DE102018104668B4 - Photoflash camera and method of operating such - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Lichtlaufzeitkamera nach dem Phasenmessprinzip unter Verwendung von wenigstens zwei Modulationsfrequenzen, bei dem zur Bestimmung eines Distanzwerts ein ermittelter Messwert in ein zu den Raumdiagonalen eines rauschnormierten Vektorraumes orthogonalen Basis transformiert wird und ein wahrscheinlicher Distanzwert in dieser orthogonalen Basis ermittelt wird.

Figure DE102018104668B4_0000
Method for operating a light transit time camera according to the phase measurement principle using at least two modulation frequencies, wherein for determining a distance value, a determined measured value is transformed into a base orthogonal to the space diagonal of a rauschnormierten vector space and a probable distance value is determined in this orthogonal basis.
Figure DE102018104668B4_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Lichtlaufzeitkamera nach dem Phasenmessprinzip nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.The invention relates to a method for operating a light transit time camera according to the phase measurement principle according to the preamble of the independent claims.

Aus der DE 10 2013 207 647 A1 ist bereits ein Verfahren unter Verwendung mehrerer Frequenzen zur Bestimmung eines Entfernungswerts innerhalb eines erweiterten Eindeutigkeitsbereich bekannt, bei dem mit Hilfe von Raumdiagonalen in einem so genannten Modulo-Raum wahrscheinlichste Entfernungswerte bestimmt werden. Hierbei werden vorzugsweise immer zwei Frequenzpaarungen betrachtet, wobei Fehlmessungen beispielsweise dadurch erkannt werden, wenn zwei aufeinanderfolgende Messungen mit unterschiedlichen Frequenzpaarungen unterschiedliche Entfernungswerte ausweisen.From the DE 10 2013 207 647 A1 For example, a method using several frequencies for determining a distance value within an extended unambiguity range is already known, in which the most probable range values are determined with the aid of spatial diagonals in a so-called modulo space. In this case, two frequency pairings are preferably always considered, with incorrect measurements being recognized, for example, when two consecutive measurements with different frequency pairings indicate different distance values.

Aus der DE 10 2016 213 217 A1 ist ein Lichtlaufzeitkamerasystem bekannt, das Entfernungen aus der Differenz der Phasenversschiebung eines ausgesendeten und empfangenen Lichts bestimmt, wobei in einem Speicher ein physikalisches Rauschmodell aller Lichtlaufzeitpixel des Lichtlaufzeitsensors hinterlegt ist, wobei mit Hilfe einer Auswerteeinheit in Abhängigkeit des hinterlegten Rauschmodels Grenzwerte und/oder Gewichtungen eines zeitlichen und/oder örtlichen Rauschfilters anpasst werden.From the DE 10 2016 213 217 A1 a time of flight camera system is known which determines distances from the difference of the phase shift of a transmitted and received light, wherein in a memory, a physical noise model of all light transit time pixels of the light transit time sensor is stored, with the aid of an evaluation unit depending on the deposited noise model limits and / or weightings of a temporal and / or local noise filters.

Die US 2018/0014003 A1 zeigt ein Entfernungsmesssystem, bei dem mit Hilfe von standardisierten Testobjekten die Performanz des Systems getestet wird.The US 2018/0014003 A1 shows a distance measuring system in which the performance of the system is tested by means of standardized test objects.

Insbesondere werden hierbei die Grenzbereiche der Disparität in einem Multikamerasystem ermittelt. Zur Bestimmung dieser Grenzbereiche wird auf normalisierte Intensitätshistogramme zurückgegriffen und mit einem Referenzhistogramm verglichen. Die lokalen binären Muster sind vornehmlich gegenüber dem Rauschen empfindlich. Es wird daher vorgeschlagen, das Rauschen der Bilder auf die Rauschcharakteristiken der Referenzkamera abzugleichen. In particular, the limits of disparity are determined in a multi-camera system. To determine these limits, normalized intensity histograms are used and compared with a reference histogram. The local binary patterns are primarily sensitive to the noise. It is therefore proposed to match the noise of the images to the noise characteristics of the reference camera.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Genauigkeit und den Messbereich der Entfernungsbestimmung zu verbessern.The object of the invention is to improve the accuracy and the measuring range of the distance determination.

Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is solved by the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.

Vorteilhaft ist ein Verfahren zum Betreiben einer Lichtlaufzeitkamera nach dem Phasenmessprinzip unter Verwendung von mindestens zwei Modulationsfrequenzen vorgesehen, bei dem Entfernungswerte und erlaubte Raumdiagonalen vektoriell beschrieben und mit Hilfe eines Rausch-Terms normiert und in rauschnormiert Entfernungswerte bzw. in erlaubte, rauschnormierte Raumdiagonalen umgerechnet werden.Advantageously, a method for operating a light transit time camera according to the phase measurement principle using at least two modulation frequencies provided in the distance values and allowed space diagonals vectorially described and normalized using a noise term and converted into rauschnormiert distance values or in allowed, rauschnormierte room diagonals.

Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass durch die isotropen Eigenschaften des rauschnomierten Raumes alle weiteren Berechnungen vereinfacht und in ihrer Genauigkeit verbessert werden.This approach has the advantage that all further calculations are simplified and improved in their accuracy by the isotropic properties of the space auschnomierten.

In einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, mit einen wahrscheinlichsten, rauschnormierten Entfernungswert auf der erlaubten, rauschnormierten Raumdiagonale zu bestimmen, der einem gemessenen, rauschnormierten Entfernungswert am nächsten kommt, mit einer Rücktransformation des wahrscheinlichsten, rauschnormierten Entfernungswerts in einen wahrscheinlichsten Entfernungswert.In a further embodiment, it is intended to determine with a most probable, cut-out distance value on the allowed, normalized space diagonal which comes closest to a measured, cut-down distance value, with a back transformation of the most probable, cut-out distance value to a most probable range value.

Besonders nützlich ist es eine Fläche zu bestimmen, die orthogonal zu den rauschnomierten Raumdiagonalen steht und den rauschnormierten Entfernungswert schneidet, mit Bildung eines Schnittpunkt-Koordinatensystems ausgehend von Schnittpunkten der Raumdiagonalen mit der Fläche, so dass die Schnittpunkte durch ganzzahlige Vielfache der Einheitsvektoren des Schnittpunkt-Koordinatensystems beschrieben sind,
Transformation des gemessenen, rauschnormierten Entfernungswerts in das Schnittpunkt-Koordinatensystem in einen transformierten Entfernungswert, Bestimmung eines wahrscheinlichsten, transformierten Entfernungswerts, dem dem transformierten Entfernungswert am nächsten liegenden Schnittpunkt, Rücktransformation des wahrscheinlichsten, transformierten Entfernungswerts in einen wahrscheinlichsten Entfernungswert.
It is particularly useful to determine an area that is orthogonal to the extracted space diagonals and intersects the cut-out distance value, forming an intersection coordinate system from intersections of the space diagonals with the area, such that the intersections are represented by integer multiples of the unit vectors of the intersection coordinate system are described
Transforming the measured uncommitted distance value into the intercept coordinate system into a transformed range value, determining a most probable transformed range value, the closest intersection point to the transformed range value, backtransforming the most probable transformed range value to a most probable range value.

Hierdurch können die Berechnungen vorteilhaft vereinfacht werden, in dem sie in einen um eine Dimension reduzierten Rechenraum durchgeführt werden.As a result, the calculations can be advantageously simplified, in which they are performed in a reduced by one dimension computing space.

In einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, den wahrscheinlichsten, transformierten Entfernungswert zu bestimmen, indem zunächst durch Auf- und Abrunden der Vektorfaktoren des transformierten Entfernungswerts die am nächsten liegenden Schnittpunkte ermittelt werden, und der Abstand nur zu diesen nächstliegenden Schnittpunkten bestimmt wird,
wobei der Schnittpunkt mit dem kleinsten Abstand zum transformierten Entfernungswert den wahrscheinlichsten, transformierten Entfernungswert darstellt.
In a further embodiment, it is provided to determine the most probable, transformed distance value, by first determining the closest intersection points by rounding up and down the vector factors of the transformed distance value, and determining the distance only to these closest intersection points,
wherein the intersection with the smallest distance to the transformed distance value represents the most probable transformed distance value.

Hilfreich ist es auch, die Entfernungsmessungen und die Berechnungen der Entfernungswerte auf einen maximalen Entfernungswert einzuschränken, wobei eine Zuordnung eines wahrscheinlichsten Entfernungswerts nur für Entfernungswerte erfolgt, die kleiner sind als der maximale Entfernungswert.It is also helpful to limit the distance measurements and the calculations of the distance values to a maximum distance value, wherein a most probable range value assignment occurs only for range values smaller than the maximum range value.

Hierbei ist der maximale Entfernungswert vorzugsweise kleiner als der maximale Eindeutigkeitsbereich, wobei durch dieses Vorgehen der Rechenaufwand zur Bestimmung eines Entfernungswerts wiederum reduziert wird.In this case, the maximum distance value is preferably smaller than the maximum uniqueness range, whereby the calculation effort for determining a distance value is again reduced by this procedure.

Nützlich ist es auch, wenn ausgehend von dem Abstand des wahrscheinlichsten Entfernungswerts zum gemessenen Entfernungswert ein Konfidenzwert gebildet wird.It is also useful if a confidence value is formed starting from the distance of the most probable distance value from the measured distance value.

Anhand dieses Vertrauenswerts können beispielsweise in weiteren Verarbeitungsschritten, weitere Entscheidungen getroffen werden.On the basis of this trustworthy example, further decisions can be made in further processing steps.

In einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass für die Zuordnung eines wahrscheinlichsten Entfernungswerts die Zuordnung aus wenigstens einer vorangegangenen oder benachbarten Entfernungsmessung berücksichtigt wird.In a further embodiment, it is provided that the assignment of at least one preceding or adjacent distance measurement is taken into account for the assignment of a most probable distance value.

Insbesondere ist es von Vorteil eine Lichtlaufzeitkamera für die Durchführung eines der vorgenannten Verfahren auszubilden.In particular, it is advantageous to design a light cycle camera for carrying out one of the aforementioned methods.

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 schematisch:

  • 1 Erlaubte, rauschfreie Messungen mit verschiedenen ModulationsFrequenzen,
  • 2 Raumdiagonalen nach Normierung mit der Rausch-Stärke,
  • 3 eine Ebene senkrecht zu den Raumdiagonalen, die einen Messpunkt s schneidet,
  • 4 ein Gitter von Raumdiagonalen auf der senkrechten Ebene gemäß 3.
They show schematically:
  • 1 Allowed, noise-free measurements with different modulation frequencies,
  • 2 Room diagonals after normalization with the noise power,
  • 3 a plane perpendicular to the spatial diagonal, which is a measuring point s cuts,
  • 4 a grid of room diagonals on the vertical plane according to 3 ,

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.

Bei Continuous-Wave (CW) Lichtlaufzeitmessungen taucht typischerweise das Problem auf, dass die Distanz nur modulo ganzzahliger Vielfacher eines Eindeutigkeitsbereichs UR gemessen werden kann: d w = d ¯ + n U R .

