DE102014206851A1 - Arrangement and method for detecting a one-dimensional position and speed of an object with a camera - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung gibt eine Anordnung zur Erfassung einer eindimensionalen Position und einer eindimensionalen Geschwindigkeit eines bewegbaren Objekts (1) an. Die Anordnung weist auf: – eine in dem Objekt (1) ausgebildete oder an dem Objekt (1) angeordnete Markereinrichtung (2), die ausgebildet ist, die Position und die Geschwindigkeit erfassbar zu machen, – eine die Markereinrichtung (2) erfassende Kameraeinheit (3), die ausgebildet ist, Bilder der Markereinrichtung (2) aufzunehmen, – eine Auswerteeinheit (4), die ausgebildet ist, die Position und die Geschwindigkeit aus den erfassten Bildern zu ermitteln, – einen streifenförmig ausgebildeten ersten Grauwertkeil (5) der Markereinrichtung (2) und – einen streifenförmig ausgebildeten, zu dem ersten Grauwertkeil (5) parallelen zweiten Grauwertkeil (6) der Markereinrichtung (2), – wobei der erste Grauwertkeil (5) einen periodischen ersten Grauwertverlauf und der zweite Grauwertkeil (6) einen periodischen zweiten Grauwertverlauf aufweist. Ein zugehöriges Verfahren wird ebenfalls angegeben. Die Erfindung bietet den Vorteil, mit einem einfachen und kostengünstigen Aufbau unter Einsatz von preiswerten Webcams und Standardbildauswertungsverfahren die Position und die Geschwindigkeit von bewegten Objekten eindimensional zu messen.The invention provides an arrangement for detecting a one-dimensional position and a one-dimensional speed of a movable object (1). The arrangement comprises: a marker device (2) formed in the object (1) or arranged on the object (1) and designed to make the position and the speed detectable, a camera unit detecting the marker device (2) ( 3) which is designed to record images of the marker device (2), - an evaluation unit (4) which is designed to determine the position and the velocity from the acquired images, - a strip-shaped first gray value wedge (5) of the marker device ( 2) and - a strip-shaped second gray scale wedge (6) of the marker device (2) parallel to the first gray scale wedge (5), wherein the first gray scale wedge (5) has a periodic first gray level profile and the second gray scale wedge (6) a periodic second gray level profile having. An associated method is also given. The invention offers the advantage of being able to measure the position and the velocity of moving objects one-dimensionally with a simple and inexpensive construction using inexpensive webcams and standard image evaluation methods.

Description

Gebiet der Erfindung Field of the invention

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Erfassung einer eindimensionalen Position und einer eindimensionalen Geschwindigkeit eines bewegbaren Objekts mittels Bilderfassung und Bildauswertung einer Markereinrichtung. The invention relates to an arrangement and a method for detecting a one-dimensional position and a one-dimensional speed of a movable object by means of image acquisition and image evaluation of a marker device.

Hintergrund der Erfindung Background of the invention

Eine hochgenaue eindimensionale Lokalisierung von Objekten ist für viele Anwendungen eine wichtige Voraussetzung. Beispiele sind die Positionserfassung von

  • – schienengeführten Fahrzeugen,
  • – Fördertechnik oder
  • – bildgebende Geräten, z. B. in der medizinischen Diagnostik.
High-precision one-dimensional localization of objects is an important prerequisite for many applications. Examples are the position detection of
  • - rail-guided vehicles,
  • - Conveyor technology or
  • - Imaging devices, eg. B. in medical diagnostics.

Die Lokalisierung muss dabei eine hohe Genauigkeit während einer Bewegung der Anordnung ermöglichen. Sie muss zudem kostengünstig zu realisieren sein. The localization must allow a high accuracy during movement of the arrangement. It must also be inexpensive to implement.

Die messtechnische Erfassung einer eindimensionalen Position erfolgte bisher je nach Anwendungsfall beispielsweise durch die Verwendung von Potentiometern, Inkrementalgebern, Kamerasystemen oder der Lasermesstechnik. Nur mit einem hohen Aufwand konnten bisher Systeme realisiert werden, die auch während einer Bewegung eine sehr genaue Positionserfassung ermöglichen. The metrological detection of a one-dimensional position was done so far, depending on the application, for example by the use of potentiometers, incremental encoders, camera systems or laser metrology. Until now systems could be realized with a high expenditure, which enable a very exact position detection even during a movement.

Anwendungen von Positionserfassungen gibt es beispielsweise bei der Röntgenbildgebung. In der nachveröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2013 210 543 A1 wird eine Blendenplatte einer Tiefenblende eines Röntgenbildgebungsgeräts mit unterschiedlich ausgebildeten Kodiermarken bzw. Referenzmarken versehen, so dass mittels Sensoren die aktuelle Verschiebeposition der Blendenplatte schnell ermittelbar ist. Etwaige Schrittverluste eines die Blendenplatten bewegenden Schrittmotors werden erkannt und gegebenenfalls korrigiert. Applications of position capturing exist, for example, in X-ray imaging. In the post-published patent application DE 10 2013 210 543 A1 is an aperture plate of a depth stop of an X-ray imaging device provided with differently designed coding marks or reference marks, so that by means of sensors, the current displacement position of the aperture plate can be quickly determined. Any step losses of a stepping motor moving the aperture plates are detected and corrected if necessary.

Zusammenfassung der Erfindung Summary of the invention

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung und ein Verfahren zur Erfassung einer eindimensionalen Position und einer eindimensionalen Geschwindigkeit eines Objekts anzugeben, die sehr genau, robust und kostengünstig sind. It is an object of the invention to provide an arrangement and a method for detecting a one-dimensional position and a one-dimensional speed of an object, which are very accurate, robust and cost-effective.

Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit der Anordnung und der Vorrichtung der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. According to the invention, the stated object is achieved with the arrangement and the device of the independent claims. Advantageous developments are specified in the dependent claims.

