DE102017205745A1 - Time of flight camera - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Ermittlung einer Punktspreizfunktion (PSF) für eine Lichtlaufzeitkamera (20) eines Lichtlaufzeitkamerasystems (1), bei dem mit Hilfe der Lichtlaufzeitkamera (20) ein einzelnes Bild I(x) einer Referenzszene mit einem Objekt (40) im Vordergrund erfasst wird, mit der Voraussetzung, dass die Referenzszene als ebene Fläche ausgebildet ist, wobei das einzelne Bild I(x) mit Hilfe einer ersten Punktspreizfunktion korrigiert wird, wobei zur Ermittlung einer Korrektur-Punktspreizfunktion Parameter der ersten Punktspreizfunktion solange verändert werden, bis ein Unterschied zwischen dem korrigierten Bild I'(x) und einem zu erwarteten Bild I0(x) minimal ist und/oder einen Grenzwert unterschreitet. Method for determining a point spread function (PSF) for a light runtime camera (20) of a light transit time camera system (1) in which a single image I (x) of a reference scene with an object (40) in the foreground is detected by means of the light runtime camera (20) the condition that the reference scene is formed as a flat surface, wherein the single image I (x) is corrected by means of a first Punkttspreizfunktion, wherein to determine a correction point spread function parameters of the first point spread function are changed until a difference between the corrected image I '(x) and an expected image I 0 (x) is minimal and / or falls below a threshold.
Description
Die Erfindung befasst mit einer Lichtlaufzeitkamera und einem Verfahren zur Erfassung einer Punktspreizfunktion zur Korrektur der ermittelten Signale eines Lichtlaufzeitsensors.The invention relates to a time-of-flight camera and to a method for detecting a point spreading function for correcting the detected signals of a light transit time sensor.
Lichtlaufzeitkamera bzw. Lichtlaufzeitkamerasysteme betreffen insbesondere alle Lichtlaufzeit- bzw. 3D-TOF-Kamerasysteme, die eine Laufzeitinformation aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Als Lichtlaufzeit- bzw. 3D-TOF-Kameras sind insbesondere PMD-Kameras mit Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie beispielsweise in der
Aufgabe der Erfindung ist es, die Kompensation von Phasenfehlern weiter zu verbessern.The object of the invention is to further improve the compensation of phase errors.
Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Lichtlaufzeitkamerasystem nach Gattung der unabhängigen Ansprüche gelöst.The object is achieved in an advantageous manner by the inventive time of flight camera system according to the preamble of the independent claims.
Vorteilhaft ist ein Verfahren zur Ermittlung einer Punktspreizfunktion für eine Lichtlaufzeitkamera eines Lichtlaufzeitkamerasystems vorgesehen, bei dem mit Hilfe der Lichtlaufzeitkamera ein einzelnes Bild I(x) einer Referenzszene mit einem Objekt im Vordergrund erfasst wird, mit der Voraussetzung, dass die Referenzszene als ebene Fläche ausgebildet ist, wobei das einzelne Bild I(x) mit Hilfe einer ersten Punktspreizfunktion korrigiert wird, wobei zur Ermittlung einer Korrektur-Punktspreizfunktion Parameter der ersten Punktspreizfunktion solange verändert werden, bis ein Unterschied zwischen dem korrigierten Bild I'(x) und einem zu erwarteten Bild I0(x) minimal ist und/oder einen Grenzwert unterschreitet.Advantageously, a method is provided for determining a point spread function for a light runtime camera of a light transit time camera system in which a single image I (x) of a reference scene with an object in the foreground is detected with the aid of the light runtime camera, with the prerequisite that the reference scene is formed as a flat surface in which the individual image I (x) is corrected by means of a first point spread function, wherein parameters of the first point spread function are changed until a difference between the corrected image I '(x) and an expected image I is determined to determine a correction point spread function 0 (x) is minimal and / or falls below a threshold.
Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass anhand einer einfach gestalteten Referenzszene wesentliche Parameter einer Punktspreizfunktion ermittelt werden können.This procedure has the advantage that essential parameters of a point spreading function can be determined on the basis of a simply designed reference scene.