Figure DE102018104668B4_0001
In the case of continuous wave (CW) light time measurements, the problem typically arises that the distance can only be measured modulo integer multiples of a uniqueness range UR: d w = d ¯ + n U R ,
Figure DE102018104668B4_0001

Hierbei ist dw die wahre Objektdistanz, d die gemessene Distanz und n eine (zunächst unbekannte) ganze Zahl. Der Eindeutigkeitsbereich UR = c/(2 f) lässt sich einfach aus der Modulationsfrequenz f bestimmen.Here is d w the true object distance, d the measured distance and n an (initially unknown) integer. The uniqueness range UR = c / (2 f) can be easily determined from the modulation frequency f.

Dieses Problem kann durch Messungen mit mehreren verschiedenen Modulationsfrequenzen f1, ..., fD gelöst werden: d w = d ¯ 1 + n 1 U R 1 d w = d ¯ D + n D U R D ,

Figure DE102018104668B4_0002
wobei die unbekannten ni ∈ ℕ „möglichst plausibel“ gewählt werden, d.h. so dass jede Messung in derselben Distanz dw resultiert.This problem can be solved by measurements with several different modulation frequencies f 1 , ..., f D : d w = d ¯ 1 + n 1 U R 1 d w = d ¯ D + n D U R D .
Figure DE102018104668B4_0002
where the unknown n i ∈ ℕ are chosen as "as plausible as possible", ie such that each measurement is at the same distance d w results.

Zur Auffindung der wahren Distanz dw wird erfindungsgemäß folgendes Vorgehen vorgeschlagen. Hierbei ist es hilfreich, die Eindeutigkeitsbereiche UR1, ..., URD als Vielfache eines Basis-Eindeutigkeitsbereichs URm darzustellen, besonders bevorzugt ist es, wenn sich die URi hierbei als ganzzahlige Vielfache von URm darstellen lassen. Beispielsweise könne hierzu der größten gemeinsamen Teiler URm := gcd(UR1, ..., URD) der Eindeutigkeitsbereiche bestimmt werden.To find the true distance d w the following procedure is proposed according to the invention. In this case, it is helpful to represent the uniqueness regions UR 1 ,..., UR D as multiples of a basic unambiguity range UR m , it is particularly preferred if the UR i can be represented here as an integral multiple of UR m . For example, the largest common divisor UR m : = gcd (UR 1 ,..., UR D ) of the uniqueness ranges can be determined for this purpose.

Die Gleichungen 1 lässt sich dann wie folgt vektoriell beschreiben: d 0, m = ( d ¯ 1 d ¯ 2 d ¯ 3 ) = t U R m ( 1 1 1 ) + U R m ( m 1 m 2 m 3 ) .

Figure DE102018104668B4_0003
Equations 1 can then be described vectorially as follows: d 0 m = ( d ¯ 1 d ¯ 2 d ¯ 3 ) = t U R m ( 1 1 1 ) + U R m ( m 1 m 2 m 3 ) ,
Figure DE102018104668B4_0003

Diese Gleichung 2 stellt unverrauschte Messungen mit D = 3 Frequenzen in einem 3-dimensionalen Raum dar. 1 zeigt einen entsprechenden Plot. Ein erster Abschnitt der Raumdiagonale d0,m startet hierbei bei einer Objektdistanz dw = 0, und damit im Ursprung 120 des Diagonalen-Plots, und wandert bei kleinen Distanzen entlang der Ursprungs-Diagonale. Dies lässt sich (parametrisiert durch t) beschreiben mit einem Offset m = (m1,m2,m3)T = (0,0,0)T. Dies führt sich so lange fort, bis zum ersten Mal für eine Messung i ein Eindeutigkeitsbereichs-Sprung erreicht wird, und zwar zunächst bei dem kleinsten der drei URi. Im Beispiel von 1 für i = 3. Von dort springt d i auf null zurück, während sich die anderen Komponenten d j≠i nicht ändern. Dadurch ergibt sich eine neue Diagonale mit Offset mi = 0, während sich mj≠i aus den derzeitigen Werten von d j/URm ergeben.This equation 2 represents noiseless measurements with D = 3 frequencies in a 3-dimensional space. 1 shows a corresponding plot. A first section of the room diagonal d 0, m starts with an object distance d w = 0, and thus in the origin 120 of the diagonal plot, and travels at small distances along the original diagonal. This can be described (parameterized by t) with an offset m = (m 1 , m 2 , m 3 ) T = (0,0,0) T. This continues until, for the first time for a measurement i, a uniqueness range jump is achieved, first at the smallest of the three UR i . In the example of 1 for i = 3. From there jumps d i back to zero while getting the other components d j ≠ i do not change. This results in a new diagonal with offset m i = 0, while m j ≠ i from the current values of d j / UR m .