Erfindungsgemäß werden die absolute Position und die absolute Geschwindigkeit eines bewegbaren Objekts mit Hilfe der Bilderfassung und der Bildauswertung von mit dem Objekt verbundenen Grauwertkeilen, die periodische Grauwertverläufe aufweisen, ermittelt. Dabei wird insbesondere für die Positionsbestimmung die Phasenlage der Grauwertverläufe zueinander und für die Geschwindigkeitsermittlung die durch Bewegung verursachte Amplitudenreduktion des Grauwertverlaufs ausgewertet. According to the invention, the absolute position and the absolute speed of a movable object are determined with the aid of image acquisition and the image evaluation of gray scale wedges connected to the object, which have periodic gray scale gradients. In this case, in particular for the position determination, the phase position of the gray value profiles is evaluated relative to one another and for the speed determination the amplitude reduction of the gray value profile caused by movement.

Die Erfindung beansprucht eine Anordnung zur Erfassung einer eindimensionalen Position und einer eindimensionalen Geschwindigkeit eines bewegbaren Objekts. Die Anordnung umfasst eine in dem Objekt ausgebildete oder an dem Objekt angeordnete Markereinrichtung, die ausgebildet ist, die Position und die Geschwindigkeit erfassbar zu machen, eine die Markereinrichtung erfassende Kameraeinheit, die ausgebildet ist, Bilder der Markereinrichtung aufzunehmen, eine Auswerteeinheit, die ausgebildet ist, die Position und die Geschwindigkeit aus den erfassten Bildern zu ermitteln, einen streifenförmig ausgebildeten ersten Grauwertkeil der Markereinrichtung und einen streifenförmig ausgebildeten, zu dem ersten Grauwertkeil parallelen zweiten Grauwertkeil der Markereinrichtung, wobei der erste Grauwertkeil einen periodischen ersten Grauwertverlauf und der zweite Grauwertkeil einen periodischen zweiten Grauwertverlauf aufweist. The invention claims an arrangement for detecting a one-dimensional position and a one-dimensional velocity of a movable object. The arrangement comprises a marker device embodied in the object or arranged on the object, which is designed to make the position and the speed detectable, a camera unit which detects the marker device and which is configured to generate images of the marker device An evaluation unit, which is designed to determine the position and the speed of the detected images, a strip-shaped first gray value wedge of the marker device and a strip-shaped, parallel to the first gray scale wedge second gray value wedge of the marker device, wherein the first gray value wedge a periodic first gray level profile and the second gray value wedge has a periodic second gray level profile.

Die Erfindung beansprucht auch eine Anordnung zur Erfassung einer eindimensionalen Position und einer eindimensionalen Geschwindigkeit eines bewegbaren Objekts. Die Anordnung umfasst eine Markereinrichtung, die ausgebildet ist, die Position und die Geschwindigkeit erfassbar zu machen, eine die Markereinrichtung erfassende, auf dem Objekt angeordnete Kameraeinheit, die ausgebildet ist, Bilder der Markereinrichtung aufzunehmen, eine Auswerteeinheit, die ausgebildet ist, die Position und die Geschwindigkeit aus den erfassten Bildern zu ermitteln, einen streifenförmig ausgebildeten ersten Grauwertkeil der Markereinrichtung und einen streifenförmig ausgebildeten, zu dem ersten Grauwertkeil parallelen zweiten Grauwertkeil der Markereinrichtung, wobei der erste Grauwertkeil einen periodischen ersten Grauwertverlauf und der zweite Grauwertkeil einen periodischen zweiten Grauwertverlauf aufweist. The invention also claims an arrangement for detecting a one-dimensional position and a one-dimensional velocity of a movable object. The arrangement comprises a marker device which is designed to make the position and the speed detectable, a camera unit which detects the marker device and which is arranged to receive images of the marker device, an evaluation unit which is designed to record the position and the Determine speed from the captured images, a strip-shaped first gray value wedge of the marker device and a strip-shaped, parallel to the first gray value wedge second gray value wedge of the marker device, wherein the first gray value wedge has a periodic first gray level profile and the second gray value wedge a periodic second gray level profile.

Die Erfindung bietet den Vorteil, mit einem einfachen und kostengünstigen Aufbau unter Einsatz von preiswerten Webcams und Standardbildauswertungsverfahren die Position und die Geschwindigkeit von bewegten Objekten eindimensional zu messen. Die Grauwertkeile können mit Standarddruckern erstellt werden. The invention offers the advantage of being able to measure the position and the velocity of moving objects one-dimensionally with a simple and inexpensive construction using inexpensive webcams and standard image evaluation methods. The gray value wedges can be created with standard printers.

In einer Weiterbildung der Erfindung sind der erste Grauwertverlauf sinusförmig mit einer ersten Wellenlänge und der zweite Grauwertverlauf sinusförmig mit einer zweiten Wellenlänge ausgebildet. In a further development of the invention, the first gray value curve is formed sinusoidally with a first wavelength and the second gray level curve is formed sinusoidally with a second wavelength.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Anzahl der den ersten Grauwertkeil bildenden ersten Wellenlängen um eins größer als die Anzahl der den zweiten Grauwertkeil bildenden zweiten Wellenlängen. Dadurch ist eine absolute Positionsbestimmung möglich. In a further embodiment, the number of first wavelengths forming the first gray value wedge is greater by one than the number of second wavelengths forming the second gray value wedge. As a result, an absolute position determination is possible.

In einer weiteren Ausbildung ist die erste Wellenlänge derart gewählt, dass ein bis zwei erste Wellenlängen in dem Bild der Kameraeinheit darstellbar sind. Dadurch ist sichergestellt, dass es bei einer Bewegung nicht zu nicht-rekonstruierbaren Überlagerungen kommt. In a further embodiment, the first wavelength is selected such that one to two first wavelengths can be displayed in the image of the camera unit. This ensures that a movement does not lead to non-reconstructable overlays.

In einer Weiterbildung umfasst die Anordnung einen zu dem ersten Grauwertkeil parallelen ersten Referenzstreifen, der ausgebildet ist, einen dunkelsten Grauwert anzugeben, und einen zu dem ersten Grauwertkeil parallelen zweiten Referenzstreifen der ausgebildet ist, einen hellsten Grauwert anzugeben. In a development, the arrangement comprises a first reference strip parallel to the first gray value wedge and configured to indicate a darkest gray value, and a second reference strip parallel to the first gray value wedge and designed to indicate a brightest gray value.

