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Die Erfindung betrifft ein Kamerasystem zur räumlichen Erfassung einer Fahrzeugumgebung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art, und ein Verfahren zur Ansteuerung des Kamerasystems gemäß Anspruch 4.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Stereokameras bekannt, mit welchen es möglich ist ein räumliches Bild einer erfassten Umgebung zu erzeugen und anhand von Analyseeinrichtungen näher auszuwerten. Dabei umfassen die Stereokameras im Wesentlichen zwei Kameras, die in einem Abstand in einer horizontalen Ebene quer zu ihrer optischen Achse zueinander angeordnet sind. Dadurch können räumliche Bilder erzeugt werden, indem die Bilder der beiden versetzten Kameras überlagert werden. Hierdurch ist es beispielsweise möglich die Abstände und Tiefen von erfassten Objekten zu berechnen. Mittels einer Monokamera ist dies nicht möglich und würde weitere Sensoren erfordern.
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Ein Nachteil der Stereokamera ist insbesondere der vergleichsweise hohe Preis aufgrund der umfangreichen Technik. Weiter müssen die beiden Kameras einer Stereokamera einzeln aufeinander abgestimmt sein, um exakte Resultate zu erzielen. Die Abstimmung und Justage der beiden Kameras ist zudem zeitaufwändig und fehleranfällig.
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Aus der 10 2016 013 503 A1 ist ein Kamerasystem bekannt, welches mittels einer Monokamera und einer Bildverarbeitungseinheit Bilder mit einem Stereoeffekt erzeugt. Lichtstrahlen dringen hierbei durch zwei beabstandete Lichteintrittsfenster und werden mittels je einem optischen Umlenkmittel zu einem zentralen, rotierenden und optischen Umlenkmittel reflektiert. Hier werden die Lichtstrahlen in Abhängigkeit einer Winkelstellung des rotierenden Umlenkmittels an die Monokamera geleitet und mittels der Bildverarbeitungseinheit in Stereobilder umgerechnet und weiter analysiert.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Kamerasystem anzugeben, das die genannten Nachteile vermeidet und die Vorteile einer Stereokamera kombiniert. Insbesondere soll es Kostengünstig und leicht anzuwenden sein.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Kamerasystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ein Verfahren zur Ansteuerung des Kamerasystems wird mit den Merkmalen des Anspruchs 4 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich jeweils aus den abhängigen Unteransprüchen.
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Das erfindungsgemäße Kamerasystem zur räumlichen Erfassung einer Fahrzeugumgebung umfasst dabei eine Monokamera. Kennzeichnet ist, dass die Monokamera quer zu ihrer optischen Achse bewegbar angeordnet ist, wodurch eine Positionsänderung der Monokamera zwischen verschiedenen nacheinander erfassten Bildern erzielbar ist.
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Als optische Achse ist der Strahlengang des Lichtes definiert, welcher sich durch einen Lichteinfall durch eine Kameralinse zu einem Bildsensorelement ergibt.
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Die Positionsänderung der Monokamera ist notwendig, damit ein Umgebungsbereich aus wenigstens zwei verschiedenen Blickwinkeln erfassbar ist und woraus sich ein Stereobild errechnen lässt. Die Positionsänderung kann dabei je nach Anwendungsfall und Aufgabe auf eine bestimmte Ebene beschränkt sein. Beispielsweise auf eine vertikale Bewegungsebene, wenn ein Abstand zu einer Ampel ermittelt werden muss, oder eine horizontale Bewegungsebene wenn Verkehrszeichen oder Lebewesen zu erfassen sind.
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Die Streckenlänge der Positionsänderung der Monokamera zwischen zwei Extrempositionen ihres Bewegungsbereichs - und damit ein definierter Winkelversatz des Erfassungsbereichs -, ist von dem zu ermittelnden Abstand des Erfassungsobjektes, einer vorgegebenen Taktfrequenz und dem Gewicht des Kamerasystems abhängig. Die Taktfrequenz ist hierbei eine zeitliche Abfolge von Bildaufnahmen an den beiden Extrempositionen. Jeweils zwei aufeinanderfolgende Bildaufnahmen von je einer separaten Position der Monokamera bilden ein Bilderpaar, welche zur Erstellung des Stereobildes erforderlich sind. Je höher die Taktfrequenz ist, desto präziser kann beispielsweise ein sich bewegendes Objekt in dessen Bewegungsverlauf bestimmt werden.