Mit dem neuen Offset wird Gl. (2) fortgeführt, bis der nächste Eindeutigkeitssprung erreicht wird und erneut analog ein neuer Offset m = (m1, m2, m3)T bestimmt werden muss. Dieses Vorgehen kann man solange fortsetzen, bis man die mit diesem System maximal messbare Objektdistanz dmax erreicht, dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen der Eindeutigkeitsbereiche dmax = lcm(UR1, ..., URD). Hier trifft man wieder auf die Ursprungsgerade mit m = (0,0,0)T.With the new offset, Eq. (2) until the next uniqueness jump is reached and analogously a new offset m = (m 1 , m 2 , m 3 ) T must be determined. This procedure can Continue until you reach the maximum object distance dmax that can be measured with this system, the smallest common multiple of the uniqueness ranges dmax = lcm (UR 1 , ..., UR D ). Here you meet again the original line with m = (0,0,0) T.

Da Eindeutigkeitssprünge nach Konstruktion immer bei ganzzahligen Vielfachen von URm passieren, sind die mi immer ganzzahlig. Möglicherweise sind jedoch nicht alle ganzzahligen Kombinationen erlaubt.Since uniqueness jumps always occur at integer multiples of UR m , the m i are always integer. However, not all integer combinations may be allowed.

Zu bemerken ist, dass alle Diagonalen die Raumrichtung (1,1,1)T haben.It should be noted that all diagonals have the spatial direction (1,1,1) T.

Es ist hilfreich, bei Durchführen der obigen Prozedur zu dokumentieren, bei welchen Objektdistanzen dw Eindeutigkeitssprünge geschehen, und diese samt Offset m = (m1, ...,mD)T abzuspeichern. Möchte man aus einer Geraden mit bestimmtem Offset m später eine Objekt-Distanz bestimmen, ist diese Information vorteilhaft. Zu bemerken ist hierbei, dass auch die Verschiebung einer Geraden um URi in i-Richtung zu einer Lösung nach Gl. 1 führt. Daher sind Offsets m = (m1, ...,mD)T + (k1UR1, ..., k1UR1)T /URm mit ganzzahligen k1, ..., kD äquivalent. Ein im Sinne der Erfindung vorgeschlagener Algorithmus ermöglicht die Wahl dieser Geraden mit ki = ±1, daher können vorteilhafterweise für jeden gefundenen Offset auch Offsets für ki = ±1 abgespeichert werden. Alternativ kann der Chinesische Restsatz verwendet werden, um aus den (rauschfrei angenommenen) Messungen d 1, ..., d D die Objekt-Distanz zu bestimmen.It is helpful to document when performing the above procedure which object distances d w Uniqueness jumps happen, and these together with offset m = (m 1 , ..., m D ) T store. If one wishes to determine an object distance later from a straight line with a certain offset m, this information is advantageous. It should be noted here that the displacement of a straight line by UR i in the i-direction to a solution according to Eq. 1 leads. Therefore, offsets m = (m 1 , ..., m D ) T + (k 1 UR 1 , ..., k 1 UR 1 ) T / UR m are equivalent to integer k 1 , ..., k D. An algorithm proposed in the sense of the invention makes it possible to choose this straight line with k i = ± 1, therefore it is also advantageously possible to store offsets for k i = ± 1 for each offset found. Alternatively, the Chinese Remainder Theorem can be used to exclude (noise-free) measurements d 1 , ..., d D to determine the object distance.