Die Referenzszene kann vorteilhaft dadurch weiter ausgestaltet werden, dass die Referenzszene definierte Eigenschaften aufweist, bevorzugt ist daher auch ein Verfahren zur Ermittlung einer Punktspreizfunktion für eine Lichtlaufzeitkamera eines Lichtlaufzeitkamerasystems vorgesehen, bei dem mit Hilfe der Lichtlaufzeitkamera ein 3D-Bild I(x) einer Stufe eines Referenzobjekts erfasst wird, wobei das Referenzobjekt eine Stufe definierter Höhe aufweist und die Flächen der Stufe eben ausgebildet und planparallel zueinander angeordnet sind, und das Referenzobjekt in Relation zur Lichtlaufzeitkamera so angeordnet ist, dass an der Kante der Stufe ein Entfernungssprung zur entfernteren Stufenebene erfolgt, wobei zur Ermittlung einer Korrektur-Punktspreizfunktion Parameter der ersten Punktspreizfunktion solange verändert werden, bis ein Unterschied zwischen dem korrigierten Bild I'(x) und einem zu erwarteten Bild I0(x) minimal ist und/oder einen Grenzwert unterschreitet.The reference scene can advantageously be further developed in that the reference scene has defined properties, therefore, a method for determining a point spread function for a light runtime camera of a light time camera system is preferably provided, in which using the light runtime camera, a 3D image I (x) a stage of Reference object is detected, wherein the reference object has a level of defined height and the surfaces of the step are planar and arranged plane-parallel to each other, and the reference object is arranged in relation to the time of flight camera so that at the edge of the step, a distance jump to the more distant level level takes place for determining a correction point spreading function, parameters of the first point spreading function are changed until a difference between the corrected image I '(x) and an expected image I 0 (x) is minimal and / or falls below a limit value.
Besonders vorteilhaft ist eine Lichtlaufzeitkamera für ein Lichtlaufzeitkamerasystem vorgesehen, mit einem Lichtlaufzeitsensor mit mehreren Lichtlichtlaufzeitpixeln zur Ermittlung einer Phasenverschiebung eines ausgesendeten und empfangenen Lichts, wobei ausgehend von den erfassten Phasenverschiebungen Entfernungswerte ermittelt werden, wobei die Lichtlaufzeitkamera einen Speicher aufweist, in dem zumindest Parameter einer Punktspreizfunktion, die nach einem der vorgenannten Verfahren ermittelt wurde, abgelegt sind, wobei die Punktspreizfunktion ein Streulichtverhalten und ein Signalübersprechen der Lichtlaufzeitkamera und des Lichtlaufzeitsensors berücksichtigt, mit einer Auswerteeinheit, die derart ausgestaltet ist, dass anhand der abgelegten Punktspreizfunktion ein erfasstes Bild entfaltet und ein korrigiertes Bild ermittelt wird, und dass die Ermittlung der Phasenverschiebungen bzw. Entfernungswerte anhand des korrigiertes Bilds erfolgt.A light transit time camera for a light transit time camera system is particularly advantageously provided, with a light transit time sensor with a plurality of light runtime pixels for determining a phase shift of a transmitted and received light, wherein distance values are determined based on the detected phase shifts, wherein the runtime camera has a memory in which at least parameters of a point spread function, which has been determined according to one of the aforementioned methods, are stored, wherein the point spread function takes into account scattered light behavior and signal crosstalk of the light transit time camera and the light transit time sensor, with an evaluation unit which is designed in such a way that a detected image unfolds and a corrected image is determined on the basis of the stored point spread function and that the determination of the phase shifts or distance values is based on the corrected image.
Vorzugsweise ist die Punktspreizfunktion komplexwertig.Preferably, the point spreading function is complex.
Nützlich ist es ferner, wenn die Entfaltung des erfassten Bilds und der abgelegten Punktspreizfunktion im Fourierraum erfolgt.It is also useful if the unfolding of the acquired image and the stored point spreading function takes place in Fourier space.
Vorzugsweise ist die Punktspreizfunktion als Matrix oder Lookup-Table und/oder als Fouriertransformierte im Speicher abgelegt ist.The point spread function is preferably stored in the memory as a matrix or lookup table and / or as a Fourier transform.
In einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, die Punktspreizfunktion auf einem externen Gerät zu speichern und die Korrektur der Phasenverschiebungen oder Entfernungswerte auf dem externen Gerät durchzuführen.In a further embodiment, it is provided to store the point spreading function on an external device and to carry out the correction of the phase shifts or distance values on the external device.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.The invention will be explained in more detail by means of embodiments with reference to the drawings.
Es zeigen:
-
1 schematisch ein Lichtlaufzeitkamerasystem, -
2 eine modulierte Integration erzeugter Ladungsträger, -
3 ein Aufbau zur Ermittlung einer Punktspreizfunktion, -
4 einen Querschnitt von Bildern zu Ermittlung einer Punktspreizfunktion -
5 eine Erfassung einer Referenzszene, -
6 eine Erfassung eines Objekts vor der Referenzszene, -
7 gemessene Distanzwerte nach6 in Relation zu den tatsächlichen Distanzen, -
8 eine Erfassung von zwei Referenzflächen mit unterschiedlichem Abstand, -
9 gemessene Distanzwerte nach8 in Relation zu den tatsächlichen Distanzen, -
10 einen möglichen schematischen Ablauf der Streulichtkorrektur im Sinne der Erfindung.