In einer weiteren Ausführungsform ist der erste Referenzstreifen schwarz und der zweite Referenzstreifen weiß. In a further embodiment, the first reference strip is black and the second reference strip is white.

Des Weiteren kann die Anordnung einen zum ersten Grauwertkeil parallelen Codiermusterstreifen aufweisen, der entlang seiner Bewegungsrichtung Quadrate mit einem aus Punkten gebildeten Code aufweist. Furthermore, the arrangement may have a coding pattern strip parallel to the first gray value wedge, which has squares with a code formed by dots along its direction of movement.

Außerdem kann die Markereinrichtung aus einem bedruckten Band bestehen, das entlang der Bewegungsrichtung des Objekts angeordnet ist. In addition, the marker means may consist of a printed tape arranged along the direction of movement of the object.

Die Erfindung gibt auch ein Verfahren zur Erfassung einer eindimensionalen Position und einer eindimensionalen Geschwindigkeit eines bewegbaren Objekts an, wobei aus einem in Bewegungsrichtung des Objekts angeordneten ersten und einem zweiten Grauwertkeil mit einem periodischen ersten Grauwertverlauf oder einem periodischen zweiten Grauwertverlauf mittels Bilderfassung und Bildauswertung die Position und die Geschwindigkeit ermitteln. The invention also provides a method for detecting a one-dimensional position and a one-dimensional velocity of a movable object, wherein from a arranged in the direction of movement of the object first and a second gray value wedge with a periodic first gray value progression or a periodic second gray level profile by means of image acquisition and image analysis, the position and determine the speed.

In einer Weiterbildung des Verfahrens sind der erste Grauwertverlauf sinusförmig mit einer ersten Wellenlänge und der zweite Grauwertverlauf sinusförmig mit einer zweiten Wellenlänge ausgebildet. In a further development of the method, the first gray value profile is formed sinusoidally with a first wavelength and the second gray value profile is sinusoidal with a second wavelength.

Des Weiteren kann die Bildauswertung den Görtzel-Algorithmus aufweisen, durch den der periodische erste und zweite Grauwertverlauf rekonstruiert werden. Furthermore, the image analysis can have the Görtzel algorithm, by which the periodic first and second gray level characteristics are reconstructed.

Außerdem kann aus der Phasenlage des ersten Grauwertverlaufs zu dem zweiten Grauwertverlauf die Position ermittelt werden. In addition, the position can be determined from the phase position of the first gray level profile to the second gray level profile.

In einer Weiterbildung wird aus der Amplitude und Phase des ersten Grauwertverlaufs und/oder des zweiten Grauwertverlaufs die Geschwindigkeit ermittelt. In a development, the speed is determined from the amplitude and phase of the first gray value profile and / or of the second gray value profile.

In einer weiteren Ausbildung wird mittels des Rolling-Shutter Effekts einer die Bilderfassung ausführenden digitalen Kamera aus der durch Bewegung verursachten Bildverzerrung die Geschwindigkeit ermittelt. In a further embodiment, the speed is determined by means of the rolling shutter effect of a digital camera executing the image acquisition from the image distortion caused by movement.

Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich. Other features and advantages of the invention will become apparent from the following explanations of an embodiment with reference to schematic drawings.

Es zeigen: Show it:

1: ein Blockschaltbild einer Anordnung mit einer Markereinrichtung, 1 FIG. 3 is a block diagram of an arrangement with a marker device, FIG.

2: eine Aufsicht auf eine Markereinrichtung, 2 : a top view of a marker device,

3: ein Schaubild der Transferfunktionen eindimensionaler Rechteckfilter, 3 FIG. 2: a diagram of the transfer functions of one-dimensional rectangular filters,

4: ein Schaubild von Graustufenverläufen mit und ohne Bewegung, 4 : a graph of gray scale gradients with and without movement,

5: zwei Schaubilder von gemessenen Graustufenverläufen mit und ohne Bewegung und 5 Two graphs of measured grayscale gradients with and without motion and

6: eine Ansicht einer bewegten Markereinrichtung mit Rolling-Shutter Effekt. 6 : A view of a moving marker device with rolling shutter effect.

Detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels Detailed description of an embodiment

1 zeigt ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Erfassung einer eindimensionalen Position und einer eindimensionalen Geschwindigkeit eines bewegbaren Objekts 1. Im einfachsten Fall weist das Objekt 1 eine Kameraeinheit 3 und eine damit datenübertragungsmäßig verbundene Auswerteeinheit 4 auf. Optional kann die Auswerteeinheit 4 über eine Funkschnittstelle vom Objekt 1 entfernt angeordnet sein. Das Objekt 1 bewegt sich eindimensional in der Bewegungsrichtung 11. 1 shows a block diagram of an arrangement for detecting a one-dimensional position and a one-dimensional velocity of a movable object 1 , In the simplest case, the object indicates 1 a camera unit 3 and an evaluation unit connected thereto in terms of data transmission 4 on. Optionally, the evaluation unit 4 via a radio interface from the object 1 be located away. The object 1 moves one-dimensionally in the direction of movement 11 ,

Parallel zur Bewegungsrichtung 11 ist eine Markereinrichtung 2 angeordnet, die im einfachsten Fall als Band ausgebildet ist. Die Markereinrichtung 2 weist erfindungsgemäße Muster auf, die von der Kameraeinheit 3 als Bilder aufgenommen werden. Mittels einer Bildverarbeitung in der Auswerteeinheit 4 werden die Muster analysiert und daraus die absolute Position und die absolute Geschwindigkeit des Objekt 1 in einer Dimension ermittelt. Das Objekt 1 und die Markereinrichtung 2 können beispielsweise ein Teil einer bildgebenden medizintechnischen Anlage sein. Parallel to the direction of movement 11 is a marker device 2 arranged, which is formed in the simplest case as a band. The marker device 2 has inventive pattern, the of the camera unit 3 as pictures are taken. By means of image processing in the evaluation unit 4 The patterns are analyzed and from this the absolute position and the absolute speed of the object 1 determined in one dimension. The object 1 and the marker device 2 For example, they may be part of an imaging medical device.

