DE102017011033A1 - Method for determining a movement of a monocamera - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Bewegung einer Monokamera und zur Bestimmung einer Geometrie einer mittels der Monokamera betrachteten Szene anhand einer mittels der Monokamera erfassten Bildfolge, wobei bei der Geometriebestimmung der Szene ein Stabilisierungsverfahren verwendet wird, bei welchemeine Kamerapose für ein neu erfasstes Kamerabild geschätzt wird,eine Geometriebestimmung einer vorhergehenden Szene aktualisiert wird undeine Geometrie auf die Kamerapose des neu erfassten Kamerabilds projiziert wird.The invention relates to a method for determining a movement of a monocamera and for determining a geometry of a scene viewed by means of the monocamera based on an image sequence acquired by means of the monocamera, wherein in the geometry determination of the scene a stabilization method is used in which a camera pose for a newly acquired camera image is estimated and a geometry is projected onto the camera pose of the newly acquired camera image.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Bewegung einer Monokamera und zur Bestimmung einer Geometrie einer mittels der Monokamera betrachteten Szene.The invention relates to a method for determining a movement of a monocamera and for determining a geometry of a scene viewed by means of the monocamera.
  • Aus der DE 10 2014 209 678 A1 ist ein Verfahren zum Ermitteln einer Fahrzeugposition eines Fahrzeugs gegenüber einer Referenzposition mit den folgenden Verfahrensschritten bekannt:
    • - Erfassen eines Referenzbilds mittels einer an dem Fahrzeug angeordneten Kamera, welche zumindest einen Teils eines Umfelds des Fahrzeugs abbildet, wobei sich das Fahrzeug in der Referenzposition befindet;
    • - Erfassen eines Vergleichsbilds mittels der an dem Fahrzeug angeordneten Kamera;
    • - Vergleichen des Referenzbilds mit dem Vergleichsbild, wobei eine Lageänderung und eine Größenänderung von zumindest einem Merkmal in dem Vergleichsbild gegenüber dem Referenzbild ermittelt wird; und
    • - Ermitteln einer Fahrzeugposition des Fahrzeugs gegenüber der Referenzposition basierend auf der Lageänderung und der Größenänderung.
    From the DE 10 2014 209 678 A1 a method is known for determining a vehicle position of a vehicle relative to a reference position with the following method steps:
    • - Detecting a reference image by means of a camera arranged on the camera, which images at least a part of an environment of the vehicle, wherein the vehicle is in the reference position;
    • Detecting a comparison image by means of the camera arranged on the vehicle;
    • Comparing the reference image with the comparison image, wherein a change in position and a change in size of at least one feature in the comparison image relative to the reference image is determined; and
    • - Determining a vehicle position of the vehicle relative to the reference position based on the change in position and the size change.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zur Bestimmung einer Bewegung einer Monokamera und zur Bestimmung einer Geometrie einer mittels der Monokamera betrachteten Szene anzugeben.The invention is based on the object of specifying a novel method for determining a movement of a monocamera and for determining a geometry of a scene viewed by means of the monocamera.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.The object is achieved by a method having the features specified in claim 1.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
  • In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung einer Bewegung einer Monokamera und zur Bestimmung einer Geometrie einer mittels der Monokamera betrachteten Szene anhand einer mittels der Monokamera erfassten Bildfolge wird bei der Geometriebestimmung der Szene ein Stabilisierungsverfahren verwendet, bei welchem
    • - eine Kamerapose für ein neu erfasstes Kamerabild geschätzt wird,
    • - eine Geometriebestimmung einer vorhergehenden Szene aktualisiert wird und
    • - eine Geometrie auf die Kamerapose des neu erfassten Kamerabilds projiziert wird.
    In the method according to the invention for determining a movement of a monocamera and for determining a geometry of a scene viewed using the monocamera on the basis of an image sequence acquired by means of the monocamera, a stabilization method is used in the geometry determination of the scene in which
    • a camera pose is estimated for a newly acquired camera image,
    • - a geometry determination of a previous scene is updated and
    • - a geometry is projected onto the camera pose of the newly acquired camera image.
  • Das Verfahren ermöglicht eine zuverlässige Bestimmung der Bewegung einer insbesondere vorwärtsgerichteten Monokamera und der Geometrie der Szene auch bei schneller Vorwärtsbewegung im Zusammenhang mit Fahrzeuganwendungen.The method enables a reliable determination of the movement of a particular forward-facing monocamera and the geometry of the scene even with fast forward motion in connection with vehicle applications.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
  • Dabei zeigen:
    • 1 schematisch eine Tiefenkarte einer Szene und
    • 2 schematisch eine Tiefenkarte einer weiteren Szene.
