DE102017124955A1 - Verfahren zum Feststellen einer Lagebeziehung zwischen einer Kamera und einem Scheinwerfer eines Fahrzeugs - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Lagebeziehung zwischen einer Kamera und einem Scheinwerfer eines Fahrzeugs bereitgestellt, bei dem ein Fahrzeug bei verschiedenen Abständen vor einer Fläche mit einem Kalibriermuster positioniert wird und nach Ermittlung des Abstandes zu dieser Fläche ein Muster mittels eines Scheinwerfers des Fahrzeugs auf diese Fläche projiziert wird. Es werden bei jedem Abstand charakteristische Merkmale in dem projizierten Muster detektiert und die Positionen von jeweils einander bei den verschiedenen Abständen entsprechenden detektierten charakteristischen Merkmalen werden mittels einer linearen Funktion interpoliert, um abschließend aus dem Schnittpunkt der ermittelten linearen Funktionen die Lagebeziehung zwischen der Kamera und dem Scheinwerfer des Fahrzeugs zu bestimmen.

Description

  • Viele Kraftfahrzeuge verfügen heutzutage über eine fest eingebaute Fahrzeugkamera (Fahrerassistenzkamera), welche meistens im oberen Bereich der Frontscheibe eingebaut ist. Die Fahrzeugkamera wird bei der Implementierung diverser Fahrerassistenzsysteme verwendet, welche den Fahrer in bestimmten Fahrsituationen unterstützen sollen (z.B. Nachtlichtassistent oder Fahrspurhalteassistent). Unter anderem kann die Fahrzeugkamera verwendet werden, um eine Distanzmessung zu implementieren. Hierbei bedient man sich der aktiven Triangulation, bei welcher ein charakteristisches Muster vom Scheinwerfer des Fahrzeugs auf eine Projektionsfläche (Szene) projiziert wird, beispielsweise eine Gebäudewand oder die Fahrbahn. Das Ausleuchten der Szene mit strukturiertem Licht bekannter optischer und/oder geometrischer Eigenschaften stellt ein Kernmerkmal der aktiven Triangulation dar. Die Szene, welche die Projektion des charakteristischen Musters aufweist, wird von der Fahrzeugkamera abgebildet. Das Abbild der Szene wird dann einer Bildverarbeitung unterzogen, um das charakteristische Lichtmuster aus dem Kamerabild zu extrahieren. Durch Zuordnen von charakteristischen Merkmalen in dem projizierten Lichtmuster zu den diese Merkmale erzeugenden Segmenten des Scheinwerfers (entspricht dem Lösen des Korrespondenzproblems) kann die Entfernung zwischen dem Fahrzeug und dem auf die Projektionsfläche projizierten Lichtmuster ermittelt werden.
  • Um die aktive Triangulation im Fahrzeug mit der geforderten Genauigkeit zu implementieren, ist eine entsprechende Kalibrierung notwendig. Im Rahmen der Kalibrierung werden die geometrischen Relationen zwischen der Kamera und mindestens einem der beiden Scheinwerfer des Fahrzeugs bestimmt. Die Kalibrierung ist für die Bestimmung der Basislänge erforderlich, um auf ihrer Grundlage aus dem Schnittpunkt von zwei Strahlen (ein das jeweilige charakteristisches Merkmal im Lichtmuster erzeugender Lichtstrahl und ein dieses charakteristische Merkmal in der Kamera abbildender Lichtstrahl) den Abstand zu diesem Schnittpunkt zu ermitteln. Hierbei ist eine präzise Kalibrierung des Stereo-Systems aus Scheinwerfer und Kamera notwendig, um eine genaue Abstandsermittlung zu gewährleisten. Ist die Kalibrierung ungenau oder sogar fehlerhaft, würde sich ein entsprechender Kalibrierfehler direkt auf den ermittelten Abstandswert auswirken, was insbesondere im Straßenverkehr verheerende Folgen haben kann.
  • Die Kalibrierung von Scheinwerfersystemen wird gemäß gängiger Methoden in Zusammenhang mit einer Projektion von hochauflösenden Mustern (z.B. Gray Code Muster) vorgestellt. Solche Muster können jedoch selbst mit aktuellen LED-Scheinwerfern (Multi-Pixel-Scheinwerfersysteme), welche bis zu 84 einzelne LED-Segmente (auch als Pixel bezeichnet) aufweisen, nicht bereitgestellt werden, da die Auflösung zu gering ist, um solche hochauflösenden Muster bereitzustellen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung geeigneter Kalibrierverfahren, um die geometrische Lagebeziehung zwischen Kamera und Scheinwerfer in einem Fahrzeug zu bestimmen.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Weiterführende Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der beiliegenden Beschreibung.
