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Die Erfindung betrifft ein Fahrerassistenzsystem für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Fahrerassistenzsystem. Überdies betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrerassistenzsystems für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.
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Moderne Kraftfahrzeuge, wozu insbesondere Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotor und/oder Elektromotor zählen, werden zunehmend mit Beleuchtungseinrichtungen ausgestattet, welche eine dynamische Anpassung der abgestrahlten Lichtverteilung ermöglichen. Verbreitet sind beispielsweise schon sogenannte Matrix-LED-Scheinwerfer, deren Lichtquellen in Form von einzeln ansteuerbaren Leuchtdioden (Light Emitting Diodes, LED) in einer zweidimensionalen Matrix angeordnet sind und damit die Möglichkeit eröffnen, ein von der Beleuchtungseinrichtung abgestrahltes Lichtstrahlenbündel in Einzellichtstrahlenbündel aufzuteilen, die jeweils individuell in ihrer Helligkeit steuerbar sind. In Abhängigkeit von der Anzahl der verbauten einzelnen Lichtquellen, die separat ansteuerbar sind, können hierdurch mehr oder weniger feine Lichtmuster auf die Straße projiziert werden.
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Die
DE 10 2013 019 021 A1 offenbart ein Verfahren zur Fahrerassistenz in einem Kraftfahrzeug mit wenigstens einer Beleuchtungseinrichtung, wobei durch die Beleuchtungseinrichtung eine Lichtverteilung auf eine Fläche vor dem Kraftfahrzeug projiziert wird. Die Lichtverteilung stellt durch eine lokal unterschiedliche Beleuchtungsstärke und/oder eine unterschiedliche Beleuchtungsfarbe einen Achslageanzeiger, der die Orientierung einer Fahrzeuglängsachse des Kraftfahrzeugs abbildet, und/oder einen Idealspuranzeiger dar, der eine durch eine Steuereinrichtung des Kraftfahrzeugs aus das Umfeld des Kraftfahrzeugs betreffenden Umfelddaten und/oder das Kraftfahrzeug betreffenden Daten berechnete Ideallinie oder einen berechneten Idealfahrschlauch abbildet.
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Ferner offenbart die
DE 10 2012 023 126 A1 ein Verfahren zum automatischen Kalibrieren zumindest eines Scheinwerfers eines Fahrzeugs, wobei der Scheinwerfer zumindest eine Lichtquelle und zumindest einen Reflektor und/oder eine Linse umfasst.
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Auf der nächsten Stufe der automobilen Beleuchtungstechnik stehen sogenannte hochauflösende Scheinwerfer. Hochauflösende Fahrzeugscheinwerfer sind in der Lage, feinstrukturierte Lichtmuster auf der Fahrbahn zu erzeugen und bieten somit das Potential für den zukünftigen Beleuchtungsstandard bei Kraftfahrzeugen. Mit derartigen Scheinwerfern kann ein vorgegebener Bildinhalt auf eine Umgebung des Kraftfahrzeugs projiziert werden. Durch die Unebenheit der Fahrbahn und unterschiedliche Projektionswinkel sowie Montage und Justage des Scheinwerfers kann die beabsichtigte Projektion teilweise nur verzerrt dargestellt werden.
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Aus dem weiteren technischen Umfeld ist aus der
DE 10 2014 100 579 A1 ein System zur Erzeugung von Informationen über eine Projektionsfläche vor einem Kraftfahrzeug bekannt. Dieses umfasst eine Beleuchtungseinrichtung, ein Detektionsmittel und ein Auswertungsmittel, wobei die Beleuchtungseinrichtung dazu ausgebildet ist, Licht auf die Projektionsfläche auszusenden, und wobei das Detektionsmittel dazu ausgebildet ist, das von der Projektionsfläche reflektierte Licht zu detektieren.
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Die Entwicklung hochauflösender Scheinwerfersysteme im Kraftfahrzeugbereich steht noch am Anfang, sodass derzeit keine Ansätze zur Erzielung einer qualitativ hochwertigen und aussagekräftigen Projektion verfügbar sind. Eine solche Projektion ist aber ohne detaillierte Informationen über die Projektionsfläche nicht umsetzbar.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fahrerassistenzsystem, ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren bereitzustellen, welche eine umgebungsabhängige Kalibrierung der Projektion einer Beleuchtungseinrichtung in einem Kraftfahrzeug ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Fahrerassistenzsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung geht aus von einem Fahrerassistenzsystem für ein Kraftfahrzeug, wobei das Fahrerassistenzsystem eine Beleuchtungseinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, in einer ersten Betriebsart ein erstes Lichtstrahlenbündel mit einer ersten Lichtverteilung zur Abbildung eines ersten Bildinhalts auf eine Umgebung des Kraftfahrzeugs bereitzustellen und in einer zweiten Betriebsart ein zweites Lichtstrahlenbündel mit einer zweiten Lichtverteilung zur Abbildung eines zweiten Bildinhalts auf die Umgebung bereitzustellen, und eine Bilderfassungseinheit umfasst, welche dazu ausgelegt ist, Bilddaten in Abhängigkeit von dem ersten Bildinhalt und/oder von dem zweiten Bildinhalt zu ermitteln. Die Bilderfassungseinheit kann bevorzugt durch eine Kamera mit einem CCD-Sensor oder einem CMOS-Sensor ausgebildet sein.