Es ist auch möglich, die Markereinrichtung auf dem bewegbaren Objekt 1 anzubringen und die Kameraeinheit 3 und die Auswerteeinheit 4 unbewegt zu lassen. Bei den weiteren Überlegungen kommt es lediglich auf die Relativbewegung an. It is also possible to use the marker device on the movable object 1 to install and the camera unit 3 and the evaluation unit 4 to leave unmoved. In the further considerations, it depends only on the relative movement.

2 zeigt einen Ausschnitt einer Markereinrichtung 2, die in einer Anordnung nach 1 Verwendung finden kann. Die Markereinrichtung 2 besteht beispielsweise aus einem gedruckten Band, das in Bewegungsrichtung 11 des Objekts angeordnet ist. Die Markereinrichtung weist einen streifenförmigen ersten Garstufenkeil 5 und einen dazu parallelen streifenförmigen zweiten Graustufenkeil 6 auf, mit deren Hilfe die Position und die Geschwindigkeit in einer Dimension ermittelt werden können. Die Grauwertkeile 5 und 6 kodieren die Distanz über die komplette Länge einer Bewegung. 2 shows a section of a marker device 2 Following in an order 1 Can be used. The marker device 2 For example, it consists of a printed band in the direction of movement 11 of the object is arranged. The marker device has a strip-shaped first cooking step wedge 5 and a strip-like second gray scale wedge parallel thereto 6 which can be used to determine position and velocity in one dimension. The gray value wedges 5 and 6 encode the distance over the complete length of a movement.

Der erste Graustufenkeil 5 weist einen sinusförmigen ersten Grauwertverlauf (Helligkeitsverlauf) auf. Der zweite Graustufenverlauf weist einen sinusförmigen zweiten Grauwertverlauf (Helligkeitsverlauf) auf. Der erste Graustufenverlauf hat eine erste Wellenlänge λ1 und der zweite Graustufenverlauf eine zweite Wellenlänge λ2. Die beiden Wellenlängen λ1 und λ2 sind so gewählt, dass ein bis zwei Wellenlängen (= Wellenzahl) in ein erfasstes Bild einer Kamera passen. Beträgt die Bildbreite beispielsweise 300 Pixel, dann sind die Wellenlängen 150 bis 300 Pixel groß. The first grayscale wedge 5 has a sinusoidal first gray value curve (brightness curve). The second gray scale profile has a sinusoidal second gray level profile (brightness profile). The first gray scale profile has a first wavelength λ 1 and the second gray scale profile has a second wavelength λ 2 . The two wavelengths λ 1 and λ 2 are selected so that one to two wavelengths (= wavenumber) fit into a captured image of a camera. For example, if the image width is 300 pixels, then the wavelengths are 150 to 300 pixels.

Um die absolute Position eindeutig ermitteln zu können, darf die Phasenlage zwischen dem ersten Graustufenkeil 5 und dem zweiten Graustufenkeil 6 über eine gesamte Messlänge nicht mehrdeutig sein. Daher werden die erste und die zweite Wellenlänge λ1, λ2 leicht unterschiedlich gewählt, so dass über die Messlänge die Anzahl der ersten Wellenlängen λ1 um eins größer ist als die Anzahl der zweiten Wellenlängen λ2. Bei einer Überlagerung des ersten mit dem zweiten Graustufenverlauf ergibt sich dann eine Schwebung, deren Schwebungswellenlänge λS etwa so groß wie die Messlänge ist.

Figure DE102014206851A1_0002
In order to determine the absolute position clearly, the phase position between the first grayscale wedge 5 and the second grayscale wedge 6 be ambiguous over a whole measuring length. Therefore, the first and the second wavelength λ 1 , λ 2 are slightly different, so that over the measuring length, the number of first wavelengths λ 1 is one greater than the number of second wavelengths λ 2 . In a superimposition of the first with the second gray scale profile then results in a beat whose beat wavelength λ S is about as large as the measuring length.
Figure DE102014206851A1_0002

Um den dunkelsten und den hellsten Graustufenwert in jedem erfassten Bild exakt ermitteln zu können, weist die Markereinrichtung 2 über die Messlänge noch einen schwarzen ersten Referenzstreifen 8 und eine weißen zweiten Referenzstreifen 9 auf, die beide parallel zu den Graustufenkeilen 5 und 6 ausgebildet sind. Der weiße und schwarze Streifen 8, 9 garantieren, dass Minimal- und Maximalwert zu jeder Zeit aus einer beliebigen Bildaufnahme zu bestimmen sind. Grundgedanke ist hierbei, dass eine lineare Umrechnung zwischen Grauwert und Distanz möglich ist. In order to accurately determine the darkest and the brightest grayscale value in each captured image, the marker means 2 over the measuring length still a black first reference strip 8th and a white second reference strip 9 on, both parallel to the grayscale wedges 5 and 6 are formed. The white and black stripes 8th . 9 guarantee that minimum and maximum value at any time from one Any image acquisition are to be determined. The basic idea here is that a linear conversion between gray value and distance is possible.

Optional kann die Position auch mit Markern eines Codiermusterstreifens 10 ermittelt werden. Als Marker stehen aus Gründen der Recheneffizienz geometrische Primitive wie Quadrate oder Kreise zur Auswahl. Beispielsweise bestehen die Marker aus sechszehn schwarzen quadratischen Elementen, die durch einen schwarzen Rahmen eingefasst sind. Jeder Marker stellt eine binäre Information dar. Mit 16 Elementen ergeben sich damit 65536 mögliche Kombinationen. Diese können ohne großen Rechenaufwand detektiert werden. Die Berechnung des Mittelpunktes und der Ausrichtung bei Quadraten ist sehr einfach umzusetzen. Optionally, the position may also be with markers of a coding pattern strip 10 be determined. For reasons of computational efficiency, geometric primitives such as squares or circles are available as markers. For example, the markers consist of sixteen black square elements framed by a black frame. Each marker represents a binary information. With 16 elements this results in 65536 possible combinations. These can be detected without much computational effort. The calculation of the center and the alignment of squares is very easy to implement.

