Bildfeldverzeichnungen umfassen, wobei die Entzerrungseinheit zwischen einer Optik der Kamera und der Windschutzscheibe angeordnet ist.
Eine solche Kameraanordnung ist in der DE 10 2009 027 520 A1 beschrieben. Hierbei ist eine Kamera im Inneren eines Fahrzeugs angeordnet und zwischen der Kamera und einer Windschutzscheibe ist in einer optischen Achse der Kamera eine Bildkorrekturvorrichtung angeordnet. Die Kamera ist durch die Bildkorrekturvorrichtung und durch die Windschutzscheibe hindurch auf einen Aufnahmebereich außerhalb des Fahrzeugs gerichtet. Die Bildkorrekturvorrichtung umfasst eine transparente Entzerrungsscheibe.
Auch die DE 10 2012 002 980 A1 beschreibt eine Kameraanordnung für ein Fahrzeug mit einer im Fahrzeuginnenraum hinter einer Fahrzeugscheibe angeordneten Kamera und einem Strahlführungselement, das zwischen der Fahrzeugscheibe und der Kamera angeordnet ist. Das Strahlführungselement weist ein Prisma auf oder bildet dieses aus, wobei auf einer Rückseite des Strahlführungselements eine Antireflexbeschichtung angeordnet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Ermittlung von mittels einer Fahrzeugscheibe verursachten optischen Verzerrungen in mittels zumindest einer Kamera erfassten Bildern und eine verbesserte Kameraanordnung für ein Fahrzeug anzugeben.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich der Kameraanordnung durch die in Anspruch 5 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
In dem Verfahren zur Ermittlung von mittels einer Fahrzeugscheibe verursachten optischen Verzerrungen in mittels zumindest einer Kamera erfassten Bildern werden erfindungsgemäß die Verzerrungen anhand einer Krümmung der Fahrzeugscheibe im Kameraerfassungsbereich ermittelt, wobei unter der Annahme einer Ausbildung einer Scheibenoberfläche der Fahrzeugscheibe im Kameraerfassungsbereich als Oberflächenteil eines Paraboloids eine Projektionsebene der Kamera von einem Ursprungspunkt in einen Schnittpunkt einer optischen Achse der Kamera mit der Scheibenoberfläche parallel verschoben projiziert wird und ausgehend von der parallel verschobenen Projektionsebene in Richtung des Normalenvektors der verschobenen Projektionsebene Abstände zwischen dieser und der Scheibenoberfläche in mehreren Punkten ermittelt werden. Anhand der Abstände wird die Krümmung der Fahrzeugscheibe ermittelt.
Das Verfahren ermöglicht mit besonders geringem Aufwand die Ermittlung der optischen Verzerrung und ermöglicht es, die mittels der Kamera erfassten Bilder entsprechend der Verzerrung zu korrigieren. Somit sind verzerrungsfreie Bilder mit hoher optischer Güte erzeugbar. Daraus resultiert wiederum eine hohe Zuverlässigkeit und Genauigkeit von in Abhängigkeit der erfassten Bilder betriebenen Fahrzeugsystemen, beispielsweise Fahrerassistenzsystemen oder Komfortsystemen, wie z. B. eine aktive Fahrwerkssteuerung. In besonders vorteilhafter Weise ist das Verfahren mit besonders geringem Aufwand auch bei Kameraanordnungen durchführbar, welche mehrere Kameras umfassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine Draufsicht auf eine Kameraanordnung für ein Fahrzeug, und
2 schematisch eine Seitenansicht eines Ausschnitts eines Fahrzeugs mit einer Kameraanordnung.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist in einer Draufsicht eine Kameraanordnung 1 für ein in 2 näher gezeigtes Fahrzeug 2 dargestellt.
Die Kameraanordnung 1 umfasst eine Kamera 3 mit einer Optik 4, welche im Fahrzeuginneren hinter einer Fahrzeugscheibe 5, beispielsweise einer Windschutzscheibe, angeordnet ist. Dabei ist die Kamera 3 derart angeordnet, dass deren optische Achse X durch die Fahrzeugscheibe 5 aus dem Fahrzeuginneren nach außen gerichtet ist. Somit ist mittels der Kamera 3 eine Erfassung einer Umgebung des Fahrzeugs 2 möglich.