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Dieser Aufbau des erfindungsgemäßen Kamerasystems ist außerordentlich einfach und robust. Es benötigt als wesentliche Sensorik lediglich eine Monokamera, welche zwischen zwei definierten Extrempositionen bewegbar ist.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, wenigstens eine Führungsschiene zur Führung der Monokamera während der Querbewegung zu dessen optischen Achse einzusetzen. Dadurch werden die Stabilität und eine Aufnahmegenauigkeit des Kamerasystems erhöht. Gleichzeitig können durch entsprechende Begrenzungen auf, an, oder im Bereich der Führungsschiene, die Extrempositionen definiert werden.
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Denkbar ist in diesem Zusammenhang, dass die Monokamera oder ein Gehäuseteil der selbigen, in einer Vertiefung, auf einem Luftpolster oder mittels einer hydrodynamischen Gleitschicht auf der wenigstens einen Führungsschiene bewegbar ist. Beispielsweise kann eine Gleitschicht erzeugt werden, indem ein Fluid mittels einem Überdruck aus wenigstens einer Öffnung an einer Lauffläche der Führungsschiene gedrückt wird. Ebenso sind Gleit- oder Kugellager, welche an der Monokamera angeordnet sind für eine reibungsminimierte Führung denkbar.
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Eine weitere Variante der Idee sieht vor, dass die Monokamera mittels Elektromagneten bewegbar ist. Hierbei ist jeweils ein Elektromagnet vorgesehen, der quer zu der optischen Achse angeordnet ist. Die wenigstens zwei Elektromagneten sind mittels einer Steuereinrichtung abwechselnd alternierend aktivierbar. Es ist vorgesehen, dass die Monokamera, das Gehäuse oder Teile hierbei ebenfalls magnetische Bestandteile aufweisen, wodurch ein entsprechender Gegenpol für die magnetischen Kräfte gebildet wird. Erfolgt eine Aktivierung des Elektromagneten im Bereich einer Extremposition, entstehen hierbei magnetische Kräfte, wodurch die Monokamera zu der jeweiligen Seite bewegt wird.
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Eine höhere Beschleunigung der Monokamera - und damit auch eine höhere Aufnahmefrequenz eines Bildpaares - kann beispielsweise durch eine Zusätzliche Steuerung erzielt werden. Die Steuerung schaltet dabei zum Zeitpunkt einer magnetischen Anziehung zu einer Extremposition mittels des anziehenden Elektromagneten ein zusätzliches Abstoßen durch den eigentlich in dieser Phase inaktiven Elektromagneten. Bei dieser Variante sind beide Elektromagneten an der Bewegung der Monokamera zu einer Extremposition gleichzeitig beteiligt. Der erste Elektromanget erzeugt die magnetische Anziehung, der zweite Elektromanget erzeugt im gleichen Moment eine magnetische Abstoßung.
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Um eine negative Beschleunigung und damit ein definiertes Abbremsen der Monokamera zu erzielen, ist es denkbar Dämpfer zur Abbremsung an oder im Bereich der Führungsschiene anzubringen. Ebenfalls ist es denkbar, dass die Monokamera nach Erreichen einer bestimmten Wegstrecke oder eines bestimmten Punktes, mittels den Elektromagneten abgebremst wird. Hierbei kann beispielsweise ein Elektromanget so gesteuert werden, dass der Bewegungsrichtung gegenüberliegende Elektromanget eine magnetische Kraft erzeugt, die der eigentlichen Bewegungsrichtung der Monokamera entgegenwirkt und dadurch abbremst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ansteuerung des Kamerasystems sieht vor, dass aus den Daten des Kamerasystems ein Abstand zu einem erfassten Objekt errechnet wird, indem mittels zwei aufeinanderfolgend erfasste Bildern, aus verschiedenen Extrempositionen der Monokamera, ein Stereobild erzeugt wird.