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Das Fahrerassistenzsystem umfasst eine Steuervorrichtung, welche dazu ausgelegt ist, wechselweise die erste Betriebsart und die zweite Betriebsart in periodischer Folge zu aktivieren und eine Kalibriereinheit, welche dazu ausgelegt ist, den ersten Bildinhalt in Abhängigkeit von in der zweiten Betriebsart ermittelten Bilddaten zu verändern.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mittels einer Abbildung eines zweiten Bildinhalts auf die Umgebung zur Veränderung des ersten Bildinhalts die in dem Kraftfahrzeug eingebaute Bilderfassungseinheit, insbesondere eine Kamera, bei einer geeigneten Vorgabe des zweiten Bildinhalts, welcher ein für eine Messung geeignetes Muster aufweist, auf der Basis des durch eine zweidimensionale Bildaufnahme erfassten Umgebungsbilds ein räumliches Modell der Umgebung konstruiert werden kann. Zur fortlaufenden Durchführung der Kalibrierung wird somit der zweite Bildinhalt in wiederkehrenden Intervallen auf die Fahrbahn projiziert.
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Bestehende Komponenten eines Kraftfahrzeugs, welches mit einem Fahrerassistenzsystem der gattungsgemäßen Art ausgestattet ist, können somit in Form der Beleuchtungseinrichtung und der Bilderfassungseinheit verwendet werden, um neben ihren Hauptaufgaben, nämlich einer Ausleuchtung der Straße und gegebenenfalls eine Interaktion mit anderen Verkehrsteilnehmern sowie Erfassung von Hindernissen auf einem prognostizierten Fahrweg ihre eigenen Funktionen verwenden, um sich selbst bezüglich des Projektionsbetriebs zu kalibrieren.
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Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Betriebsart und die zweite Betriebsart sich hinsichtlich ihres Funktionszwecks auch überlappen. So ist der ersten Lichtverteilung zur Abbildung des ersten Bildinhalts auf die Umgebung des Kraftfahrzeugs in der ersten Betriebsart ein Messmuster überlagert, welches invers zu einem der zweiten Lichtverteilung überlagerten Messmuster ausgebildet ist. Bei vollständiger Anwendung dieses Prinzips könnten somit alternativ zur Einblendung des Messmusters mit einer definierten Frequenz auch Betriebsmodi eingesetzt werden, in denen die einzelnen Pixel der ersten Lichtverteilung und der zweiten Lichtverteilung zumindest teilweise jeweils invers zueinander geschaltet sind. In diesem Fall ist das Verhältnis der Dauer der ersten Betriebsart zu der Dauer der zweiten Betriebsart innerhalb einer Periode der Folge von untergeordneter Bedeutung. Das menschliche Auge mittelt auch in diesem Fall der Ansteuerung die Helligkeit. Eine Auflösung der unterschiedlichen Einzelbilder ist lediglich über eine Bilderfassungseinheit möglich. Anstelle der Übertragung eines zu projizierenden Symbols vollständig und ausschließlich in dem ersten Bildinhalt kann somit alternativ vorgesehen sein, das zu projizierende Symbol auf den ersten Bildinhalt und den zweiten Bildinhalt zu verteilen und dabei dem ersten Bildinhalt und dem zweiten Bildinhalt ein Messmuster zu überlagern, wobei aneinander angrenzende Bereiche des ersten Bildinhalts beziehungsweise zweiten Bildinhalts abwechselnd hell oder dunkel sind. Das menschliche Auge mittelt somit die Helligkeit; lediglich eine Kamera des Kraftfahrzeugs ist in der Lage, die einzeln aufgezeichneten Bilder auszuwerten. Somit kann mit dem ersten Bildinhalt und dem zweiten Bildinhalt jeweils ein Halbbild übertragen werden, welches in der Gesamtwirkung auf das menschliche Auge dem gewünschten projizierten Bild entspricht.
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Auf der Basis der Kenntnis des räumlichen Modells der Umgebung kann somit die Beleuchtungseinrichtung des Fahrerassistenzsystems adaptiv der Umgebung angepasst werden, was essentielle Voraussetzung dafür ist, um die Projektion mit der Beleuchtungseinrichtung den Erwartungen eines Fahrers zufriedenstellend zu erfüllen. Das Fahrerassistenzsystem kann beispielsweise dazu ausgelegt sein, Orientierungshilfen für den Fahrer des Kraftfahrzeugs auf die vor ihn liegende Fahrbahn zu projizieren. Insbesondere kann in dem ersten Bildinhalt ein allgemein verständliches Symbol integriert sein.