  • Mittels des vorliegenden Verfahrens kann die geometrische Lageposition zwischen Kamera und Scheinwerfer eines Fahrzeugs anhand einer direkten Kalibriermethode bestimmt werden. Hierzu wird das Fahrzeug zunächst zu einer Fläche, etwa einer Wand, ausgerichtet, so dass die Fahrzeugkamera die Wand erfassen kann. Auf der Wand befindet sich ein Kalibriermuster. Das Kalibriermuster kann beispielsweise ein Schachbrettmuster aufweisen, also eine Struktur, welche helle (lichtgefüllte) und dunkle (unbeleuchtete) Flächen aufweist, welche alternierend in Reihen über- bzw. untereinander angeordnet sind. An dem Fahrzeug ist neben der Fahrzeugkamera (Fahrerassistenzkamera) eine zusätzliche Kamera angebracht. Die Lage der zusätzlichen Kamera bezüglich der Fahrzeugkamera ist bekannt, so dass die Fahrzeugkamera und die zusätzliche Kamera ein kalibriertes Stereo-System bilden. Bei der zusätzlichen Kamera kann es sich beispielsweise um eine Leuchtdichtekamera des Fahrzeugs handeln. Mittels des Stereo-Systems kann durch Triangulation des Kalibriermusters, insbesondere der darin enthaltenen charakteristischen Merkmale wie Eck-, Endpunkten oder Kanten, der Abstand zu der Wand bestimmt werden. Der Abstand zur Wand wird in dieser Phase des Verfahrens auf Basis des auf der Wand breitgestellten Kalibriermusters ermittelt, so dass die Scheinwerfer des Fahrzeugs, deren Lage bezüglich der Fahrzeugkamera nicht bekannt sind, vorerst nicht an der Abstandsermittlung teilnehmen (bis auf eine möglicherweise erforderliche Ausleuchtung der Wand). Allerdings ist eine zweite Kamera hierbei nicht zwingend notwendig. Die notwendigen Daten können auch anhand PMP oder Laservermessung bereitgestellt werden.
  • In einer zweiten Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mittels (mindestens) eines Scheinwerfers ein charakteristisches Muster auf die Wand projiziert. Das charakteristische Muster kann ein projiziertes Lichtmuster aufweisen, das dem Kalibriermuster nachgebildet ist, also ebenfalls ein Schachbrettmuster aufweist. Nach seiner Erfassung durch die Fahrzeugkamera können charakteristische Merkmale wie Eck- , Endpunkte und/oder Kanten aus dem charakteristischen Muster extrahiert werden. Die anschließend detektierten charakteristischen Merkmale werden dem auf Basis des Kalibriermusters ermittelten Abstand zur Wand zugeordnet und gespeichert, beispielsweise in einer Matrix.
  • Das Fahrzeug wird daraufhin in einem anderen Abstand zur Wand positioniert und das bisher beschriebene Prozedere wird erneut durchgeführt. Das heißt, es wird mittels des Stereo-Systems aus Fahrzeugkamera und der zusätzlichen Kamera der neu eingestellte Abstand zu der das Kalibriermuster aufweisenden Wand bestimmt, das Muster wird erfasst und auf seine charakteristischen Merkmale hin ausgewertet. Am Ende werden die Positionen der detektierten charakteristischen Merkmale im Bild der Fahrzeugkamera dem ermittelten Abstand zur Wand zugeordnet und gespeichert, beispielsweise in einer Matrix.
  • Der Vorgang der Abstandsermittlung zur Wand auf Basis des Kalibriermusters, der Erfassung des projizierten Lichtmusters und der Detektion der darin enthaltenen charakteristischen Merkmale wird für eine vorbestimmte Anzahl von Entfernungen wiederholt und die charakteristischen Merkmale werden den entsprechenden Abständen zum Fahrzeug zugeordnet und gespeichert. Bevorzugt können Eck- und/oder Endpunkte von hellen Flächen in dem Abbild der projizierten Lichtmusters detektiert und ihre Positionen gespeichert werden. Die Eck- und/oder Endpunkte können dreidimensionalen Koordinaten im Koordinatensystem der Fahrzeugkamera entsprechen.