-
1 schematically a light transit time camera system, -
2 a modulated integration of generated charge carriers, -
3 a structure for determining a point spread function, -
4 a cross-section of images to determine a point spread function -
5 a capture of a reference scene, -
6 a detection of an object in front of the reference scene, -
7 measured distance values after6 in relation to the actual distances, -
8th a detection of two reference surfaces with different distances, -
9 measured distance values after8th in relation to the actual distances, -
10 a possible schematic sequence of stray light correction in the context of the invention.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.In the following description of the preferred embodiments, like reference characters designate like or similar components.
Das Lichtlaufzeitkamerasystem
Der Lichtlaufzeitsensor
Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit und somit die zurückgelegte Wegstrecke des empfangenen Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle
Entsprechend des eingestellten Modulationssignals sendet die Lichtquelle
Als Beleuchtungsquelle bzw. Lichtquelle
Das Grundprinzip der Phasenmessung ist beispielhaft schematisch in
Zur Bestimmung der PSF ist es günstig, wenn die Lichtquelle 112 im Wesentlichen nur ein einziges Pixel 23 vorzugsweise weniger als 3×3 und insbesondere weniger als 5×5 Pixel 23 des Lichtlaufzeitsensors
Die Qualität der Punktspreizfunktion PSF lässt sich bei Bedarf verbessern, wenn mehrere Punktspreizfunktionen anhand mehrerer singulär beleuchteter Pixel 23 ermittelt werden. Beispielsweise ist es sinnvoll, auch Pixel 23 außerhalb der optischen Achse zu beleuchten um an diesen Positionen weitere Punktspreizfunktionen zu ermitteln. Ausgehend von den ermittelten Punktspreizfunktionen kann dann eine Punktspreizfunktion ermittelt werden, die für die späteren Korrekturen herangezogen werden soll.The quality of the point spreading function PSF can be improved if necessary, if several point spreading functions are determined on the basis of a plurality of singularly
Da die erwähnte Elektronendiffusion typischerweise mit einer Diffusionsgeschwindigkeit erfolgt, die signifikant geringer ist als die Lichtausbreitung, erreichen die Elektronen benachbarte Pixel zeitverzögert, so dass sich der Einfluss der Elektronendiffusion auch als Phasenverschiebung bemerkbar macht. Die Punktspreizfunktion PSF erhält somit auch komplexwertige Anteile. Zur genaueren Bestimmung dieser Größen ist es daher von Vorteil, die Lichtquelle 112 in verschiedenen Phasenlagen zu betreiben.Since the mentioned electron diffusion typically occurs at a diffusion rate that is significantly lower than the propagation of light, the electrons reach adjacent pixels with a time delay, so that the influence of electron diffusion also manifests itself as a phase shift. The point spread PSF thus also receives complex valued shares. For more accurate determination of these quantities, it is therefore advantageous to operate the
Da eine Punktspreizfunktion typischerweise einen hohe Dynamik über mehrere Zehnerpotenzen aufweist, ist es zur Erfassung der PSF ferner von Vorteil, die Punktlichtquelle 112 mit unterschiedlichen Intensitäten und/oder den Sensor
Zur Kompensation von Dunkelströmen ist es hilfreich, Bildsignale I(x) sowohl bei ein- und ausgeschalteter Lichtquelle 112 zu erfassen.To compensate for dark currents, it is helpful to capture image signals I (x) both when the
Aus der Summe aller Messungen kann dann ein Modell einer Punktspreizfunktion generiert werden, das für alle Pixel 23 anwendbar ist.From the sum of all measurements, a model of a point spread function can be generated, which is applicable to all
Ein solches Modell kann entsprechend folgender Überlegungen generiert werden: Da die gemessene PSF rauschbehaftet ist und beispielsweise Artefakte enthalten kann, die sehr spezifisch für die Pixelposition auf dem Sensor sind, erhält man eine „saubere“ PSF beispielsweise durch einen Fit der gemessenen PSF an ein geeignetes Modell. Als Modell eignen sich z.B.