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Durch die Auswertung eines derartigen Musters zur Abmessung ist es möglich, Projektionen insbesondere für den Fahrer, aber auch für andere Verkehrsteilnehmer, welche eine zu dem Fahrer vergleichbare Perspektive aufweisen, automatisch an die Umgebung anzupassen und eine korrekte Abbildung zu ermöglichen. Dies bezieht sich nicht nur auf die Darstellung auf der Fahrbahn alleine, sondern auch auf Anpassungen zu korrekten Darstellungen von Motiven, die sich teilweise auf der Fahrbahn und teilweise auf Objekten befinden können.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Steuervorrichtung dazu ausgelegt, mittels des ersten Bildinhalts verkehrssituationsabhängig ein auf die Umgebung projizierbares Informationsmuster für einen Fahrer des Kraftfahrzeugs bereitzustellen. Somit erhält der Fahrer weitere Hinweise, die ihn bei der Führung des Kraftfahrzeugs unterstützen. Prinzipiell ergibt sich eine vergleichbare Wirkung wie bei einem Head-up-Display. Die tatsächliche Projektion eines Informationsmusters auf die Umgebung bietet jedoch darüber hinaus den Vorteil, dass auch andere Verkehrsteilnehmer über unmittelbar bevorstehende Aktionen des Fahrers des Kraftfahrzeugs in Kenntnis gesetzt werden und ihr Verhalten dementsprechend darauf abstellen können. So kann beispielsweise ein Zebrastreifen vor dem Kraftfahrzeug projiziert werden, welcher einem Fußgänger anzeigt, dass dieser die Straße sicher überqueren kann. Ein weiteres Beispiel eines verkehrssituationsabhängig auf die Umgebung projizierbaren Informationsmusters ist das sogenannte Baustellenlicht, bei dem zwei Lichtstreifen, welche die Breite des Kraftfahrzeugs markieren, bei der Durchfahrt einer Baustelle oder einer vergleichbaren Engstelle vor das Kraftfahrzeug projiziert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das projizierbare Informationsmuster zumindest eines der folgenden Elemente: eine Linie, insbesondere eine gerade Linie; eine Ellipse, insbesondere einen Kreis; eine Raute, insbesondere ein Quadrat; ein Dreieck; ein Achteck; ein Pfeilsymbol. Neben Führungs- und/oder Leitlinien können somit insbesondere auch aus dem Bereich von allgemein im Straßenverkehr verständlichen und bekannten Verkehrszeichen entsprechende leicht verständliche und selbsterklärende Piktogramme projiziert werden. Des Weiteren kann das projizierbare Informationsmuster eine Ziffer oder einen Buchstaben aufweisen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Beleuchtungseinrichtung des erfindungsgemäßen Fahrerassistenzsystems eine gemeinsame Lichtquelle, welche dazu ausgelegt ist, in der ersten Betriebsart das erste Lichtstrahlenbündel und in der zweiten Betriebsart das zweite Lichtstrahlenbündel zu erzeugen. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass bestehende Bauteile des Fahrzeugs weiter verwendet werden können. Insbesondere kann auf zusätzliche Messstrahler verzichtet werden. Durch die Nutzung bestehender Komponenten in dem Kraftfahrzeug wird somit in vorteilhafter Weise das gleiche Spektrum für das erste Lichtstrahlenbündel und das zweite Lichtstrahlenbündel verwendet. Das Spektrum liegt insbesondere im sichtbaren Bereich, wobei die spektrale Zusammensetzung bevorzugt wei-ßes Licht ergibt. Insbesondere können das erste Lichtstrahlenbündel und das zweite Lichtstrahlenbündel über denselben optischen Pfad übertragen werden. Das heißt, das erste Lichtstrahlenbündel und das zweite Lichtstrahlenbündel weisen denselben Strahlengang auf. Somit kann beispielsweise eine Lichtaustrittsfläche der Beleuchtungseinrichtung, beispielsweise durch eine Projektionslinse, klein gehalten werden und somit ein kompakter Aufbau erzielt werden. Die Lichtquelle kann insbesondere durch eine Laserlichtquelle realisiert sein, insbesondere in Form einer oder mehrerer Laserdioden. Bevorzugt emittiert die Laserlichtquelle im blauen Spektralbereich, wobei unter Verwendung eines Konverterleuchtstoffs weißes Licht erzeugt wird. Selbstverständlich sind mit der Erfindung auch andere Arten von Lichtquellen nutzbar, beispielsweise Leuchtdioden (LED).
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Beleuchtungseinrichtung eine punktweise ansteuerbare Lichtmodulationseinheit zum Formen des ersten Lichtstrahlenbündels und/oder des zweiten Lichtstrahlenbündels aus einer Vielzahl von einzeln modulierbaren, mit einem jeweiligen Bildpunkt korrelierten Einzelstrahlen, wobei die Steuervorrichtung dazu ausgelegt ist, zur Aktivierung der ersten Betriebsart und/oder der zweiten Betriebsart ein Bildsignal, insbesondere ein Videosignal, an die Lichtmodulationseinheit bereitzustellen. Die Lichtmodulationseinheit kann beispielsweise durch ein Aktiv-Matrix-Display ausgebildet sein, wie es aus der Verwendung für Flüssigkristallbildschirme bzw. -projektoren (LCD, liquid crystal display) bekannt ist. Dabei wird eine LCD-Matrix in den Strahlengang gebracht, wobei der Transmissionsgrad jedes einzelnen Matrix-Bildpunkts (Pixel) über ein entsprechendes Steuersignal eingestellt werden kann. Auf diese Weise kann eine punktweise steuerbare Blende realisiert werden. Eine alternative Realisierung der Lichtmodulationseinheit kann durch eine Spiegelmatrix erfolgen.