  • Nachdem eine genügende Anzahl von Punkten zu den jeweiligen Abständen zwischen Wand und Fahrzeugkamera gesammelt worden ist, werden jeweils gleiche/gleichwertige Punkte einer linearen Interpolation unterzogen. Mit anderen Worten werden zu Punkten, die sich an gleichwertigen Positionen innerhalb des projizierten Lichtmusters befinden (beispielsweise linke obere Ecke einer hellen Fläche in Reihe x und Zeile y des projizierten Lichtmusters bei Annahme eines Schachbrettmusters) Strahlen berechnet. Da das projizierte Lichtmuster während des erfindungsgemäßen Verfahrens bis auf eine abstandsabhängige Skalierung gleich bleibt, liegen diese gleichen/gleichwertigen Punkte des charakteristischen Lichtmusters auf einem Strahl, welcher von einem bestimmten Segment des Scheinwerfers ausgeht. Die durch lineare Approximation ermittelten Strahlen schneiden sich in einem gemeinsamen Punkt, welcher als Brennpunkt des das projizierte Lichtmuster erzeugenden Scheinwerfers bezeichnet werden kann. Da die Orte/Positionen der Eck- und/oder Endpunkte von Strukturen im projizierten Lichtmuster mittels der Fahrzeugkamera erfasst worden sind und zu zusammen gehörenden Eck- und/oder Endpunkten die jeweiligen Strahlen interpoliert worden sind, ist damit die Lage des Brennpunktes des Scheinwerfers relativ zur Fahrzeugkamera bekannt.
  • Da die Abstandswerte üblicherweise in Bezug auf das Fahrzeug und nicht die Fahrzeugkamera angegeben werden, kann in einer weiterführenden Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dann die Lage des ermittelten Brennpunktes aus dem Koordinatensystem der Fahrzeugkamera in das Koordinatensystem des Fahrzeugs transformiert werden. Hierzu können Kalibrierergebnisse der Fahrzeugkamera verwendet werden, welche die Position/Lage der Fahrzeugkamera in Relation zum Fahrzeug angeben.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Drehpunkt des Scheinwerfers bestimmt werden, um die Distanzmessung für variierende Winkel der Leuchtweitenregulierung (LWR) zu ermöglichen. Der Drehpunkt für die Leuchtweitenregulierung entspricht dem Punkt, an dem beispielsweise der Nickwinkel des Scheinwerfers eingestellt wird. Im Allgemeinen erfolgt Nickbewegung um eine Achse. Bei dieser vereinfachten Betrachtung wird jedoch von einem bezüglich einer durch den Scheinwerfer verlaufenden horizontalen Ebene ausgerichteten Scheinwerfer ausgegangen. Daher wird vereinfacht statt einer Nickachse von dem Nickpunkt gesprochen.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen einer Lagebeziehung zwischen einer Kamera und einem Scheinwerfer eines Fahrzeugs in einem ersten Schritt Positionieren des Fahrzeugs in einem Abstand vor eine Fläche aufweisen, welche ein Kalibriermuster aufweist. Das Kalibriermuster kann ein auf der Fläche, beispielsweise einer Wand, angeordnetes Muster mit hellen und dunklen Bereichen aufweisen. Ein Positionieren des Fahrzeugs in einem Abstand zu der Fläche beinhaltet das Einstellen eines (zunächst unbekannten) Abstandes zwischen der Fläche und dem Fahrzeug, was durch eine Bewegen der Fläche, des Fahrzeugs oder dieser beiden relativ zueinander erfolgen kann. In einem nächsten Schritt kann das Verfahren Ermitteln des Abstands zwischen dem Kalibriermuster und dem Fahrzeug aufweisen. In einem nächsten Schritt kann das Verfahren Projizieren eines Musters auf die Fläche mittels eines Scheinwerfers des Fahrzeugs aufweisen. Dabei kann eine Untergruppe von einzelnen diskreten Segmenten des entsprechenden Scheinwerfers, z.B. LED-Einheiten eines LED-Matrix-Scheinwerfers, aktiviert werden und so ein charakteristisches Muster auf die Fläche projiziert werden. In einem nachfolgenden Schritt des Verfahrens können charakteristische Merkmale in dem projizierten Muster detektiert und ihre Positionen gespeichert werden. Hierbei kann eine Bildverarbeitungskaskade auf das durch die Fahrzeugkamera erfasste Bild angewendet werden, bei welcher zunächst das charakteristische Lichtmuster aus dem erfassten Bild extrahiert wird und nachfolgend eine Detektion von charakteristischen Merkmalen des charakteristischen Lichtmusters erfolgt. In einem nächsten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens können die soeben beschriebenen Schritte bei mindestens einem weiteren Abstand zwischen dem Fahrzeug und der Fläche durchgeführt werden.