Hierbei bezeichnet
Da das meiste Licht auf den Zentralpixel der PSF fällt, ist es hilfreich, dem Modell eine örtlich schmale Funktion B(r) hinzuzufügen, die diesen Anteil wiederspiegelt. Dies kann z.B. ein Dirac-Delta, oder eine Gauß-Funktion sein, die beispielsweise die Linsenunschärfe beschreibt.Since most of the light falls on the central pixel of the PSF, it is helpful to add to the model a locally narrow function B (r) that reflects that fraction. This can e.g. a Dirac delta, or a Gaussian function describing, for example, the lens blurring.
Aus Effizienzgründen ist es von Vorteil, die PSF beispielsweise in Form einer Spline-Kurve zu beschreiben. Um Phasenverschiebungen mit dieser PSF zu beschreiben, kann der Spline beispielsweise neben dem Realteil auch einen komplexwertigen Anteil haben. Dadurch wird auch die PSF komplexwertig. Geeignete Fitting-Parameter sind dann beispielsweise die Werte an den Knoten der Splines, die Norm-Parameter p und pB, sowie Parameter, die die Form von B(r) angeben. Anstatt die komplette PSF abzuspeichern, ist es von Vorteil, lediglich die nötigen Parameter abzuspeichern, um bei der Initialisierung der Software die PSF aus diesen Parametern zu generieren.For reasons of efficiency, it is advantageous to describe the PSF in the form of a spline curve, for example. In order to describe phase shifts with this PSF, the spline may, for example, have a complex-valued component in addition to the real part. This also makes the PSF complex. Suitable fitting parameters are then, for example, the values at the nodes of the splines, the norm parameters p and p B , as well as parameters that specify the shape of B (r). Instead of the complete PSF It is advantageous to save only the necessary parameters in order to generate the PSF from these parameters when the software is initialized.
Im laufenden Betrieb der Lichtlaufzeitkamera besteht dann die Möglichkeit anhand der hinterlegten Parameter und der daraus genierten PSF die Distanzwerte hinsichtlich Streulichteinflüsse zu bereinigen.During operation of the time of flight camera, it is then possible to use the stored parameters and the resulting PSF to clean up the distance values with regard to scattered light influences.
Mit Hilfe des beschriebenen Aufbaus wird vorzugsweise ein erstes Bild
Außerdem wird ein zweites Bild
Bei den Aufnahmen kann entweder unmoduliertes Licht verwendet werden oder Lichtquelle und Sensor können auf übliche Weise moduliert werden. In letzterem Fall sind die Bilder
Für beide Bilder kann es hilfreich sein, anstatt eines Bildes eine Serie von Bildern aufzunehmen und diese zu mitteln, um das Rauschen weiter zu reduzieren.For both images, it may be helpful to take a series of images instead of an image and average them to further reduce the noise.
Um konsistente Werte zwischen dem ersten und zweiten Bild zu erlangen, werden beispielsweise die Helligkeiten (oder Amplituden) mit den unterschiedlichen Integrationszeiten normiert:
Auf den erhaltenen Bildern ist i.A. die genaue Position des beleuchteten Zentralpixels
Das Zentrum der zusammenhängenden Fläche, ist eine gute Schätzung für das Zentralpixel bzw. den Zentralpunkt
Nun wird das Bild
Für die numerische Minimierung gemäß Gleichung (4) gibt es zahlreiche Algorithmen, wie z.B. das Nelder-Mead-Verfahren.For the numerical minimization according to equation (4), there are numerous algorithms, e.g. the Nelder-Mead procedure.
Zusätzlich zu PB und pB kann es auch bessere Ergebnisse liefern, in Gleichung (4) das Zentrum
Nun wird das zweite Bild
Bei Bedarf kann der zentrale Anteil der PSF, der durch B(r) beschrieben wird unberücksichtigt bleiben.If necessary, the central portion of the PSF described by B (r) can be disregarded.
Analog zum ersten Fit sind hier PA die Parameter der Modellfunktion
Die Fit-Parameter PA sind in diesem Fall A0, pA, sowie die Funktionswerte der Splines an den Knotenpunkten. Nach Bedarf kann die Lage der Knotenpunkte ebenfalls Teil der Fit-Parameter PA sein.The fit parameters P A in this case are A 0 , p A , as well as the function values of the splines at the nodes. If necessary, the location of the nodes can also be part of the fit parameter P A.
Mit den erhaltenen Parametern PA und PB, sowie dem PSF-Modell beispielsweise nach Gleichung (1) ist es nun möglich, eine artefaktfreie und nicht rauschbehaftete PSF zu generieren. Anstatt die komplette PSF abzuspeichern, ist es von Vorteil, lediglich diese oder andere geeignete Parameter abzuspeichern, aus denen bei der Initialisierung der Software die PSF generiert werden kann.With the obtained parameters P A and P B , as well as the PSF model, for example according to equation (1), it is now possible to generate an artifact-free and non-noisy PSF. Instead of storing the complete PSF, it is advantageous to store only these or other suitable parameters from which the PSF can be generated when the software is initialized.