    Showing:
    • 1 schematically a depth map of a scene and
    • 2 schematically a depth map of another scene.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.
  • In 1 ist eine Tiefenkarte T einer Szene dargestellt. 2 zeigt eine weitere, zeitlich später erzeugte Tiefenkarte T einer Szene. Die Tiefenkarten T werden jeweils aus mehreren, zeitlich nacheinander mittels einer Monokamera aufgenommenen Kamerabildern, d. h. einer Bildfolge, erzeugt. Das heißt, die jeweilige Tiefenkarte T zeigt eine Geometrie einer mittels der Monokamera betrachteten Szene. Dabei ist die Monokamera an oder in einem Fahrzeug angeordnet, wobei die Kamerabilder auch während einer Bewegung des Fahrzeugs erfasst werden.In 1 is a depth map T a scene shown. 2 shows another, later created depth map T a scene. The depth maps T are each generated from a plurality of camera images, ie a sequence of images, recorded one after the other by means of a monocamera. That is, the respective depth map T shows a geometry of a scene viewed by the monocamera. In this case, the monocamera is arranged on or in a vehicle, wherein the camera images are also detected during a movement of the vehicle.
  • Um eine fehlerfreie Erzeugung der Tiefenkarte T sicherzustellen, ist es erforderlich, eine aus der Bewegung des Fahrzeugs resultierende Bewegung der Monokamera zu bestimmen. Diese Bestimmung der Bewegung der Monokamera und der Geometrie der mittels der Monokamera betrachteten Szene erfolgt mittels einer so genannten monokularen visuellen Odometrie, d. h. einer visuellen Odometrie, welche mit einer einzelnen (= monokularen) Kamera arbeitet.For error-free generation of the depth map T It is necessary to determine a movement of the monocamera resulting from the movement of the vehicle. This determination of the movement of the monocamera and the geometry of the scene viewed by means of the monocamera is effected by means of a so-called monocular visual odometry, ie a visual odometry, which works with a single (= monocular) camera.
  • Dabei erfolgt die Bestimmung der Bewegung der Monokamera und der Geometrie der Szene anhand eines so genannten Online-Verfahrens, d. h. eine aktuelle Kamerapose und die Geometrie der aktuellen Szene werden live bestimmt. Im Unterschied hierzu werden in so genannten Offline- oder Batchverfahren alle Kamerabilder einer Sequenz als Ganzes verarbeitet. Unter einer Kamerapose wird dabei eine Position und Orientierung der Monokamera verstanden.In this case, the determination of the movement of the monocamera and the geometry of the scene takes place by means of a so-called online method, ie. H. a current camera pose and the geometry of the current scene are determined live. In contrast, in so-called offline or batch processes, all camera images of a sequence are processed as a whole. A camera pose is understood to mean a position and orientation of the monocamera.
  • Bei Online-Verfahren kann es zu Instabilitäten kommen. Das heißt, eine bereits geringfügig falsch geschätzte Kamerapose führt zu Fehlern in der Schätzung der Geometrie der Szene, was wiederum zu Fehlern in der Schätzung der nächsten Kamerapose führt, so dass sich die Fehler fortpflanzen und somit beliebig anwachsen können (= Divergenz des Verfahrens).Online procedures can cause instabilities. That is, an already slightly misjudged camera pose leads to errors in the estimation of the geometry of the scene, which in turn leads to errors in the estimation of the next camera pose, so that the errors propagate and thus can grow arbitrarily (= divergence of the method).
  • Um dies zu vermeiden, werden zu jedem Kamerabild eine Bewegungsschätzung zu einem vorherigen Kamerabild und eine Schätzung der Geometrie in Form der Tiefenkarte T der betrachteten Szene erstellt. Bei einer Propagation der Geometrieschätzung von einem Kamerabild zum darauffolgenden Kamerabild werden Verfahren angewandt, die verhindern, dass falsche Schätzungen das ganze Verfahren destabilisieren.To avoid this, a motion estimation for each camera image to a previous camera image and an estimate of the geometry in the form of the depth map T created the scene considered. Propagating the geometry estimate from one camera image to the next camera image uses techniques that prevent false estimates from destabilizing the entire process.