  • Nachdem bei einer Anzahl von Abständen zwischen Fläche und Fahrzeug die charakteristischen Muster analysiert und die Positionen von darin enthaltenen charakteristischen Punkten gespeichert worden sind, werden in einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens die Positionen von jeweils einander bei den verschiedenen Abständen entsprechenden detektierten charakteristischen Merkmalen mittels einer linearen Funktion interpoliert. Die ermittelten linearen Funktionen entsprechen Strahlen, welche von dem entsprechenden Scheinwerfer abgestrahlt werden und durch die gleichen/gleichwertigen charakteristischen Merkmale verlaufen. In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Schnittpunkt der ermittelten linearen Funktionen bestimmt. Bei dem Schnittpunkt kann es sich um einen Brennpunkt des Scheinwerfers handeln, durch den alle ermittelten linearen Funktionen verlaufen. Abschließend wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens die Lagebeziehung zwischen der Kamera und dem Scheinwerfer des Fahrzeugs auf Basis der Position des Schnittpunkts der ermittelten linearen Funktionen relativ zur Kamera bestimmt. Die geometrische Lagebeziehung kann, je nach gewähltem Referenzsystem, durch die intrinsischen und extrinsischen Parameter der Kamera und/oder des Scheinwerfers bestimmt sein.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Schritte zum Aufzeichnen und Speichern der Positionen der verschiedenen charakteristischen Merkmale bei einem veränderten Nickwinkel des Scheinwerfers durchgeführt werden. Es können dazu bei einer Anzahl von Abständen die Positionen der charakteristischen Merkmale von Abständen bei einem ersten Nickwinkel des Scheinwerfers ermittelt und gespeichert werden und danach kann bei einer Anzahl von Abständen die Positionen der charakteristischen Merkmale von Abständen bei einem veränderten, zweiten Nickwinkel des Scheinwerfers ermittelt und gespeichert werden.
  • Das gleiche Ergebnis kann auch erreicht werden, indem bei verschiedenen Abständen jeweils verschiedene Nickwinkel des Scheinwerfers eingestellt werden und zu jedem Nickwinkel die Positionen der charakteristischen Punkte im Lichtmuster erfasst und gespeichert werden. Durch eine Variation des Nickwinkels des Scheinwerfers können die Brennpunkte der ermittelten linearen Funktionen für verschiedene Einstellungen der Leuchtweitenregulierung des Scheinwerfers berücksichtigt werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren ferner Bestimmen eines Drehpunkts des Scheinwerfers aufweisen aus den bei verschiedenen Nickwinkeln ermittelten linearen Funktionen. Unter dem Drehpunkt des Scheinwerfers kann der Punkt gemeint sein, um den der Scheinwerfer zur Einstellung des Nickwinkels gedreht wird. Insbesondere kann der Drehpunkt aus den zu den verschiedenen eingestellten Nickwinkeln ermittelten Brennpunkten berechnet werden. Der Drehpunkt kann beispielsweise als Schnittpunkt von zentralen Strahlen der Scheinwerferleuchtfläche, beispielsweise der LED-Matrix, bei verschiedenen Nickwinkeln berechnet werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann das Kalibriermuster ein Muster mit hellen und dunklen polygonalen Flächen aufweisen, bevorzugt ein Schachbrettmuster. Die hellen und dunklen polygonalen Flächen können im Wesentlichen bevorzugt rechtwinklige Flächen aufweisen. Helle polygonale Flächen können von einzelnen Leuchtsegmenten erzeugt werden, beispielsweise von LEDs eines LED-Matrix Scheinwerfers. Zwischen den hellen Flächen angeordnete dunkle Flächen können ausgeschalteten/deaktivierten Leuchtsegmenten des Scheinwerfers entsprechen.
  • Obgleich zur Veranschaulichung der Erfindung das Schachbrettmuster als Beispiel vermehrt herangezogen wird, können selbstverständlich auch andere projizierte Lichtmuster verwendet werden. Das Schachbrettmuster aus in Reihen über- bzw. untereinander alternierend angeordneten hellen und dunklen Flächen stellt jedoch ein Muster mit einer großen Anzahl an Eckpunkten innerhalb des Musters dar und kann somit eine große Anzahl von Positionsinformationen bereitstellen. Unter Eckpunkten werden beispielsweise die vier Eckpunkte einer rechteckigen hellen Fläche in einem projizierten Lichtmuster verstanden. Insbesondere kann das im Rahmen dieses Verfahrens verwendete projizierte Lichtmuster im Wesentlichen dem Kalibriermuster entsprechen. Während das Kalibriermuster scharfe und kontrastreiche Übergänge zwischen hellen und dunklen Flächen aufweisen kann, die exakt rechtwinklig sein können, sind einer solchen idealen Darstellung des projizierten Lichtmusters mittels des Scheinwerfers Grenzen gesetzt. Im Vergleich zum Kalibriermuster kann das real projizierte Lichtmuster verwaschene Übergänge zwischen hellen und dunklen Flächen aufweisen, die etwas abgerundeten Rechtecken entsprechen können.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens können helle Flächen in dem projizierten Muster von Segmenten des Scheinwerfers erzeugt werden, wobei die Segmente bevorzugt Pixel eines LED-Matrix Scheinwerfers entsprechen können.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens kann es sich bei den detektierten charakteristischen Merkmalen um Eckpunkte innerhalb der Anordnung aus hellen und dunklen Flächen des Musters handeln. Mit anderen Worten kann es sich bei den detektierten charakteristischen Merkmalen um die Eckpunkte der polygonalen, im bevorzugten Fall der rechteckigen, hellen Flächen handeln. Die Eckpunkte können zugleich als Eckpunkte der benachbarten polygonalen dunklen Flächen betrachtet werden.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschränken. Insbesondere sind die Dimensionen und geometrische Relationen der in den Figuren dargestellten Elemente nicht als limitierend zu werten.