Aufgrund einer Krümmung der Fahrzeugscheibe 5 kommt es jedoch in mittels der Kamera 3 erfassten Bildern zu optischen Fehlern, insbesondere zu als so genannte Bildfeldverzeichnungen ausgebildeten optischen Verzerrungen.
Um diese optischen Verzerrungen aus den Bildern entfernen zu können bzw. diese aus den Bildern ”herauszurechnen”, werden die optischen Verzerrungen ermittelt.
Hierbei wird der Weg betrachtet, den ein Lichtstrahl durch die Fahrzeugscheibe 5, im dargestellten Ausführungsbeispiel die Windschutzscheibe, nimmt. Es wird angenommen, dass die Windschutzscheibe unter einem bestimmten Winkel relativ zur Kamera 3 im Fahrzeug 1 verbaut ist und unter einem bestimmten Winkel von Lichtstrahlen getroffen wird. In Abhängigkeit des gegebenen Winkels werden die Lichtstrahlen gebrochen und durchqueren die Windschutzscheibe in Richtung des Fahrzeuginneren. Das heißt, dass die Lichtstrahlen in Abhängigkeit von einem Auftreffwinkel auf der Fahrzeugscheibe 5 von dieser gebrochen werden. Beim Austritt aus der Fahrzeugscheibe 5 in das Fahrzeuginnere werden die Lichtstrahlen erneut gebrochen und treffen auf zumindest einen optischen Bildsensor. Das von dem Bildsensor erfasste Lichtsignal wird gespeichert, wobei sich aufgrund der Krümmung der Fahrzeugscheibe 5 und des Winkels ein verzerrtes Bild ergibt.
Zur Ermittlung der optischen Verzerrungen ist die Kenntnis einer Krümmung der Fahrzeugscheibe 5 erforderlich.
Zur Ermittlung der Krümmung wird vorausgesetzt, dass die Fahrzeugscheibe 5 einen Teil einer Oberfläche eines Paraboloids darstellt, wobei in der Differentialgeometrie eine Parameterbeschreibung eines Paraboloids allgemein bekannt ist.
Zur Ermittlung der Krümmung ist es weiterhin erforderlich, betreffende Segmente der Oberfläche des Paraboloids zu kennen, durch welche die Erfassung mit der Kamera 3 erfolgt. Mit einer so genannten ersten und zweiten Fundamentalform der Differentialgeometrie kann dann die Oberfläche und jeder Weg auf dieser Oberfläche beschrieben werden. Aus diesen Daten werden anschließend so genannte Hauptkrümmungen und deren zugehörige Richtung berechnet.
Zur direkten Bestimmung der optischen Verzerrung wird – wie dargestellt – unter der Annahme der Ausbildung der Scheibenoberfläche der Fahrzeugscheibe 5 im Kameraerfassungsbereich K als Oberflächenteil des Paraboloids eine Projektionsebene E der Kamera von einem Ursprungspunkt in einen Schnittpunkt SP der optischen Achse der Kamera 3 mit der Scheibenoberfläche parallel verschoben projiziert.
Ausgehend von dieser parallel verschobenen Projektionsebene E' werden in Richtung des Normalenvektors der verschobenen Projektionsebene E' Abstände A1 bis An zwischen dieser und der Scheibenoberfläche in mehreren Punkten ermittelt. Für die Ermittlung dieser Abstände A1 bis An ist Voraussetzung, dass ein so genannter Kamerahauptpunkt, deren optische Achse X sowie der Schnittpunkt SP bekannt sind. Hierbei ist eine direkte Bestimmung der Abstände A1 bis An möglich, da die Hauptkrümmungen und deren Richtungen an den jeweiligen Punkten, an welchen die Abstände bestimmt werden, bekannt sind.
Die Abstände A1 bis An werden dabei jeweils als Abstandsvektoren ermittelt und mittels Projektionsmatrizen auf die im Ursprungspunkt befindliche Projektionsebene E projiziert, wobei die optischen Verzerrungen anhand der in die im Ursprungspunkt befindlichen Projektionsebene E projizierten Abstandsvektoren ermittelt werden.
Zusätzlich ist in einer möglichen Ausgestaltung vorgesehen, auch eine Dicke der Fahrzeugscheibe 5 bei der Ermittlung der Verzerrungen zu berücksichtigen. Somit kann ein Strahlengang der Lichtsstraheln innerhalb der Fahrzeugscheibe 5 berücksichtigt werden, woraus sich in einfacher Weise eine Erhöhung der Genauigkeit der Ermittlung der Verzerrungen ergibt. Die Dicke der Fahrzeugscheibe 5 ist dabei bekannt.