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Dieses als Digital Micromirror Device (DMD) bekannte Bauteil ist beispielsweise zentraler Bestandteil von so genannten DLP-Projektoren (digital light processing). Es handelt sich hierbei um einen Flächenlichtmodulator, welcher aus matrixförmig angeordneten Mikrospiegelaktoren besteht, d.h. verkippbar spiegelnden Flächen, die unter dem Einfluss elektrostatischer Felder bewegt werden. Jeder Mikrospiegel lässt sich in seinem Winkel einzeln verstellen und besitzt in der Regel zwei stabile Endzustände. Die erste Lichtverteilung bzw. zweite Lichtverteilung des ersten bzw. zweiten Lichtstrahlenbündels, die auf die Umgebung geleitet werden, hängt in diesem Fall von der Anordnung der Mikrospiegel ab, die sich in der jeweiligen Kipplage befinden.
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Besonders bevorzugt ist die Beleuchtungseinrichtung als hochauflösender Fahrzeugscheinwerfer mit einer Auflösung von mindestens 320 000 Bildpunkten, insbesondere mindestens 360 000 Bildpunkten, besonders bevorzugt mindestens 400 000 Bildpunkten, zur Erzeugung des ersten Lichtstrahlenbündels und/oder des zweiten Lichtstrahlenbündels ausgebildet. Die hochauflösenden Scheinwerfer zukünftiger Kraftfahrzeuge, die zur besseren Ausleuchtung der Straße und zur Interaktion mit anderen Verkehrsteilnehmern eingeführt werden, erhalten somit eine weitere, technisch unterstützende Funktion. Derartige hochauflösende Scheinwerfer können mit einem Bilddatenstrom (video stream) angesteuert werden. Somit ist die Einbettung einzelner Bilder (frames) mit Messmustern problemlos ohne zusätzlichen Aufwand möglich. Auch ein sich wiederholendes Invertieren definierter Bereiche ist mit derartigen Fahrzeugscheinwerfern ohne Einschränkungen möglich.
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Bevorzugt kann ein Kraftfahrzeug ein erfindungsgemäßes Fahrerassistenzsystem umfassen, wodurch sich ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug ergibt. Das Kraftfahrzeug kann einen Verbrennungsmotor und/oder einen Elektromotor als Antriebsmaschine aufweisen. Insbesondere kann das Kraftfahrzeug dazu ausgelegt sein, eine selbsttätige Geschwindigkeitsregelung und/oder eine Spurführungsregelung bereitzustellen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Kraftfahrzeugs ist die Kalibriereinheit dazu ausgelegt, den ersten Bildinhalt derart zu verändern, dass ein aus der Perspektive eines Fahrers des Kraftfahrzeugs wahrnehmbares Bild gegenüber einer Abbildung einer dem ersten Bildinhalt zugrundeliegenden Bildvorlage, welche auf eine mit einer das Fahrzeug tragenden Fahrbahnoberfläche koplanare Ebene projizierbar ist, nahezu verzerrungsfrei erscheint. Die Perspektive des Fahrers bezieht sich hierbei auf eine Position, bei der der Fahrer auf dem Fahrersitz des Kraftfahrzeugs sitzt und eine für die Führung des Kraftfahrzeugs taugliche Sitzeinstellung des Fahrersitzes vorliegt, sodass sich die Augen des Fahrers deutlich oberhalb des oberen Randes des Lenkrads des Kraftfahrzeugs befinden. Die das Kraftfahrzeug tragende Fahrbahnoberfläche kann ein Stück einer Straße, eines Parkplatzes oder eines sonstigen befahrbaren Untergrunds sein, auf dem das Kraftfahrzeug mit seinen in der Regel vier Rädern steht beziehungsweise rollt. Eine idealisierte Projektionsfläche ergibt sich damit, wenn das als plan angenommene Stück der Fahrbahnoberfläche vier in der gedachten Projektionsebene liegende Auflagepunkte beinhaltet, die jeweils Teil einer Reifenauflagefläche eines jeweiligen Reifens des Kraftfahrzeugs auf der Fahrbahnoberfläche sind. Eine durch die Kalibriereinheit korrigierte Projektion des ersten Bildinhalts erscheint dem Fahrer des Kraftfahrzeugs auch bei einer unebenen Fahrbahn oder bei seitlich neben der Fahrbahn oder auf der Fahrbahn befindlichen Hindernissen im Wesentlichen so, wie wenn er auf einer ideal planen Fahrbahn unterwegs wäre.
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Diese Korrekturfunktion ermöglicht die Darstellung eines Motivs oder eines Logos, dessen unterer Bereich auf die Fahrbahn und dessen oberer Bereich auf eine zu der Fahrbahn orthogonale Hauswand abgebildet werden. In Abhängigkeit von den in der zweiten Betriebsart ermittelten Bilddaten können somit beide Teile des projizierten Bildes zueinander ausgerichtet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Kraftfahrzeugs ist die Bilderfassungseinheit im Innenraum des Kraftfahrzeugs hinter der Windschutzscheibe angeordnet, insbesondere in der Mitte zwischen Fahrer- und Beifahrersitz, besonders bevorzugt in unmittelbarer Nähe eines Innenspiegels des Kraftfahrzeugs. Durch diese Einbaulage der Bilderfassungseinheit ist die Perspektive der Bilderfassungseinheit nahezu identisch mit der Perspektive des Fahrers des Kraftfahrzeugs, wodurch eine Transformation der auf die Kameraperspektive bezogenen Bilddaten in auf die Fahrerperspektive bezogene Bilddaten mittels aufwendiger mathematischer Rechenvorschriften aufgrund der nur geringfügigen zu erwartenden Abweichungen verzichtbar wird. Insbesondere kann hierbei das Ergebnis der Korrektur auf einfache Art und Weise verifiziert werden, indem ein zur Kalibrierung auf die jeweilige Umgebung ermitteltes „Vorverzerrungsschema“ (eigentlich Entzerrungsschema) auf den zweiten Bildinhalt angewendet wird und dann geprüft wird, ob die daraus ermittelten Bilddaten mit einer entsprechenden vorab in der Kalibriereinheit hinterlegten Referenz übereinstimmen; wobei gegebenenfalls die jeweiligen Abweichungen zur Korrektur des Vorverzerrungsschemas ermittelt werden. Hierdurch kann in bevorzugter Weise eine iterative Optimierung des projizierten Bildes erreicht werden. Dies ist insbesondere dann anwendbar, wenn sich das Kraftfahrzeug im Stillstand befindet und eine besonders hohe Qualität der Abbildung gewünscht wird.