  • In 1 ist das Projizieren der charakteristischen Muster auf unterschiedlich weit entfernte Projektionsflächen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren veranschaulicht.
  • In 2 ist die Bestimmung von Brennpunkten und des Drehpunkts des Scheinwerfers gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren veranschaulicht.
  • In 1 ist ein Teil einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht. Zu Beginn des Verfahrens wird das Fahrzeug in eine erste Position vor eine Fläche oder Wand 4 angeordnet. Auf der Achse 10 sind die Abstände D zwischen verschiedenen Positionen der Wand 4 und des Fahrzeugs bzw. eines seiner Scheinwerfer 1 angedeutet. In der ersten Position befindet sich das Fahrzeug und damit auch der Scheinwerfer 1 im Abstand D1 , in einer zweiten Position in einem Abstand D2 und in einer dritten Position in einem Abstand D3 zur Wand 4. Auf der Wand 4 ist ein Kalibriermuster dargestellt (nicht in 1 dargestellt). Der Abstand D zu der Wand 4 wird z.B. mittels eines Stereo-Systems aus der einer Fahrzeugkamera 3 und einer zusätzlichen Kamera ermittelt mittels Triangulation. Die zusätzliche Kamera ist nicht in 1 dargestellt. Das Kalibriermuster kann eine charakteristische Struktur aufweisen, beispielsweise ein Schachbrettmuster, welches sich als Grundlage für die Ausführung eines Triangulationsverfahrens eignet. In diesem Stadium des Verfahrens wird der Scheinwerfer 1 nicht aktiv für die Ermittlung des Abstandes D zur Wand 4 verwendet, außer ggfs. einer Ausleuchtung der Szene.
  • Nachdem der Abstand D1 zwischen Scheinwerfer 1 und der Wand 4 in der ersten Position ermittelt worden ist, wird mittels des Scheinwerfers 1 ein Lichtkegel 2 erzeugt, mittels welchem ein charakteristisches Lichtmuster 5 auf die Wand 4 projiziert wird. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei dem projizierten Lichtmuster 5 um ein Schachbrettmuster, welches dem Kalibriermuster ähneln oder ihm in erster Näherung entsprechen kann. Das projizierte Lichtmuster 5 weist lichtgefüllte (helle) Felder 11 und lichtleere (dunkle) Felder 12 auf, wobei in 1 zur Vereinfachung die weißen Felder 12 die in Realität unbeleuchteten Felder darstellen sollen. Mittels der Fahrzeugkamera 3 wird ein Abbild der Szene aufgenommen, das auch ein Abbild des projizierten Lichtmusters 5 aufweist. In dem Bereich der Wand 4, in dem sich das projizierte Lichtmuster 5 befindet, ist stellvertretend eine beleuchtete Fläche 11 dargestellt. Die beleuchtete Fläche 11 wird von einem erzeugenden Lichtstrahl 6 erzeugt, welcher beispielsweise von einem LED-Segment des Scheinwerfers 1 erzeugt wird. Ein erster Lichtstrahl 7 repräsentiert den Abbildungsprozess der beleuchteten Fläche 11 durch die Fahrzeugkamera 3. Nach Erfassung des Abbildes der Szene wird mittels Bildverarbeitung das projizierte Lichtmuster 5 aus dem Abbild extrahiert und es werden darin charakteristische Merkmale detektiert. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei den charakteristischen Merkmalen um Eckpunkte 13 der lichtgefüllten Felder 11 des projizierten Lichtmusters 13. Wie in 1 dargestellt, kann es vorkommen, dass nicht alle Eckpunkte 13 im Lichtmuster 5 detektiert werden. Die Positionen der detektierten Eckpunkte 13 im Abbild der Szene werden gespeichert, wobei sie alle dem Abstand D1 zur Wand 4 zugeordnet sind. Es wird drauf hingewiesen, dass die Eckpunkte 13 in 1 nur hilfsweise als markante schwarze Punkte dargestellt sind, um eine beispielhafte Detektion charakteristischer Merkmale zu veranschaulichen. Etwaige schwarze Punkte sind in der Projektion des Lichtmusters an den Ecken des hellen Flächen selbstverständlich nicht sichtbar.