Die absolute Position jedes Quadrats ist vorab bekannt und kann über eine Formel errechnet werden. Der Systemoffset ist ein fester Abstand und wird bei der Kalibrierung des Messsystems bestimmt. Im Kamerabild werden die Marker detektiert und die Pixelkoordinaten der Mittelpunkte bestimmt. Aus den Koordinaten der Mittelpunkte und der horizontalen Ortsauflösung der Kamera kann die eindeutige Systemposition errechnet werden. Diese wird für alle in einem Bild detektierten Marker errechnet und anschließend gemittelt. Zur Plausibilisierung wird überprüft, ob die detektierten Marker in einer fortlaufenden Sequenz liegen. The absolute position of each square is known in advance and can be calculated using a formula. The system offset is a fixed distance and is determined during calibration of the measuring system. The markers are detected in the camera image and the pixel coordinates of the center points are determined. From the coordinates of the centers and the horizontal spatial resolution of the camera, the unique system position can be calculated. This is calculated for all markers detected in an image and then averaged. For plausibility checking, it is checked whether the detected markers lie in a continuous sequence.

Für die Detektion der Marker können Funktionen einer OpenCV-Bibliothek verwendet werden. Hierbei wird das Kamerabild in ein Binärbild umgewandelt und anschließend die im Bild befindlichen Marker über ihre Form (Quadrat) gesucht. Die Decodierung der gefundenen Marker erfolgt über eine implementierte, möglichst einfach gehaltene Funktion. Bei dieser wird in einem Teil des Binärbilds durch eine Suchmaske nach den Elementen im Marker gesucht, um diesen zu identifizieren. Functions of an OpenCV library can be used for the detection of the markers. Here, the camera image is converted into a binary image and then the markers located in the image are searched for their shape (square). The decoding of the found markers takes place via an implemented, as simple as possible function. Here, in a part of the binary image, a search mask searches for the elements in the marker to identify it.

Bei einer Bewegung während einer Bildaufnahme mit einer Kamera entsteht Bewegungsunschärfe. Das verwendete Bewegungsmodell ist eindimensional. Bei einer kontinuierlichen Bewegung ist der Unschärfeeffekt vergleichbar mit der Anwendung eines 1D-Rechteckfilters. Allerdings ist die Rauschunterdrückung nicht gegeben, da kameraspezifische Fehlerquellen (z. B. Dunkelrauschen) damit nicht geglättet werden können. Je nach Geschwindigkeit ist die Breite des Rechteckfilters definiert als: R1xn = [1 1 1...1]/n (2) wobei n die Anzahl der Pixel angibt, um die das Bild während der Aufnahme verschoben wird. Moving while shooting with a camera creates motion blur. The movement model used is one-dimensional. In a continuous motion, the blur effect is similar to using a 1D rectangular filter. However, the noise reduction is not given because camera-specific sources of error (eg dark noise) can not be smoothed with it. Depending on the speed, the width of the rectangular filter is defined as: R 1xn = [1 1 1 ... 1] / n (2) where n is the number of pixels by which the image is shifted during recording.

Die Transferfunktion dieses Filters ergibt sich mittels diskreter Fouriertransformation zu: R1xn = sin(πnκ/2) / (n·sin(πκ/2) (3) wobei κ die Wellenzahl darstellt: The transfer function of this filter is obtained by means of discrete Fourier transformation to: R 1xn = sin (πnκ / 2) / (n · sin (πκ / 2) (3) where κ represents the wavenumber:

3 zeigt ein Schaubild von Transferfunktionen unterschiedlicher Geschwindigkeiten. Das Dämpfungsverhalten von Rechteckfiltern zeigt deutliche Oszillationen. Der Pixelversatz während einer Blendenöffnung der Kamera ist für vier Fälle simuliert. Ein monofrequentes Signal mit genau drei Abtastwerten pro Periode, wird komplett unterdrückt. 3 shows a graph of transfer functions of different speeds. The attenuation behavior of rectangular filters shows significant oscillations. The pixel offset during an aperture of the camera is simulated for four cases. A monofrequent signal with exactly three samples per period is completely suppressed.

Für eine Rekonstruktion eines Signals muss daher sein erster Nulldurchgang vom ersten Nulldurchgang der Transferfunktion genügend Abstand einhalten. Die zugehörige Bildfrequenz bei einer sehr schnellen Bewegung mit 50 Pixel (Bildpunkte) Versatz während der Blendenöffnung der Kamera und einer Bildbreite b = 320 entspricht: f = 320/50b–1 ~ 6,4b–1. (4) For a reconstruction of a signal, therefore, its first zero crossing from the first zero crossing of the transfer function must be sufficiently spaced. The associated frame rate during a very fast movement with 50 pixels (pixel) offset during the aperture of the camera and a picture width b = 320 corresponds to: f = 320 / 50b -1 ~6.4b -1 . (4)

Maximal sechs Mal darf sich daher die höchste Frequenz eines Musters wiederholen, damit es bei der angenommenen Geschwindigkeit rekonstruierbar bleibt. Therefore, the highest frequency of a pattern must be repeated a maximum of six times so that it can be reconstructed at the assumed speed.