  • Hierzu wird ein monokulares visuelles Odometrieverfahren verwendet, welches von dem so genannten LSD-SLAM-Odometrieverfahren abgeleitet ist und sich durch ein spezielles Stabilisierungsverfahren auszeichnet. Ein visuelles SLAM-Odometrieverfahren (SLAM = Simultaneous Localization and Mapping) unterscheidet sich von reinen Odometrie-Verfahren, welche eine lokale Bewegungsschätzung und Erfassung einer aktuellen Umgebung durchführen, dadurch, dass eine globale Karte erstellt wird. Die globale Karte beschreibt dabei die gesamte Umgebung bisher abgefahrener Trajektorien als Ganzes.For this purpose, a monocular visual odometry method is used, which is derived from the so-called LSD-SLAM Odometrieverfahren and is characterized by a special stabilization method. A visual SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) method of odometry differs from pure odometry methods, which perform local motion estimation and detection of a current environment by creating a global map. The global map describes the entire environment of hitherto trajectories as a whole.
  • Ein iterativer Teil eines möglichen Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Bestimmung der Bewegung der Monokamera und der Geometrie der Szene verläuft wie im Folgenden beschrieben.An iterative part of a possible embodiment of a method for determining the motion of the monocamera and the geometry of the scene proceeds as described below.
  • Es werden unter Verwendung einer Geometrieschätzung einer Szene eines aktuellen, d. h. eines alten, Kamerabilds, welches als geschätztes Tiefenbild, bestehend aus einer geschätzten Entfernung und einem Konfidenzwert für jeden Bildpunkt, ausgebildet ist, bei Ankunft eines neuen Kamerabilds die im Folgenden beschriebenen Schritte durchgeführt, wobei eine Initialisierung des Verfahrens entsprechend des LSD-SLAM-Odometrieverfahrens durchgeführt wird, indem jedem Bildpunkt eine zufällige Entfernung zugewiesen wird.Using a geometry estimate, a scene of a current, i. H. an old camera image, which is formed as estimated depth image, consisting of an estimated distance and a confidence value for each pixel, performed on arrival of a new camera image, the steps described below, wherein an initialization of the method according to the LSD-SLAM odometry method performed is assigned by assigning each pixel a random distance.
  • In einem ersten Schritt wird eine Schätzung der Kamerapose für ein neues Kamerabild durchgeführt. Dies geschieht, in dem die geschätzte Geometrie der Szene zum alten Kamerabild mittels einer perspektivischen Projektion auf die Monokamera in einer potenziellen Kamerapose abgebildet wird und das erhaltene Kamerabild, auch als reprojiziertes Kamerabild bezeichnet, mit dem tatsächlich aufgenommen Kamerabild verglichen wird. Durch Optimierungsverfahren wird das aufgenommene Kamerabild möglichst gut mit dem reprojizierten Kamerabild in Überdeckung gebracht, um eine möglichst gute Schätzung der neuen Kamerapose zu finden. Hierbei wird auch eine Schätzung der Bewegung der Monokamera zwischen altem Kamerabild und neuem Kamerabild realisiert.In a first step, an estimate of the camera pose for a new camera image is performed. This is done by mapping the estimated geometry of the scene to the old camera image by means of a perspective projection onto the monocamera in a potential camera pose and comparing the resulting camera image, also referred to as a reprojected camera image, with the actual camera image taken. By optimizing the captured camera image as well as possible with the reprojected camera image is brought into coverage in order to find the best possible estimate of the new camera pose. Here, an estimate of the motion of the monocamera between the old camera image and a new camera image is realized.
  • In einem zweiten Schritt erfolgt eine Aktualisierung der Geometrieschätzung der alten Szene durch eine Stereorechnung. Hierbei wird für die Bildpunkte des alten Kamerabilds die Geometrie der Szene durch Stereomatching mit dem neuen Kamerabild bestimmt. Diese Schätzung der Geometrie der Szene wird mit der bereits vorhandenen Geometrieschätzung fusioniert, um eine aktualisierte Schätzung der Geometrie der Szene zu erhalten.In a second step, the geometry estimation of the old scene is updated by a stereo calculation. In this case, the geometry of the scene is determined by stereomatching with the new camera image for the pixels of the old camera image. This estimate of the geometry of the scene is fused to the already existing geometry estimate to obtain an updated estimate of the geometry of the scene.