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Die Erfindung geht weiterhin aus von einem Verfahren zum Betreiben eines Fahrerassistenzsystems für ein Kraftfahrzeug durch in einer ersten Betriebsart Bereitstellen eines ersten Lichtstrahlenbündels mit einer ersten Lichtverteilung zur Abbildung eines ersten Bildinhalts auf eine Umgebung des Kraftfahrzeugs, in einer zweiten Betriebsart Bereitstellen eines zweiten Lichtstrahlenbündels mit einer zweiten Lichtverteilung zur Abbildung eines zweiten Bildinhalts auf die Umgebung und Ermitteln von Bilddaten in Abhängigkeit von dem ersten Bildinhalt und/oder von dem zweiten Bildinhalt. Das Verfahren umfasst wechselweises Aktivieren der ersten Betriebsart und der zweiten Betriebsart in periodischer Folge und Verändern des ersten Bildinhalts in Abhängigkeit von in der zweiten Betriebsart ermittelten Bilddaten. Erfindungsgemäß wird das Verfahren dadurch weitergebildet, dass der ersten Lichtverteilung zur Abbildung des ersten Bildinhalts auf die Umgebung des Kraftfahrzeugs in der ersten Betriebsart ein Messmuster überlagert wird, welches invers zu einem der zweiten Lichtverteilung überlagerten Messmuster ausgebildet ist.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der erste Bildinhalt derart verändert wird, dass ein aus der Perspektive eines Fahrers des Kraftfahrzeugs wahrnehmbares Bild gegenüber einer Abbildung einer dem ersten Bildinhalt zugrundeliegenden Bildvorlage, welche auf eine mit einer das Kraftfahrzeug tragenden Fahrbahnoberfläche koplanare Ebene projizierbar ist, nahezu verzerrungsfrei erscheint.
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Besonders bevorzugt wird die Bilderfassungseinheit im Innenraum des Kraftfahrzeugs angeordnet, wobei die Verzerrungsfreiheit aus der Perspektive der Bilderfassungseinheit bewertet wird. Hierdurch kann der rechentechnische Aufwand, der zum Verändern des ersten Bildinhalts in Abhängigkeit von in der zweiten Betriebsart ermittelten Bilddaten erforderlich ist, deutlich reduziert werden. Das hat insbesondere dann praktische Vorteile, wenn sich das Kraftfahrzeug mit höherer Geschwindigkeit bewegt und demzufolge eine schnellere Änderung der Umgebung des Kraftfahrzeugs auftritt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens umfasst zumindest der zweite Bildinhalt ein Messmuster, welches insbesondere als Streifenmuster oder als Gittermuster ausgebildet ist. Die Streifenlichtprojektion findet Anwendung in der Vermessung von Objekten und Oberflächen, deren Daten in CAD-Modelle umgewandelt werden. Hierbei wird mittels Lichtquelle ein Streifenmuster auf das zu untersuchende Objekt aufgebracht und dieses simultan mit einer Kamera aufgenommen. Anhand der Verformung der vormals fest definierten Licht-Schatten-Muster auf dem Objekt wird mittels eines Rechenprogramms seine Geometrie berechnet. Ein Streifenmuster oder Gittermuster bietet somit eine geeignete Grundlage, um eine 3D-Kontur eines Objekts oder einer Oberfläche zu analysieren. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass in der zweiten Betriebsart nicht ein einziges Messmuster, sondern mehrere Messmuster in iterativer Folge bei jedem Aktivieren der zweiten Betriebsart aufgerufen werden. Besonders bevorzugt können zwei Streifenmuster jeweils im Wechsel aktiviert werden, deren Streifenausrichtungen orthogonal zueinander sind. Unabhängig davon kann periodisch der Abstand der beleuchteten Streifen und/oder die Breite der beleuchteten Streifen periodisch variiert werden. Überdies kann vorgesehen sein, dass zumindest einer der nachfolgenden Parameter des Streifenmusters zeit- bzw. index-abhängig (Nummerierung der aktuellen Periode der Folge) ist: Ausrichtung des Streifenmusters; Abstand des Streifenmusters; Breite des Streifenmusters. Durch Variation eines oder mehrerer der genannten Parameter kann eine maximal mögliche Detailtiefe erreicht werden.