Bevorzugt ist es vorgesehen, die mit unterschiedlichen Belichtungszeiten erfassten Aufnahmen getrennt voneinander zu bearbeiten:
Die Teil-Modelle
Im Vorgenannten wurde die Kalibrierung anhand einer Punktlichtquelle mit Blende als Lichtquelle bzw. Lichtquellensystem beschrieben. Selbstverständlich ist die Kalibrierung nicht auf eine solche Lichtquelle eingeschränkt, sondern es kommen alle Lichtquellen oder Lichtsysteme in Betracht, die einen geeigneten Lichtpunkt erzeugen können.In the foregoing, the calibration has been described with reference to a point light source with aperture as the light source or light source system. Of course, the calibration is not limited to such a light source, but all light sources or light systems are considered, which can generate a suitable light spot.
Die Bilder können beispielsweise wie in
In
Alternativ ist es beispielsweise möglich, statt zwei Bilder nur ein Bild von einem Target in hinreichender Distanz von einer flachen Referenzszene bzw. -ebene (z.B. Wand, Tisch, Boden) zu erfassen. Zur Bestimmung der PSF werden nun die Parameter solange variiert, bis die Referenzfläche hinter dem Target möglichst eben ist, bzw. die Abweichungen der korrigierten Referenzfläche von einer Ebene kleiner sind, als ein tolerierter Grenzwert.Alternatively, for example, instead of two images, it is possible to capture only one image of a target at a sufficient distance from a flat reference scene (e.g., wall, table, floor). To determine the PSF, the parameters are now varied until the reference surface behind the target is as flat as possible, or the deviations of the corrected reference surface from one plane are smaller than a tolerated limit.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Dimensionen und Abstände der Referenzszene und/oder des eingebrachten Targets im Vorfeld bekannt sind.It is particularly advantageous if the dimensions and distances of the reference scene and / or of the introduced target are known in advance.
Die vom Sensor gemessenen Rohbilder Dj (z.B. j = 0,1,2,3 entsprechend der Phasenlagen 0°, 90°, 180°, 270°) sind, mathematisch gesehen, eine Faltung der unbekannten, nicht Streulichtverfälschten Rohbildern
Interessant für die Weiterverarbeitung sind die komplexwertigen Bilder
Da die Faltung eine lineare Operation ist, gilt analog für I(x) und das nicht-streulichtverfälschte komplexwertige Bild I0(x):
Die Entfaltung wird im Fourier-Raum durchgeführt. Dazu werden I(x) und die PSF Fouriertransformiert
Gleichung 4 wird damit zu:
Damit erhält man das nicht-streulichtverfälschte Bild
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- LichtlaufzeitkamerasystemTime of flight camera system
- 1010
- Beleuchtungsmodullighting module
- 1212
- Beleuchtunglighting
- 1515
- StrahlformungsoptikBeam shaping optics
- 2020
- Empfänger, LichtlaufzeitkameraReceiver, light time camera
- 2222
- LichtlaufzeitsensorTransit Time Sensor
- 3030
- Modulatormodulator
- 3535
- Phasenschieber, BeleuchtungsphasenschieberPhase shifter, lighting phase shifter
- 4040
- Objektobject
- φ, Δφ(tL)φ, Δφ (t L )
- laufzeitbedingte Phasenverschiebungterm-related phase shift
- φvar φ var
- Phasenlagephasing
- φ0 φ 0
- Basisphasebase phase
- M0 M 0
- Modulationssignalmodulation signal
- p1p1
- erste Phasefirst phase
- p2p2
- zweite Phasesecond phase
- Sp1 S p1
- Sendesignal mit erster PhaseTransmission signal with first phase
- Sp2 S p2
- Empfangssignal mit zweiter PhaseReceived signal with second phase
- tL t L
- LichtlaufzeitTransit Time
- Ga, GbGa, Gb
- Integrationsknotenintegration node
- dd
- Obj ektdistanzObject distance
- Ladungcharge
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 19704496 A1 [0002, 0016]DE 19704496 A1 [0002, 0016]
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2017
- 2017-04-04 DE DE102017205745.9A patent/DE102017205745A1/en active Pending
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IMAGEJ: Deconvolution. Stand 22.03.2017. URL: https://imagej.net/Deconvolution [abgerufen am 07.03.2018] * |
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