  • In einem dritten Schritt erfolgt eine Geometriereprojektion. Hierbei wird die Schätzung der Geometrie der Szene zum alten Kamerabild unter Verwendung der Schätzung der Bewegung der Monokamera auf die Kamerapose des neuen Kamerabilds transformiert. Dadurch ist für das neue Kamerabild eine Schätzung der Geometrie der Szene vorhanden, welche im nächsten Durchlauf verwendet wird.In a third step, a geometry projection takes place. Here, the estimation of the geometry of the scene is transformed to the old camera image using the estimate of the motion of the monocamera on the camera pose of the new camera image. This provides an estimate of the geometry of the scene for the new camera image, which will be used in the next run.
  • In einem optionalen weiteren Schritt erfolgt eine Regularisierung der Geometrieschätzung zum neuen Kamerabild, wobei beispielsweise eine Glättung, eine Füllung von Lücken und/oder eine Entfernung von Ausreißern durchgeführt werden bzw. wird.In an optional further step, the geometry estimate is regularized to form the new camera image, whereby, for example, a smoothing, a filling of gaps and / or a removal of outliers are or will be carried out.
  • Bei einer Vorwärtsbewegung des Fahrzeugs und somit der Monokamera kann es vorkommen, dass sich die Monokamera Fehlern in der Geometrieschätzung nähert bzw. auf diese zufährt und somit diese Fehler vergrößert werden. Besonders problematisch sind dabei Bildpunkte, deren Entfernungsschätzung kleiner als eine reale Entfernung ist, da sich solche Bildpunkte in den folgenden Kamerabildern schnell über eine Bildfläche bewegen und damit einen großen Teil der Geometrieschätzung verfälschen können. During a forward movement of the vehicle and thus of the monocamera, it may happen that the monocamera approaches or approaches errors in the geometry estimation and thus these errors are increased. Particularly problematic are pixels whose distance estimation is smaller than a real distance, as such pixels in the following camera images move quickly over a screen and thus can distort a large part of the geometry estimation.
  • Dies ist in den gezeigten Tiefenkarten T näher dargestellt, wobei blaue Bereiche B1, B2 Objekte mit geschätzter großer Entfernung zeigen, grüne Bereiche G1 bis G3 Objekte mit geschätzter mittlerer Entfernung und rote Bereiche R1 bis R5 mit geschätzter großer Entfernung zeigen.This is in the depth maps shown T shown in more detail, with blue areas B1 . B2 Objects with estimated long distances show green areas G1 to G3 Estimated mean distance objects and red areas R1 to R5 show with estimated great distance.
  • In der Tiefenkarte T gemäß 1 befinden sich in der Bildmitte fehlerhafte Entfernungsschätzungen, insbesondere die roten Bereiche R1, R2, bei denen die Entfernungsschätzung kleiner als die reale Entfernung ist.In the depth map T according to 1 In the middle of the picture are erroneous distance estimates, in particular the red areas R1, R2, where the distance estimation is smaller than the real distance.
  • Wie die zeitlich später nach einer Vorwärtsbewegung der Monokamera erzeugte Tiefenkarte T gemäß 2 zeigt, wandern die roten Bereiche R1, R2 nach links durch die Tiefenkarte T und verfälschen einen großen Teil der Geometrieschätzung, wie am roten Bereich R3 ersichtlich ist. Das heißt, die fehlerhaften Entfernungsschätzungen sind nach links gewandert und haben dort einen Großteil der Entfernungsschätzungen korrumpiert. Eine Divergenz des Systems würde nur wenige Kamerabilder später folgen.Like the depth map generated later after a forward motion of the monocamera T according to 2 shows, the red areas R1, R2 move to the left through the depth map T and distort much of the geometry estimate, as can be seen in red area R3. That is, the erroneous range estimates have moved to the left and have corrupted much of the range estimates there. A divergence of the system would follow only a few camera pictures later.
  • Entfernungsschätzungen, die kleiner sind als die reale Entfernung, haben die Eigenschaft, dass deren relative Entfernungsänderung bei der Geometriereprojektion, d. h. bei einem Verhältnis von Entfernungsänderung zur Entfernung, größer ist als bei der realen Entfernung. Deswegen werden im Geometriereprojektionsschritt des Verfahrens die Konfidenzen zu denjenigen Entfernungsschätzungen, die eine hohe relative Entfernungsänderung haben, stark verringert. Durch eine solche Robustifizierung des Verfahrens kann der Einfluss von fehlerhaften Entfernungsschätzungen auf das Gesamtverfahren verringert werden.Distance estimates smaller than the real distance have the property that their relative range change in the geometry projection, i. H. at a ratio of range change to distance, greater than at the real distance. Therefore, in the geometry projection step of the method, the confidences to those range estimates that have a high relative range change are greatly reduced. By such a robustification of the method, the influence of erroneous distance estimates on the overall method can be reduced.