  • Nach erfolgter Detektion der charakteristischen Merkmale im projizierten Lichtmuster 5 wird der Abstand D zwischen Fahrzeug (und damit Scheinwerfer 1) und Wand 4 verändert, beispielsweise auf den Abstand D2 und die soeben beschriebenen Schritte werden erneut ausgeführt. Das heißt, es wird der Abstandswert zur Wand 4 mittels des Stereo-Systems aus Fahrzeugkamera 3 und der zusätzlichen Kamera ermittelt durch Triangulation unter Verwendung des sich auf der Wand 4 befindenden Kalibrationsmusters. Daraufhin wird mittels des Scheinwerfers 1 das charakteristische Muster 5 auf die Wand 4 projiziert. Die Projektion des Lichtmusters 5, insbesondere die darin enthaltenen charakteristischen Merkmale, wird mittels der Fahrzeugkamera 3 erfasst. Der Erfassungsvorgang einer hellen Fläche 11 innerhalb des Lichtmusters 5 von der Wand 4 im zweiten Abstand D2 zum Fahrzeug ist durch den zweiten Strahl 8 angedeutet. Abschließend werden Eckpunkte 11 der hellen Flächen 11 des projizierten Lichtmusters 5 detektiert und ihre Positionen innerhalb des erfassten Abbildes gespeichert, wobei sie alle dem zweiten Abstand D2 zugeordnet sind.
  • Anschließend kann der Abstand D zwischen Fahrzeug und Wand 4 auf einen dritten Abstand D3 eingestellt werden und es werden erneut die zuvor beschriebenen Schritte durchgeführt. Die Erfassung einer hellen Fläche 11 innerhalb des auf die Wand projizierten Lichtmusters 5 ist durch den dritten Strahl 9 angedeutet.
  • Insgesamt kann der soeben beschriebene Verfahrensablauf bei einer zweckmäßigen beliebigen Anzahl von Abständen D zwischen Fahrzeug und Wand 4 durchgeführt werden. Der Abstand D muss nicht gemäß der in 1 gezeigten Reihenfolge von größer werdenden Abständen eingestellt werden, sondern kann nach Belieben von einer zur nächsten Messsequenz eingestellt werden. Jedenfalls werden zu jedem eingestellten Abstand D charakteristische Merkmale detektiert und ihre Positionen erfasst. Wie in 1 angedeutet, vergrößert sich die Projektion des Lichtmusters 5 mit größer werdendem Abstand zwischen Fahrzeug und Wand 4.
  • Die charakteristischen Merkmale des Lichtmusters 5 werden durch Segmente des Scheinwerfers 1 erzeugt. An der auf den Wänden 4 beispielhaft gezeigten beleuchteten Fläche 11 sieht man, dass sie von einem erzeugenden Strahl 6 gebildet wird, welcher von einem Segment des Scheinwerfers 1 abgestrahlt wird. Genauso verhält es sich mit den weiteren beleuchteten Feldern 11 und insbesondere mit den Eckpunkten 13 im projizierten Lichtmuster 5. Aus der Kenntnis der Positionen der Eckpunkte 13 im Kamerabild und ihrem Abstand D zur Fahrzeugkamera 1 kann bezüglich jeder Gruppe von gleichen/gleichwertigen Eckpunkten 13 über alle erfassten Abstände D eine Interpolation durchgeführt werden, um erzeugende Strahlen zu jeder dieser Gruppen zu berechnen. In 1 ist ein von dem Scheinwerfer 1 ausgehender erzeugender Lichtstrahl 6 dargestellt, welcher die beleuchtete Fläche 11 auf der Wand 4 bei unterschiedlichen Abständen d erzeugt. Unter gleiche/gleichwertigen Eckpunkten 13 können beispielsweise alle linken oberen, alle linken unteren, alle rechten oberen oder alle rechten unteren Eckpunkte 13 der gleichen hellen Fläche 11 verstanden werden. Unter Berücksichtigung der geradlinigen Propagation des Lichts im freien Raum erfolgt die Interpolation zwecks Ermittlung der Strahlen sinnigerweise mittels linearer Funktionen. Sind die Strahlen ermittelt, so kann ihr Brennpunkt berechnet werden, also ein Punkt, von welchem die erzeugenden Strahlen theoretisch auszugehen scheinen. Der Brennpunkt kann für die Implementierung der Triangulation im Fahrbetrieb verwendet werden, indem er als Punktlichtquelle den Scheinwerfer 1 modelliert. Die Lage des Brennpunktes aus Sicht der Fahrzeugkamera 3 ist nach Abschluss dieses Verfahrens bekannt.