Für die Spektralanalyse einer Zeitreihe wird in der Regel die diskrete Fourier-Analyse eingesetzt. In dem vorliegenden Fall ist aber die verwendete Frequenz genau bekannt. Gesucht werden lediglich die Amplitude und die Phasenverschiebung einer Frequenz. Dies lässt sich effizient mit dem Görtzel-Algorithmus berechnen. Mit N Abtastwerten ist eine Zeitreihe {x(k)|k = 1...N} wie folgt zu rekonstruieren: wn(k) = x(k) + 2cos(2πn/N) × wn(k – 1) – wn(k – 2) (5) yn(n) = wn(N) – e–f2πn/N × wn(N – 1) (6) wobei yn(n) den rekonstruierten komplexen Zeiger der spezifischen Frequenz darstellt. 4 zeigt diesen Zusammenhang in einem Schaubild. Zu sehen sind ein Sinussignal ohne Bewegung n = 0 mit Amplitude 1 und dasselbe Sinussignal mit einer Bewegung n = 50. For spectral analysis of a time series, the discrete Fourier analysis is usually used. In the present case, however, the frequency used is precisely known. We are only looking for the amplitude and the phase shift of a frequency. This can be calculated efficiently with the Görtzel algorithm. With N samples, a time series {x (k) | k = 1 ... N} is to be reconstructed as follows: w n (k) = x (k) + 2 cos (2πn / N) × w n (k - 1) - w n (k - 2) (5) n y (n) = w n (N) - e -f2πn / N × n w (N - 1) (6) where y n (n) represents the reconstructed complex frequency-specific pointer. 4 shows this relationship in a diagram. You can see a sine signal without motion n = 0 with amplitude 1 and the same sine signal with a motion n = 50.

Bei einer gleichförmigen Bewegung, die n = 50 Pixel Versatz während der Blendenöffnung aufweist, ergibt sich mit dem Görtzel-Algorithmus eine Dämpfung von 0,675. Aus dieser Amplitudenreduktion und der Phasenverschiebung lässt sich die Geschwindigkeit während der Aufnahme rechnerisch mit Hilfe der Gleichungen (5) und (6) rekonstruieren. For a uniform motion that has n = 50 pixel skew during the aperture, the Görtzel algorithm yields an attenuation of 0.675. From this amplitude reduction and the phase shift, the velocity during recording can be reconstructed mathematically using equations (5) and (6).

5 zeigt zwei Schaubilder A und B von gemessenen sinusförmigen Grauwertverläufen (Helligkeitsverläufen) von Grauwertkeilen, die mit unterschiedlichen Druckern gedruckt wurden. Die Kurve K1 zeigt den gemessenen Grauwertverlauf und die Kurve K2 den mit Hilfe des Görtzel-Alghorithmus aus der Kurve K1 rekonstruierten Grauwertverlauf. Das Schaubild A zeigt den Grauwertverlauf eines Laserdruckers und Schaubild B den Grauwertverlauf eines Tintenstrahldruckers. Zu erkennen sind bei den Kurven K1 Nichtlinearitäten im Grauwertverlauf infolge der nichtlinearen Kennlinien von Druckern.. 5 shows two graphs A and B of measured sinusoidal gray scale gradients (brightness gradients) of gray scale wedges printed with different printers. The curve K1 shows the measured gray value profile and the curve K2 the gray value profile reconstructed from the curve K1 with the aid of the Görtzel algorithm. Diagram A shows the gray value curve of a laser printer and diagram B shows the gray level profile of an inkjet printer. The curves K1 show nonlinearities in the gray value curve due to the nonlinear characteristics of printers.

Deutlich zu sehen ist, dass die Kennlinie eines Grauwertkeils auf Basis des Grauwertverlaufs rekonstruiert werden kann. Phasen und Amplituden beider Sinussignale K1 sind mit dem Görtzelfilter robust zu ermitteln. Da die Phasenlage eines Sinussignals keine absolute Lokalisierung zulässt, muss dieses Verfahren mit weiteren Maßnahmen kombiniert werden, beispielsweise wie zu 2 beschrieben durch die Verwendung eines ersten und eines zweiten Grauwertkeils 5, 6. It can clearly be seen that the characteristic of a gray value wedge can be reconstructed on the basis of the gray value curve. Phases and amplitudes of both sinusoidal signals K1 can be determined robustly with the Görtzelfilter. Since the phase of a sinusoidal signal does not allow absolute localization, this method must be combined with other measures, such as 2 described by the use of a first and a second gray value wedge 5 . 6 ,

6 zeigt die Folgen einer Bewegung der Markereinrichtung 2 nach 2. Die Bewegung der Kamera bzw. der Markereinrichtung 2 während einer Messung erschwert die Muster-Lokalisierung. Neben einer Bewegungsunschärfe tritt bei manchen Kameras der sogenannte Rolling-Shutter-Effekt auf. 6 shows the consequences of a movement of the marker device 2 to 2 , The movement of the camera or the marker device 2 during a measurement makes pattern localization difficult. In addition to a motion blur occurs in some cameras, the so-called rolling-shutter effect.

Der Rolling-Shutter-Effekt ist ein Lagefehler in Abbildungen, der durch ein technisches Phänomen bei der zeilen- oder spaltenweisen fotografischen Aufnahme von bewegten Bildern auftreten kann. Es erscheint zunächst selbstverständlich, dass die Belichtung aller Punkte des lichtempfindlichen Sensors einer digitalen Kamera zum exakt gleichen Zeitpunkt beginnt. Es gibt aber Kameras, bei denen das bauartbedingt nicht für die gesamte Fläche zutrifft. Dort muss man sich vielmehr eine "Linie gleichzeitigen Belichtungsstarts" vorstellen, die entweder zeilenweise oder spaltenweise über den Sensor wandert, wofür eine zwar nur kurze, aber doch nicht zu vernachlässigende Zeit benötigt wird. The rolling shutter effect is a positional error in images that may occur due to a technical phenomenon in the line-by-line or column-wise photographic shooting of moving images. It first appears obvious that the exposure of all points of the photosensitive sensor of a digital camera begins at exactly the same time. But there are cameras where the design does not apply to the entire surface. There, one has to imagine a "line of simultaneous exposure starts", which moves either line by line or column by column over the sensor, for which a short but nevertheless not negligible time is needed.