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Die für das erfindungsgemäße Fahrerassistenzsystem beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug und, soweit anwendbar, auch umgekehrt. Ebenso gelten die für die erfindungsgemäße Vorrichtung beschriebenen Vorteile und Merkmale sowie Ausführungsformen gleichermaßen für entsprechende Verfahren und umgekehrt. Folglich können für Vorrichtungsmerkmale entsprechende Verfahrensmerkmale und umgekehrt vorgesehen sein.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombination aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Berücksichtigung der beigefügten Figuren. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funktionen.
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Es zeigen:
- 1 in vereinfachter schematischer Darstellung ein Kraftfahrzeug mit einem bevorzugten ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemä-ßen Fahrerassistenzsystems;
- 2 in vereinfachter schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform einer Beleuchtungseinrichtung zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Fahrerassistenzsystem;
- 3 in vereinfachter schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsform einer Beleuchtungseinrichtung zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Fahrerassistenzsystem;
- 4 in vereinfachter schematischer Darstellung eine gemäß der Erfindung beleuchtete, ebene und hindernisfreie Umgebung eines Kraftfahrzeugs;
- 5 in vereinfachter schematischer Darstellung eine gemäß der Erfindung beleuchtete Umgebung mit einer unebenen Fahrbahn;
- 6 in vereinfachter schematischer Darstellung eine gemäß der Erfindung beleuchtete Umgebung mit einer unebenen Fahrbahn nach einer Kalibrierung des Projektionsmusters;
- 7 in vereinfachter schematischer Darstellung ein Beispiel eines zweiten Bildinhalts, welcher teilweise auf die Fahrbahn und teilweise auf ein senkrecht aufragendes Hindernis projiziert wird; und
- 8 in vereinfachter schematischer Darstellung ein Beispiel eines ersten Bildinhalts bei einer kalibrierten Projektion unter denselben Umgebungsbedingungen wie in 7.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fahrerassistenzsystems 2, wobei sich in Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs 1 eine Umgebung 3 befindet. Das Fahrerassistenzsystem 2 umfasst eine Beleuchtungseinrichtung 4, eine Bilderfassungseinheit 5 sowie eine Steuervorrichtung 6 und eine Kalibriereinheit 7. Die Beleuchtungseinrichtung 4 kann als hochauflösender Scheinwerfer ausgebildet sein. Die Beleuchtungseinrichtung 4 projiziert in wiederkehrenden Intervallen ein Muster auf die vor dem Kraftfahrzeug 1 liegende Umgebung 3. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Fahrbahn handeln. Eine damit synchronisierte Bilderfassungseinheit, beispielsweise in Form einer Kamera mit einem CCD-Sensor oder einem CMOS-Sensor, nimmt Bilddaten von dem ausgeleuchteten Fahrbahnbereich auf und gibt die Bilddaten an eine Kalibriereinheit 7 weiter. Die Kalibriereinheit 7 vergleicht das abgestrahlte Muster, welches mit einem ersten Lichtstrahlenbündel 8 beziehungsweise einem zweiten Lichtstrahlenbündel 9 in Abhängigkeit von einem durch eine Steuervorrichtung 6 bereitgestellten ersten Bildinhalt beziehungsweise zweiten Bildinhalt projiziert wird, mit den aufgenommenen Bilddaten und berechnet anhand der Musterverformung und der erwarteten Werte für die Ausbreitung des Lichts, also des ersten Lichtstrahlenbündels 8 beziehungsweise des zweiten Lichtstrahlenbündels 9, ob sich Unebenheiten oder Objekte in dem Fahrbahnbereich der Umgebung 3 befinden und welche Form und Entfernung diese besitzen. Nicht nur die Verformung der Muster, auch ihre Dicke gibt Hinweise auf die Beschaffenheit der Fahrbahn.
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Die Kamera wird mit dem hochauflösenden Scheinwerfer synchronisiert und die Frequenz der Ansteuerung, welche sich aus dem Reziprokwert der Periodendauer der periodischen Folge ergibt, so gewählt, dass einem Fahrer 10 des Kraftfahrzeugs 1 die Einblendung eines lediglich für Messzwecke projizierten Musters nicht auffällt.
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Die Beleuchtungseinrichtung 4 umfasst gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, wie in der 2 dargestellt, eine Lichtquelle 11, welche Licht auf eine Lichtmodulationseinheit 12 strahlt. Die Lichtmodulationseinheit 12 ist als Flüssigkristallanzeige (liquid crystal display, LCD) ausgebildet. Die Lichtmodulationseinheit 12 weist eine Vielzahl von matrixförmig angeordneten Einzelelementen auf, die jeweils einem einzelnen Bildpunkt zugeordnet sind. In Abhängigkeit von einem Bildsignal 16, welches von einer Steuervorrichtung 6 bereitgestellt wird, können die einzelnen Bildpunkte (Pixel) in einen durchlässigen (transmissiven) Zustand oder in einen undurchlässigen, insbesondere absorbierenden Zustand geschaltet werden. Somit erzeugt die Beleuchtungseinrichtung 4 ein resultierendes Lichtmuster 13, welches mit einem von der Steuervorrichtung 6 erzeugten Ansteuerungsmuster 14 korreliert ist, das über das Bildsignal 16 an die Lichtmodulationseinheit 12 bereitgestellt wird.