2 zeigt in einer Seitenansicht einen Ausschnitt des Fahrzeugs 2 mit einem möglichen Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kameraanordnung 1. Diese unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Kameraanordnung 1 dadurch, dass zusätzlich zwischen der Optik 4 der Kamera 3 und der Fahrzeugscheibe 5 eine Entzerrungseinheit 6 zur Entzerrung des mittels der Kamera 3 durch die Fahrzeugscheibe 5 erfassten Bildes angeordnet ist.
Hierzu umfasst die Entzerrungseinheit 6 ein zwischen der Optik 4 der Kamera 3 und der Fahrzeugscheibe 5 abgeschlossenes Volumen V, welches mit einem insbesondere als Flüssigkeit oder Gel ausgebildeten Fluid F gefüllt ist. Dieses Fluid F ist in besonders einfacher Weise in das Volumen V einbringbar und ermöglicht eine zumindest nahezu vollständig frei von Verzerrungen ausgebildete Erfassung der Umgebung des Fahrzeugs 2.
Zusätzlich ist es jedoch auch möglich, dass das in 1 beschriebene Verfahren zur weiteren Entzerrung der Bilder durchgeführt wird.
Bezugszeichenliste

1: Kameraanordnung
2: Fahrzeug
3: Kamera
4: Optik
5: Fahrzeugscheibe
6: Entzerrungseinheit
A1 bis An: Abstand
E: Projektionsebene
E': verschobene Projektionsebene
F: Fluid
K: Kameraerfassungsbereich
SP: Schnittpunkt
V: Volumen
X: optische Achse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009027520 A1 [0006]
DE 102012002980 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Ermittlung von mittels einer Fahrzeugscheibe (5) verursachten optischen Verzerrungen in mittels zumindest einer Kamera (3) erfassten Bildern, dadurch gekennzeichnet, dass – die Verzerrungen anhand einer Krümmung der Fahrzeugscheibe (5) im Kameraerfassungsbereich (K) ermittelt werden, – wobei unter der Annahme einer Ausbildung einer Scheibenoberfläche der Fahrzeugscheibe (5) im Kameraerfassungsbereich (K) als Oberflächenteil eines Paraboloids eine Projektionsebene (E) der Kamera (3) von einem Ursprungspunkt in einen Schnittpunkt (SP) einer optischen Achse (X) der Kamera (3) mit der Scheibenoberfläche parallel verschoben projiziert wird und – ausgehend von der parallel verschobenen Projektionsebene (E') in Richtung des Normalenvektors der verschobenen Projektionsebene (E') Abstände (A1 bis An) zwischen dieser und der Scheibenoberfläche in mehreren Punkten ermittelt werden, – wobei anhand der Abstände (A1 bis An) die Krümmung der Fahrzeugscheibe (5) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der Verzerrungen eine Dicke der Fahrzeugscheibe (5) im Kameraerfassungsbereich (K) berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände (A1 bis An) jeweils als Abstandsvektoren ermittelt werden und mittels Projektionsmatrizen auf die im Ursprungspunkt befindliche Projektionsebene (E) projiziert werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Verzerrungen anhand der in die im Ursprungspunkt befindlichen Projektionsebene (E) projizierten Abstandsvektoren ermittelt werden.
Kameraanordnung (1) für ein Fahrzeug (2), – umfassend zumindest eine im Fahrzeuginneren angeordnete Kamera (3), – deren optische Achse (X) durch eine Fahrzeugscheibe (5) aus dem Fahrzeuginneren nach außen gerichtet ist, und – umfassend eine Entzerrungseinheit (6) zur Entzerrung eines mittels der Kamera (3) durch die Fahrzeugscheibe (5) erfassten Bildes, dadurch gekennzeichnet, dass – die Entzerrungseinheit (6) ein zwischen einer Optik (4) der Kamera (3) und der Fahrzeugscheibe (5) abgeschlossenes Volumen (V) umfasst, welches mit einem Fluid (F) gefüllt ist.
Kameraanordnung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (F) eine Flüssigkeit oder ein Gel ist.