  • Die Ermittlung des Brennpunktes eines Scheinwerfers 1 ist in 2 veranschaulicht. Hier ist der Scheinwerfer 1 dargestellt sowie ein berechneter erster Brennpunkt 21 zu einer ersten Gruppe von erzeugenden Strahlen 27, welche das projizierte Lichtmuster 5 in einer ersten Position auf der Wand 4 erzeugen, die sich in dem zweiten Abstand D2 zum Fahrzeug befindet. In erster Näherung entspricht die Berechnung der Strahlen der Rekonstruktion der das projizierte Lichtmuster 5, insbesondere dessen Eckpunkten erzeugenden Strahlen. Es ist jedoch eine Näherung, weil der Brennpunkt einem einzigen Raumpunkt entspricht, wohingegen der reale Scheinwerfer 1 mathematisch betrachtet keiner Punktlichtquelle entspricht, sondern im Falle eines LED-Matrix-Scheinwerfers einer Lichtabstrahlungsfläche entspricht.
  • In 2 sind ferner Aspekte zur Veranschaulichung einer weiterführenden Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Da die meisten modernen Fahrzeuge über eine Leuchtweitenregulierung verfügen, kann der Nickwinkel des Scheinwerfers 1 in Anpassung an die jeweilige Fahrsituation variabel eingestellt werden. Entsprechend müsste der Brennpunkt für alle im Rahmen der Leuchtweitenregulierung einstellbaren Winkel des Scheinwerfers 1 ermittelt werden, was jedoch gemäß den bereits beschriebenen Schritten eine aufwendige und langwierige Prozedur beinhalten würde. Stattdessen kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel der sogenannte Drehpunkt des Scheinwerfers 1 bestimmt werden. In der in 1 und 2 gezeigten Querschnittsansicht entspricht der Drehpunkt 24 dem Punkt, in dem sich der gesamte Scheinwerfer 1 dreht. Der Drehpunkt 24 ist in aller Regel aus den Konstruktionsdaten (z.B. CAD-Daten) des Scheinwerfers 1 bekannt. Da diese jedoch Einbautoleranzen etc. unterliegen, kann es erforderlich sein, den Drehpunkt 24 mittels eines geeigneten Verfahrens aus Messdaten zu bestimmen um so die tatsächliche Einbauposition des Scheinwerfers 1 zu berücksichtigen.
  • Der Drehpunkt 24 kann aus den Verläufen der erzeugenden Strahlen bei unterschiedlichen Nickwinkeln des Scheinwerfers 1 berechnet werden. Das heißt, das mit Bezug auf 1 beschriebene Verfahren, mittels welchem ein Brennpunkt für eine bestimmte Konfiguration des Scheinwerfers 1 bezüglich der Leuchtweitenregulierung ermittelt worden ist, kann für andere Stellungen des Scheinwerfers 1 durchgeführt werden. In 2 ist neben der ersten Gruppe von erzeugenden Strahlen 27, welche vom ersten Brennpunkt 21 ausgehen, eine zweite Gruppe von erzeugenden Strahlen 26, die vom zweiten Brennpunkt 22 ausgeht, und eine dritte Gruppe von erzeugenden Strahlen 25 dargestellt, welche vom dritten Brennpunkt 23 ausgeht. Jede Gruppe von erzeugenden Strahlen 27, 26, 25 entspricht einem anderen Nickwinkel des Scheinwerfers 1 und damit einer anderen Leuchtweiteneinstellung. Bei jeder Leuchtweiteneinstellung des Scheinwerfers 1 wird ein projiziertes Muster 5 an einer anderen Stelle der Wand 4 erzeugt, wobei sich die nachfolgende Beschreibung des Verfahrens auf die Wand 4 im zweiten Abstand D2 zum Fahrzeug beschränkt. Wie in 2 angedeutet, wandert das projizierte Lichtmuster 5 in vertikaler Richtung auf der Wand 4, je nach Einstellung der Leuchtweitenregulierung. Die erste Gruppe von erzeugenden Strahlen 27 kann beispielsweise einem Nickwinkel (Leuchtweitenregulierungswinkel) von +5° relativ zu einer neutralen Stellung entsprechen, die zweite Gruppe von erzeugenden Strahlen 26 kann der neutralen Stellung des Scheinwerfers 1 entsprechen, beispielsweise einem Nickwinkel von 0°, und die dritte Gruppe von erzeugenden Strahlen 25 kann beispielsweise einem Nickwinkel (Leuchtweitenregulierungswinkel) von -5° relativ zu der neutralen Stellung entsprechen. Die Vorzeichen „+“ und „-“ bei den Winkelangaben sind willkürlich gewählt, wobei „+“ einen nach unten verstellten Scheinwerfers 1 andeuten soll und „-“ einen nach oben verstellten Scheinwerfers 1 andeuten soll. Aus den repräsentativ dargestellten Verläufen der zu den drei Brennpunkten 21, 22, 23 zugehörigen erzeugenden Strahlenbündel 27, 26, 25 kann der Drehpunkt 24 des Scheinwerfers als der Schnittpunkt der erzeugenden Strahlenbündel 27, 26, 25 approximiert werden. Hierzu kann beispielsweise für jeden Brennpunkt 21, 22, 23 ein repräsentativer mittiger erzeugender Strahl betrachtet werden (mittig bezüglich der Lichtabstrahlungsfläche des Scheinwerfers 1). Aus dem Schnittpunkt der repräsentativen erzeugenden Strahlen kann der Drehpunkt 24 des Scheinwerfers 1 berechnet werden.