Solange das Motiv unbewegt ist, werden auch bei solchen Kameras alle Bildpunkte an ihrer korrekten Position belichtet, unabhängig davon, wann die entsprechenden Punkte belichtet wurden. Werden jedoch Aufnahmen eines bewegten Motivs, oder mit bewegter Kamera, mit nacheinander belichteten Zeilen aufgenommen, werden Objekte an ihrem momentanen Ort abgebildet. Da die Abbildung zeilenweise erfolgt, hat sich das Objekt von einer zur nächsten Zeile schon so weit bewegt, dass bei einer Zusammensetzung aller Zeilen ein Objekt zur Darstellung kommt, das nicht als Ganzes auf einmal abgebildet wurde, sondern zeilenweise zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Eine gerade Linie des Motivs kann bei einem Kameraschwenk oder einem bewegten Motiv (entsprechend den nacheinander folgenden einzelnen Zeilen) krumm oder verzerrt abgebildet werden. As long as the subject is motionless, even with such cameras, all pixels are exposed at their correct position, regardless of when the corresponding points were exposed. However, when taking pictures of a moving subject, or moving camera, with consecutively exposed lines, objects are displayed in their current location. Since the mapping is done line by line, the object has already moved from one line to the next, so that in the case of a composition of all lines, an object is displayed that was not displayed as a whole at once, but at different times line by line. A straight line of the subject can be crooked or distorted with a camera pan or a moving subject (corresponding to the successive individual lines).

Bei Digitalkameras tritt der Rolling-Shutter Effekt typischerweise bei Bildwandlern in CMOS-Sensor-Technik auf, da diese in der Regel nur eine zeilen- beziehungsweise spaltenweise Signalauswertung zulassen. In the case of digital cameras, the rolling shutter effect typically occurs in the case of image sensors in CMOS sensor technology, since these generally allow only one line or column-wise signal evaluation.

6 zeigt die dadurch verursachte Verzerrung des Gesamtbildes (zeilenabhängige Verschiebung). Der Rolling-Shutter Effekt kann aber zur Bestimmung der Geschwindigkeit verwendet werden. Dazu muss lediglich die Verzerrung in Bewegungsrichtung 11 während der Blendenöffnungszeit ermittelt werden. 6 shows the resulting distortion of the overall picture (line-dependent shift). The rolling shutter effect can be used to determine the speed. All that needs to be done is the distortion in the direction of movement 11 during the shutter opening time.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1
Objekt object
2 2
Markereinrichtung Marker device
3 3
Kameraeinheit camera unit
4 4
Auswerteeinheit evaluation
5 5
erster Grauwertkeil first gray value wedge
6 6
zweiter Grauwertkeil erster/zweiter Grauwertverlauf second gray value wedge first / second gray value curve
8 8th
erster Referenzstreifen (schwarz) first reference strip (black)
9 9
zweiter Referenzstreifen (weiß) second reference strip (white)
10 10
Codiermustersteifen Codiermustersteifen
11 11
Bewegungsrichtung des Objekts 1 Direction of movement of the object 1
K1 K1
Kurve der Messwerte des Grauwertverlaufs Curve of the measured values of the gray value curve
K2 K2
Kurve des rekonstruierten Grauwertverlaufs Curve of the reconstructed gray value curve
n n
Versatz der Pixel während der Blendenöffnung der Kameraeinheit 3 Offset of the pixels during the aperture of the camera unit 3
λ1 λ 1
erste Wellenlänge first wavelength
λ2 λ 2
zweite Wellenlänge second wavelength
λS λ S
Schwebungswellenlänge Beat wavelength

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102013210543 A1 [0005] DE 102013210543 A1 [0005]

Claims (15)