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In periodischer Folge wird durch die Steuervorrichtung 6 eine erste Betriebsart und eine zweite Betriebsart wechselweise aktiviert, wobei in der ersten Betriebsart ein erstes Lichtstrahlenbündel 8 mit einer ersten Lichtverteilung zur Abbildung eines ersten Bildinhalts auf die Umgebung 3 des Kraftfahrzeugs 1 und in einer zweiten Betriebsart ein zweites Lichtstrahlenbündel 9 mit einer zweiten Lichtverteilung zur Abbildung eines zweiten Bildinhalts auf die Umgebung 3 bereitgestellt wird. Das für die Darstellung der 2 beispielhaft gewählte Ansteuerungsmuster 14 entspricht hierbei der zweiten Lichtverteilung des zweiten Lichtstrahlenbündels, wobei der zweite Bildinhalt als streifenförmiges Messmuster vorliegt.
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Alternativ kann entsprechend der Darstellung in der 3 die Lichtmodulationseinheit 12 durch ein Mikrospiegelarray ausgebildet sein. Die Lichtquelle 11, sowie die Steuervorrichtung 6, welche das Bildsignal 16 an die Lichtmodulationseinheit 12 bereitstellt, entsprechen dem aus der 2 bekannten Aufbau. Zur besseren Veranschaulichung der Funktionsweise eines Mikrospiegelarrays ist das Ansteuerungsmuster 14 ohne beschränkende Wirkung für die Erfindung beispielhaft als Kreuz dargestellt. Im Übrigen lässt sich ein Kreuz als primitivste Form eines aus zwei einzelnen Streifen gebildeten Gitters betrachten.
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Die Stellung der einzelnen Mikrospiegel, welche matrixförmig auf der Lichtmodulationseinheit 12 angeordnet sind, korreliert mit dem Ansteuerungsmuster 14. Somit wird das erste Lichtstrahlenbündel 8 bzw. das zweite Lichtstrahlenbündel 9 in die Richtung auf das resultierende Lichtmuster 13 gelenkt. Wie bereits in der vorhergehenden Darstellung repräsentiert das resultierende Lichtmuster 13 bzw. das Ansteuerungsmuster 14 ein für die zweite Betriebsart verwendetes Messmuster. Ein ausgeblendetes Lichtmuster 17 bildet die komplementäre Darstellung zu dem Ansteuerungsmuster 14 und somit auch zu dem resultierenden Lichtmuster 13. Das ausgeblendete Lichtmuster 17 ist somit das Negativ des resultierenden Lichtmusters 13. Die in Richtung auf das ausgeblendete Lichtmuster 17 gelenkten Lichtstrahlen werden in vorteilhafter Weise in eine sogenannte Lichtfalle umgeleitet, in der das Licht absorbiert wird und unerwünschte Reflexionen unterdrückt werden. Ein solches als Digital Micromirror Device (DMD) bekanntes Mikrospiegelarray, umfasst eine Matrix von Hunderttausenden von Mikrospiegeln, wobei jeder einzelne Mikrospiegel mithilfe elektrostatischer Felder pro Sekunde bis zu 5000 mal gekippt werden kann. Das Mikrospiegelarray ist damit nicht nur ein hervorragend geeignetes Mittel zur Implementierung der Erfindung, sondern ermöglicht darüber hinaus auch noch über eine entsprechende zeitliche Modulation, beispielsweise über eine Pulsweitensteuerung in jeder der beiden Betriebsarten die Einstellung von effektiven Zwischenwerten zwischen einem vollständig in Richtung des resultierenden Lichtmusters 13 gelenkten Lichtstrahl und einem vollständig in Richtung des ausgeblendeten Lichtmusters 17 gelenkten Lichtstrahl zur Realisierung eines beliebigen Helligkeitswerts, d.h. eines Grauwerts, anstelle eines reinen Schwarz-Weiß-Werts.
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Die schwarzen Vierecke des Lichtmusters 13 stellen sowohl in der 2 als auch in der 3 die unbeleuchteten/dunklen Bereiche dar.
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4 zeigt die Umgebung 3 des Kraftfahrzeugs 1 mit einer Fahrbahn 19, auf der mittig ein Mittelstreifen 20 aufgebracht ist. Das aus den 1 bis 3 bekannte erste Lichtstrahlenbündel 8 weist eine erste Lichtverteilung 21 auf, welche den bei einem Kraftfahrzeug 1 typischen keulenförmigen Verlauf zeigt. Die Doppelkeule ergibt sich hierbei aus der Überlagerung zweier einzelner Scheinwerfer. Der Übersichtlichkeit halber ist in 1 lediglich ein Scheinwerfer auf der rechten Fahrzeugseite gezeigt. Zweckmäßigerweise werden beide Einzelscheinwerfer so aufeinander angepasst, dass sich im Überlagerungsbereich eine nahezu versatzfreie Überdeckung einer zweiten Lichtverteilung 22 mit dunklen Streifen 23 ergibt.
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Zur übersichtlicheren Darstellung ist das Bezugszeichen für die erste Lichtverteilung 21 an der Begrenzungslinie des beleuchteten Bereichs dargestellt. Die erste Lichtverteilung innerhalb dieser Begrenzungslinie wird als homogen betrachtet, abgesehen von einer durch die jeweilige Optik (Projektionslinse) des jeweiligen Fahrzeugscheinwerfers verursachten Änderung, welche das erste Lichtstrahlenbündel 8 mit der ersten Lichtverteilung 21 in gleicher Weise betrifft wie das zweite Lichtstrahlenbündel 9 mit der zweiten Lichtverteilung 22. Die zweite Lichtverteilung 22 umfasst den gesamten Bereich innerhalb der die erste Lichtverteilung 21 kennzeichnenden Begrenzungslinie abzüglich der dunklen Streifen 23, welche in gleicher Weise wie die zweite Lichtverteilung 22 nur exemplarisch mit Bezugszeichen versehen sind. Die Beleuchtungseinrichtung 4 erzeugt somit ein Muster, welches auf die Fahrbahn 19 auftrifft. Die dunklen Streifen 23 stellen hierbei Bereiche ohne Scheinwerferbeleuchtung dar.