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Eine Analyseeinrichtung kann dabei beispielsweise mit der Monokamera verbunden sein und als Recheneinheit dienen, welche mittels Algorithmen das Stereobild aus dem Bildpaar erzeugt und räumlich analysiert. Als mögliche Objekte kommen beispielsweise Lebewesen, andere Verkehrsteilnehmer, Verkehrszeichen oder Signale in Betracht. Ein Bewegungsverlauf oder ein Abstand zu den Objekten ist beispielsweise zur Steuerung eines autonom fahrenden Fahrzeuges relevant. Hierdurch kann u.a. zu einer Verbesserung der Verkehrssicherheit beigetragen werden.
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Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Monokamera in einer konstanten Position verweilt, in dem die Elektromagneten nicht aktiviert werden, bis ein definiertes Objekt von dem Kamerasystem erkannt wird. Um weitere Informationen zu dem definierten Objekt zu erhalten, wird die Erstellung des Stereobildes eingeleitet, worauf die Kamera alternierend bewegt und wenigstens ein Bildpaar erfasst wird. Hieraus kann dann beispielsweise der genaue Abstand zu dem Objekt errechnet werden.
Diese Variante stellt eine materialschonende Ausführungsform dar, da die Monokamera erst auf Abruf in Bewegung versetzt wird. Ein unnötiger Verschleiß bewegbarer Teile wird dadurch vermieden.
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Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die beiden Elektromagneten permanent alternierend aktiviert werden. Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform werden die Elektromagneten nicht erst bei dem erfassen eines bestimmten Objektes aktiviert, sondern kontinuierlich. Durch diese Variante bewegt sich die Monokamera fortlaufend zwischen den beiden Extrempositionen, wobei die Umgebung ununterbrochen erfasst und analysiert wird.
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Eine Verwendung des Kamerasystems und/oder des Verfahrens zur Ansteuerung des Kamerasystems erfolgt in einem Fahrzeug. In bevorzugter weise wird das Kamerasystem hierbei zur Verkehrsbeobachtung eingesetzt, um auf mögliche Gefahrensituationen reagieren zu können. Als mögliche Montagestellen ist beispielsweise ein Bereich an einer Windschutzscheibe oder an einem Kotflügel des Fahrzeuges denkbar.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand eines exemplarischen Beispiels deutlich, welches nachfolgend unter der Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt ist.
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Dabei zeigen:
- 1 eine anwendungsorientierte Verkehrssituation, bei der das erfindungsgemäße Kamerasystem eingesetzt wird;
- 2 eine bewegliche Monokamera in einer linken Extremposition; und
- 3 die bewegliche Monokamera in einer rechten Extremposition.
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In 1 ist eine anwendungsorientierte Verkehrssituation 1 ersichtlich, bei der das erfindungsgemäße Kamerasystem 2 eingesetzt wird. Das Kamerasystem 2 ist dabei in einem Fahrzeug 3 hinter einer Windschutzscheibe 3.1 und auf Höhe eines Rückspiegels angebracht, erkennt Objekte 4 und analysiert hiervon erfasste Aufnahmen auf weitere Merkmale. Das Kamerasystem 2 umfasst eine Kameraperipherie, welche für eine Auswertung der erfassten Aufnahmen und eine Steuerung der wesentlichen Systemkomponenten benötigt wird. Die Steuerung erfolgt mittels einer Steuereinrichtung 2.1 und die Auswertung der erfassten Aufnahmen erfolgt mittels einer Analyseeinrichtung 2.2. Die Monokamera 2.3 erfasst eine Fahrzeugumgebung sensorisch.