  • Beispielsweise erfolgt die Robustifizierung im Geometriereprojektionsschritt durch Multiplikation von Konfidenzen mit folgender Potenz des Verhältnisses aus alter und neuer geschätzter Entfernung gemäß f a c : = ( d i s t n e u d i s t a l t ) c
    Figure DE102017011033A1_0001
    mit:
  • c
    = Exponent,
    distneu
    = neue geschätzte Entfernung,
    distalt
    = alte geschätzte Entfernung.
    For example, in the geometry projection step, the robusting is performed by multiplying confidences by the following power of the ratio of the old and new estimated distances in accordance with f a c : = ( d i s t n e u d i s t a l t ) c
    Figure DE102017011033A1_0001
    With:
    c
    = Exponent,
    dist new
    = new estimated distance,
    dist old
    = old estimated distance.
  • Hohe Exponenten c ergeben dabei eine starke Robustifizierung, d. h. eine starke Konfidenzverringerung bei relativen Entfernungsveränderungen. Kleinere Exponenten c ergeben eine schwächere Robustifizierung. Im Extremfall c = 0 ist fac = 1, d. h. eine Multiplikation einer Konfidenz mit fac lässt die Konfidenz unverändert und es erfolgt somit keine Robustifizierung.High exponents c result in strong robustification, ie. H. a strong confidence reduction for relative distance changes. Smaller exponents c result in weaker robustness. In the extreme case c = 0, fac = 1, d. H. a multiplication of a confidence with fac leaves the confidence unchanged and thus no robustification takes place.
  • Bei starker Robustifizierung kann das Verfahren mit höheren Geschwindigkeiten der Bewegung der Monokamera umgehen als bei schwächerer Robustifizierung. Beispielsweise wird für den Grad der Robustifizierung ein sinnvoller Bereich von c = 4 bis etwa c = 10 gewählt.With strong robustness, the process can handle higher speeds of motion of the monocamera than weaker robustness. For example, a reasonable range of c = 4 to about c = 10 is chosen for the degree of robusting.
  • Somit kann das Verfahren bei hoher Stabilität Kameradaten einer vorwärtsgerichteten Monokamera bei schneller Vorwärtsbewegung verwenden.Thus, with high stability, the method can use camera data of a forward-facing monocamera with fast forward motion.
  • Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
  • B1, B2B1, B2
    BereichArea
    G1 bis G3G1 to G3
    BereichArea
    R1 bis R5R1 to R5
    BereichArea
    TT
    Tiefenkartedepth Chart
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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  • Zitierte PatentliteraturCited patent literature
    • DE 102014209678 A1 [0002]DE 102014209678 A1 [0002]

Claims (3)

  1. Verfahren zur Bestimmung einer Bewegung einer Monokamera und zur Bestimmung einer Geometrie einer mittels der Monokamera betrachteten Szene anhand einer mittels der Monokamera erfassten Bildfolge, wobei bei der Geometriebestimmung der Szene ein Stabilisierungsverfahren verwendet wird, bei welchem - eine Kamerapose für ein neu erfasstes Kamerabild geschätzt wird, - eine Geometriebestimmung einer vorhergehenden Szene aktualisiert wird und - eine Geometrie auf die Kamerapose des neu erfassten Kamerabilds projiziert wird.Method for determining a movement of a monocamera and for determining a geometry of a scene viewed by means of the monocamera on the basis of an image sequence acquired by means of the monocamera, a stabilization method being used in the geometry determination of the scene, in which a camera pose is estimated for a newly acquired camera image, - a geometry determination of a previous scene is updated and - a geometry is projected onto the camera pose of the newly acquired camera image.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometriebestimmung zum neu erfassten Kamerabild regularisiert wird.Method according to Claim 1 , characterized in that the Geometriebestimmung is regularized to newly captured camera image.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmte Geometrie der betrachteten Szene auf einer Tiefenkarte (T) abgebildet wird.Method according to Claim 1 or 2 , characterized in that the particular geometry of the observed scene is imaged on a depth map (T).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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