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Ohne Hindernisse ergibt sich die vereinfachte und beispielhafte Lichtverteilung wie in der 4 dargestellt. Ausgehend von der unteren waagerechten Linie, die den Blickpunkt des Kraftfahrzeugs darstellt, wird der Lichtkegel, der die dunkle Straße ausleuchtet, von dunklen Linien unterbrochen, das heißt Bereichen, in denen das Licht gerade ausgeschaltet ist. Im Hintergrund dargestellt ist die unbeleuchtete Fahrbahn 19 inklusive Mittelstreifen 20. Die dunklen Muster des Scheinwerfers erstrecken sich hierbei linear in Richtung des Horizonts bis zu der die erste Lichtverteilung 21 kennzeichnenden Begrenzungslinie. Jenseits dieser Begrenzungslinie ist die Fahrbahn 19 unbeleuchtet, abgesehen von möglicherweise auftretendem Streulicht, welches keine beleuchtende Funktionalität besitzt.
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In der Darstellung der 5 ist die Anordnung aus der 4 mit zwei Hindernissen 18a, 18b ergänzt. Die Form der zweiten Lichtverteilung 22 und der dunklen Streifen 23, die im Bereich der Hindernisse 18a, 18b gegenüber ihrem linearen Verlauf, wie aus der 4 ersichtlich, gestört sind, können mithilfe der Bilderfassungseinheit 5, welche als Teil des Fahrerassistenzsystems 2 in dem Kraftfahrzeug 1 angebracht ist, erfasst werden. Durch die Verformung der dunklen Streifen 23, welche die Lücken in der zweiten Lichtverteilung 22 kennzeichnen, kann die Kalibriereinheit 7 des Fahrerassistenzsystems 2 ein Korrekturschema zur Vorverzerrung des ersten Bildinhalts beziehungsweise des zweiten Bildinhalts ermitteln.
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Eine entsprechend korrigierte Abbildung des zweiten Bildinhalts ist in der 6 dargestellt. Dadurch ergibt sich ein korrigierter Verlauf der dunklen Streifen 23 an den Korrekturstellen 23a beziehungsweise 23b. Der Verlauf der dunklen Streifen 23 inklusive der korrigierten Abschnitte an den Korrekturstellen 23a, 23b der dunklen Streifen 23 verlaufen somit wiederum linear wie in der Darstellung gemäß der 4. Damit ist die Kalibriereinheit 7 in der Lage, eine korrigierte Variante der Abbildung zu erzeugen, die die Fahrbahnoberfläche ausgleicht und ein korrektes Bild erzeugt. Vereinfachend wird sowohl in der Darstellung der 6 als auch in den 4 und 5 von mittig ausgehenden Lichtkegeln ausgegangen.
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7 zeigt die Projektion eines Messmusters gemäß einem zweiten Bildinhalt, bei dem ein streifenförmiges Testmuster auf die Umgebung 3 projiziert wird, bei welcher in unmittelbarer Nähe vor dem Kraftfahrzeug 1 ein quaderförmiges Hindernis 24 mit einer senkrecht aufragenden Wand, einen Teil der Projektionsfläche darstellt. Bei der Erfassung der zugehörigen Bilddaten können nunmehr mit den Bilddaten, wie sie bei einer Umgebung 3 gemäß der Darstellung der 4 ermittelt worden sind, verglichen werden und aus diesem Vergleich der Einfluss der Umgebung 3 auf das Projektionsergebnis errechnet werden. Ein sich daraus ergebendes Vorverzerrungsschema zur Korrektur kann hierdurch auf ein Informationsmuster 15, wie in der 8 dargestellt, angewendet werden. Hierdurch ergibt sich auch bei einer teilweisen Projektion auf die Fahrbahn 19 sowie auf das Hindernis 24 eine unverzerrte Darstellung des Informationsmusters 15 aus einer Perspektive der Bilderfassungseinheit 5 beziehungsweise des Fahrers 10. Somit ist zur realen Umsetzung dieser Methode die Anwendung nicht auf gleichartiger Abbildungen zur Messung und zur Darstellung der Information angewiesen. Ein Streifenbild kann zur Messung verwendet werden, um die Abbildung eines Logos als Informationsmuster 15 zu optimieren und insbesondere im Übergangsbereich von der Fahrbahn 19 auf die Wand des Hindernisses 24 eine verzerrungsfreie Darstellung des Logos zu erzeugen.
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Die Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend. So kann insbesondere die Art und die Anzahl der Messmuster und/oder die Art und die Anzahl der Informationsmuster 15 beliebig gestaltet sein, ohne den Gedanken der Erfindung zu verlassen.
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Somit wurde voranstehend gezeigt, wie eine Streifenlichttopologie mittels hochauflösender Scheinwerfer zur Projektionskalibrierung eingesetzt werden kann.