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Aus den beiden 2 und 3 ist ein Teil des Kamerasystems 2 ersichtlich, der im Wesentlichen die Monokamera 2.3 umfasst. Es zeigt insbesondere eine Bewegungseinrichtung, welche es ermöglicht die Monokamera 2.3 alternierend und quer zu ihrer optischen Achse, von einer linken (aus der 2 ersichtlich) in eine rechte (aus der 3 ersichtlich) Extremposition zu bewegen. Die Bewegung der Monokamera 2.3 erfolgt linear, angedeutet durch den Pfeil A.
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Die Bewegung der Monokamera 2.3 zu einer Extremposition wird durch aktivierbare Elektromagneten 2.4 eingeleitet. Eine Anordnung der Elektromagneten 2.4 erfolgt in vorteilhafter weise im Bereich der Extrempositionen. Zwei Führungsschienen 2.5 verbinden die beiden Extrempositionen, führen und stabilisieren im Anwendungsfall die hieran angeordnete Monokamera 2.3 bei dessen linearer Bewegung (Pfeil A).
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass bei einer Aktivierung eines Antriebsmotors des Fahrzeuges 3 oder bei dessen Fortbewegung, das Kamerasystem 2 fortlaufend eine Fahrzeugumgebung erfasst und bezüglich vorhandener Objekte 4 auswertet. Die Bewegung der Monokamera 2.3 zwischen den beiden Extrempositionen wird permanent ausgeführt. Sind die Objekte 4 erfasst und erkannt worden, werden diese auf relevante Parameter, wie beispielsweise deren genauen Abstand zu dem Fahrzeug 3 oder deren Bewegungsrichtung errechnet.
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Hierzu ist es notwendig, die Monokamera 2.3 in einem möglichst kurzen Zeitabstand, von einem ersten Bildbereich in welchem das Objekt 4 platziert ist, zu einem zweiten Bildbereich zu manövrieren. Die beiden Bildbereiche entsprechen der Kameraplatzierung in den beiden Extrempositionen. Zu beiden Zeitpunkten erfolgt eine Aufnahme der Monokamera 2.3 der Bildbereiche. Die Analyseeinrichtung 2.2 erzeugt aus einem Bildpaar - bestehend aus den beiden Bildern der Extrempositionen - ein Stereobild. Daraus lässt sich beispielsweise der Abstand zu dem Objekt 4 ermitteln.
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Bei der Umsetzung der alternierenden linearen Bewegung der Monokamera 2.3, werden die Elektromagneten 2.4 abwechselnd von der Steuereinrichtung 2.1 aktiviert, wodurch zumindest eine magnetische Anziehung der Monokamera 2.3 in die jeweilige Richtung der Extremposition erfolgt. Gleichzeitig ist es dankbar, dass der zum Zeitpunkt der magnetischen Anziehung eigentlich inaktive Elektromagnet 2.4 umgepolt wird und dadurch die Monokamera 2.3 zusätzlich in die jeweilige Richtung der Extremposition drückt. Damit ist eine höhere Beschleunigung und damit eine höhere Taktfrequenz der Monokamera 2.3 möglich, da beide Elektromagneten 2.4 gleichzeitig an der Beschleunigung beteiligt sind.
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Für eine möglichst reibungsarme Führung der Monokamera 2.3 durch die Führungsschienen 2.5 zum Zeitpunkt der linearen Bewegung A, ist es dankbar, dass beispielsweise Kugellager die beiden Komponenten, umfassend Monokamera 2.3 und Führungsschienen 2.5, verbinden.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass bei einer Aktivierung des Antriebsmotors des Fahrzeugs 3 oder bei dessen Fortbewegung, das Kamerasystem 2 zwar fortlaufend die Fahrzeugumgebung erfasst und bezüglich der Objekte 4 auswertet, die Bilder dabei lediglich aus einer konstanten Position erfasst werden. Sobald ein Objekt 4 erkannt wird und der Abstand dazu ermittelt werden soll, erfolgt eine Bewegung der Monokamera 2.3 zwischen den beiden Extrempositionen, wobei Stereobilder erzeugt und analysiert werden.