  • Aufgrund der Erfassung des Abbildes des projizierten Lichtmusters 5 und der darin beinhalteten charakteristischen Merkmale (der Eckpunkte 13) für die Linieninterpolation durch die Fahrzeugkamera 1 liegen sämtliche durch Berechnungen ermittelten Informationen wie Brennpunkte 21, 22, 23 und Drehpunkt 24 in Relation zur Fahrzeugkamera 1 vor, d.h. also im Koordinatensystem der Fahrzeugkamera 1. Daher können die mittels Daten der Fahrzeugkamera 1 interpolierten Strahlen (durch sekundäre Kamerakalibrierung) wie aber auch von dem Scheinwerfer 1 ausgehende erzeugende Strahlen in einem Koordinatensystem gebildet werden. Da die Abstandswerte der aktiven Triangulation jedoch üblicherweise in Relation zum Fahrzeug bestimmt und ausgegeben werden, muss die Kalibrierung in Relation zum Koordinatensystem des Fahrzeugs ausgeführt werden. Somit können in einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens die ermittelten Bezugspunkte für die aktive Triangulation, d.h. die Brennpunkte 21, 22, 23 und/oder der Drehpunkt 24 des Scheinwerfers 1, aus dem Kamera-Koordinatensystem in das Fahrzeug-Koordinatensystem umgerechnet werden. Dieses kann beispielsweise auf Grundlage einer Entfernungsmessung von der Hinterachse des Fahrzeugs zur Wand 4 und den bereits im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelten Abständen D von Fahrzeugkamera 1 zu Wand 4 erfolgen.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Bestimmen einer Lagebeziehung zwischen einer Kamera und einem Scheinwerfer eines Fahrzeugs, aufweisend die folgenden Schritte: i) Positionieren des Fahrzeugs in einem Abstand vor einer Fläche, welche ein Kalibriermuster aufweist; ii) Ermitteln des Abstands zwischen dem Kalibriermuster und dem Fahrzeug; iii) Projizieren eines Musters auf die Fläche mittels eines Scheinwerfers des Fahrzeugs; iv) Detektieren von charakteristischen Merkmalen in dem projizierten Muster; v) Durchführen der Schritte i) bis iv) bei mindestens einem weiteren Abstand zwischen dem Fahrzeug und der Fläche; vi) Interpolieren von Positionen von jeweils einander bei den verschiedenen Abständen entsprechenden detektierten charakteristischen Merkmalen mittels einer linearen Funktion; vii) Bestimmen eines Schnittpunkts der ermittelten linearen Funktionen; viii) Bestimmen der Lagebeziehung zwischen der Kamera und dem Scheinwerfer des Fahrzeugs auf Basis der Position des Schnittpunkts der ermittelten linearen Funktionen relativ zur Kamera.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend: Durchführen der Schritte i) bis iv) bei einem veränderten Nickwinkel des Scheinwerfers.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 2, ferner aufweisend: Bestimmen eines Drehpunkts des Scheinwerfers aus den bei verschiedenen Nickwinkeln ermittelten linearen Funktionen, um den der Scheinwerfer zur Einstellung des Nickwinkels gedreht wird.
  4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Kalibriermuster ein Muster mit hellen und dunklen polygonalen Flächen aufweist, bevorzugt ein Schachbrettmuster.
  5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in Schritt ii) der Abstand durch Triangulation unter Verwendung einer weiteren am Fahrzeug angeordneten Kamera ermittelt wird.
  6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in Schritt iii) das projizierte Muster ein Muster aus hellen und dunklen Flächen aufweist, bevorzugt im Wesentlichen ein Schachbrettmuster.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei helle Flächen in dem projizierten Muster von Segmenten des Scheinwerfers erzeugt werden, wobei die Segmente bevorzugt Pixeln eines LED-Matrix Scheinwerfers entsprechen.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei es sich in Schritt iv) bei den detektierten charakteristischen Merkmalen um Eckpunkte innerhalb der Anordnung aus hellen und dunklen Flächen des Musters handelt.
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