Anordnung zur Erfassung einer eindimensionalen Position und einer eindimensionalen Geschwindigkeit eines bewegbaren Objekts (1), aufweisend: – eine in dem Objekt (1) ausgebildete oder an dem Objekt (1) angeordnete Markereinrichtung (2), die ausgebildet ist, die Position und die Geschwindigkeit erfassbar zu machen, – eine die Markereinrichtung (2) erfassende Kameraeinheit (3), die ausgebildet ist, Bilder der Markereinrichtung (2) aufzunehmen, und – eine Auswerteeinheit (4), die ausgebildet ist, die Position und die Geschwindigkeit aus den erfassten Bildern zu ermitteln, gekennzeichnet durch: – einen streifenförmig ausgebildeten ersten Grauwertkeil (5) der Markereinrichtung (2) und – einen streifenförmig ausgebildeten, zu dem ersten Grauwertkeil (5) parallelen zweiten Grauwertkeil (6) der Markereinrichtung (2), – wobei der erste Grauwertkeil (5) einen periodischen ersten Grauwertverlauf und der zweite Grauwertkeil (6) einen periodischen zweiten Grauwertverlauf aufweist. Arrangement for detecting a one-dimensional position and a one-dimensional velocity of a movable object ( 1 ), comprising: - one in the object ( 1 ) or on the object ( 1 ) arranged marker device ( 2 ), which is designed to make the position and the speed detectable, - the marker device ( 2 ) detecting camera unit ( 3 ), which is designed to store images of the marker device ( 2 ), and - an evaluation unit ( 4 ), which is designed to determine the position and the speed from the acquired images, characterized by: - a strip-shaped first gray value wedge ( 5 ) of the marker device ( 2 ) and - a strip-shaped, to the first gray value wedge ( 5 ) parallel second gray value wedge ( 6 ) of the marker device ( 2 ), - wherein the first gray value wedge ( 5 ) a periodic first gray value curve and the second gray value wedge ( 6 ) has a periodic second gray level profile. Anordnung zur Erfassung einer eindimensionalen Position und einer eindimensionalen Geschwindigkeit eines bewegbaren Objekts (1), aufweisend: – eine Markereinrichtung (2), die ausgebildet ist, die Position und die Geschwindigkeit erfassbar zu machen, – eine die Markereinrichtung (2) erfassende, auf dem Objekt (1) angeordnete Kameraeinheit (3), die ausgebildet ist, Bilder der Markereinrichtung (2) aufzunehmen, und – eine Auswerteeinheit (4), die ausgebildet ist, die Position und die Geschwindigkeit aus den erfassten Bildern zu ermitteln, gekennzeichnet durch: – einen streifenförmig ausgebildeten ersten Grauwertkeil (5) der Markereinrichtung (2) und – einen streifenförmig ausgebildeten, zu dem ersten Grauwertkeil (5) parallelen zweiten Grauwertkeil (6) der Markereinrichtung (2), – wobei der erste Grauwertkeil (5) einen periodischen ersten Grauwertverlauf und der zweite Grauwertkeil (6) einen periodischen zweiten Grauwertverlauf aufweist. Arrangement for detecting a one-dimensional position and a one-dimensional velocity of a movable object ( 1 ), comprising: - a marker device ( 2 ), which is designed to make the position and the speed detectable, - the marker device ( 2 ) on the object ( 1 ) arranged camera unit ( 3 ), which is designed to store images of the marker device ( 2 ), and - an evaluation unit ( 4 ), which is designed to determine the position and the speed from the acquired images, characterized by: - a strip-shaped first gray value wedge ( 5 ) of the marker device ( 2 ) and - a strip-shaped, to the first gray value wedge ( 5 ) parallel second gray value wedge ( 6 ) of the marker device ( 2 ), - wherein the first gray value wedge ( 5 ) a periodic first gray value curve and the second gray value wedge ( 6 ) has a periodic second gray level profile. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Grauwertverlauf sinusförmig mit einer ersten Wellenlänge und der zweite Grauwertverlauf sinusförmig mit einer zweiten Wellenlänge sind. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the first gray value curve is sinusoidal with a first wavelength and the second gray value curve is sinusoidal with a second wavelength. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der den ersten Grauwertkeil bildenden ersten Wellenlängen (λ1) um eins größer ist als die Anzahl der den zweiten Grauwertkeil bildenden zweiten Wellenlängen (λ2). Arrangement according to claim 3, characterized in that the number of the first gray scale wedge forming first wavelengths (λ 1 ) is greater by one than the number of the second gray value wedge forming second wavelengths (λ 2 ). Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wellenlänge (λ1) derart gewählt wird, dass ein bis zwei erste Wellenlängen (λ1) in dem Bild der Kameraeinheit (3) darstellbar sind. Arrangement according to claim 4, characterized in that the first wavelength (λ 1 ) is selected such that one to two first wavelengths (λ 1 ) in the image of the camera unit ( 3 ) are representable. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch: – einen zu dem ersten Grauwertkeil (5) parallelen ersten Referenzstreifen (8), der ausgebildet ist, einen dunkelsten Grauwert anzugeben, und – einen zu dem ersten Grauwertkeil (5) parallelen zweiten Referenzstreifen (9) der ausgebildet ist, einen hellsten Grauwert anzugeben. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized by: - one to the first gray value wedge ( 5 ) parallel first reference strip ( 8th ), which is designed to indicate a darkest gray value, and - one to the first gray value wedge ( 5 ) parallel second reference strip ( 9 ) which is designed to indicate a brightest gray value. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Referenzstreifen (8) schwarz und der zweite Referenzstreifen (9) weiß ist. Arrangement according to claim 6, characterized in that the first reference strip ( 8th ) black and the second reference strip ( 9 ) is white. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch: – einen zum ersten Grauwertkeil (5) parallelen Codiermusterstreifen (10), der entlang seiner Bewegungsrichtung (11) Quadrate mit einem aus Punkten gebildeten Code aufweist. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized by: - a first gray value wedge ( 5 ) parallel coding pattern strips ( 10 ), which along its direction of movement ( 11 ) Has squares with a code formed by dots. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Markereinrichtung (2) aus einem bedruckten Band besteht, das entlang der Bewegungsrichtung (11) des Objekts (1) angeordnet ist. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the marker device ( 2 ) consists of a printed tape, which along the direction of movement ( 11 ) of the object ( 1 ) is arranged. Verfahren zur Erfassung einer eindimensionalen Position und einer eindimensionalen Geschwindigkeit eines bewegbaren Objekts (1), dadurch gekennzeichnet, dass aus einem in Bewegungsrichtung (11) des Objekts (1) angeordneten ersten und zweiten Grauwertkeil (5, 6) mit einem periodischen ersten Grauwertverlauf und einem periodischen zweiten Grauwertverlauf mittels Bilderfassung und Bildauswertung die Position und die Geschwindigkeit ermittelt werden. Method for detecting a one-dimensional position and a one-dimensional velocity of a movable object ( 1 ), characterized in that from one in the direction of movement ( 11 ) of the object ( 1 ) arranged first and second gray value wedge ( 5 . 6 ) are determined with a periodic first gray level course and a periodic second gray level profile by means of image acquisition and image evaluation, the position and the speed. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Grauwertverlauf sinusförmig mit einer ersten Wellenlänge (λ1) und der zweite Grauwertverlauf sinusförmig mit einer zweiten Wellenlänge (λ2) sind. A method according to claim 10, characterized in that the first gray value curve is sinusoidal with a first wavelength (λ 1 ) and the second gray level curve sinusoidal with a second wavelength (λ 2 ). Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildauswertung den Görtzel-Algorithmus aufweist, mit dessen Hilfe der periodische erste und zweite Grauwertverlauf (K2) rekonstruiert werden. A method according to claim 10 or 11, characterized in that the image analysis comprises the Görtzel algorithm, with the help of which the periodic first and second gray value course (K2) are reconstructed. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Phasenlage des ersten Grauwertverlaufs zu dem zweiten Grauwertverlauf die Position ermittelt wird. Method according to one of Claims 10 to 12, characterized in that the position is determined from the phase position of the first gray value profile to the second gray value profile. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Amplitude und Phase des ersten Grauwertverlaufs und/oder des zweiten Grauwertverlauf die Geschwindigkeit ermittelt wird. Method according to one of claims 10 to 13, characterized in that the velocity is determined from the amplitude and phase of the first gray level profile and / or the second gray level profile. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Rolling-Shutter Effekts einer die Bilderfassung ausführenden digitalen Kameraeinheit (3) aus der durch Bewegung (11) verursachten Bildverzerrung die Geschwindigkeit ermittelt wird. Method according to one of claims 10 to 13, characterized in that by means of the rolling shutter effect of a digital camera unit which carries out the image acquisition ( 3 ) from the movement ( 11 ) caused image distortion, the speed is determined.
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