Gln. 1 und 2 sind nur im rauschfreien Fall gültig. Im allgemeinen Fall werden die Messungen d i durch Messungenauigkeiten verfälscht, die für jede Modulationsfrequenz individuell sind. Diese Messungenauigkeiten können verschiedene Ursachen haben und werden im Folgenden als „Rauschen“ bezeichnet. Wir nehmen an, dass für jede Messung i eine Abschätzung σi über die Stärke des Rauschens existiert. In erster Näherung kann σ i t exp , i / f i

Figure DE102018104668B4_0004
angenommen werden, wobei texp,i und fi jeweils Belichtungszeit und Modulationsfrequenz der i-ten Messungen sind. In nullter Näherung können die σi auch als identisch angenommen werden. Aber selbstverständlich können im Rauschterm σi auch weitere Effekte berücksichtigt werden.Gln. 1 and 2 are only valid in a noise-free case. In the general case, the measurements d i is corrupted by measurement inaccuracies that are unique for each modulation frequency. These inaccuracies of measurement can have different causes and are referred to below as "noise". We assume that for every measurement i there exists an estimate σ i about the strength of the noise. In first approximation can σ i α t exp . i / f i
Figure DE102018104668B4_0004
where t exp, i and f i are respectively the exposure time and the modulation frequency of the ith measurements. In the zeroth approximation, the σ i can also be assumed to be identical. But of course, in the noise term σ i also other effects can be considered.

Die Beschreibung der grundlegenden Idee erfolgt mit drei Messungen (D = 3), wobei die Generalisierung auf D Messungen offensichtlich, oder durch eine Anmerkung beschrieben ist.The description of the basic idea is done with three measurements (D = 3), whereby the generalization to D measurements is obvious or described by a note.

Nach Gl. (2) und obigen Bemerkungen lässt sich eine rauschbehaftete 3-Frequenz-Messung mit den drei Ergebnissen d 1, d 2, d 3 darstellen über den Zusammenhang: d ( d ¯ 1 d ¯ 2 d ¯ 3 ) = t U R m ( 1 1 1 ) + U R m ( m 1 m 2 m 3 ) + ( σ 1 η 1 σ 2 η 2 σ 3 η 3 ) .

Figure DE102018104668B4_0005
According to Eq. (2) and the above comments can be a noisy 3-frequency measurement with the three results d 1 , d 2 , d 3 represent about the context: d ( d ¯ 1 d ¯ 2 d ¯ 3 ) = t U R m ( 1 1 1 ) + U R m ( m 1 m 2 m 3 ) + ( σ 1 η 1 σ 2 η 2 σ 3 η 3 ) ,
Figure DE102018104668B4_0005

Hierbei sind m1, m2, m3 ganze Zahlen, die sich wie oben aufgeführt ergeben. Die ηi im rechtesten Term sind Zufallszahlen aus einer (nicht notwendigerweise gaußförmigen) Wahrscheinlichkeitsverteilung mit Mittelwert 0 und Breite 1. Dies beschreibt das Rauschverhalten der einzelnen Messungen. Beispielhaft ist ein solcher verrauschter Messpunkt d in 1 eingezeichnet. Aufgabe ist es nun einen solchen verrauschten Messpunkt d einer wahren oder zumindest wahrscheinlichsten Distanz zuzuordnen.Here, m 1 , m 2 , m 3 are integers that result as listed above. The η i in the rightmost term are random numbers from a (not necessarily Gaussian) probability distribution with mean 0 and width 1 , This describes the noise behavior of the individual measurements. By way of example, such a noisy measuring point d in 1 located. The task is now such a noisy measuring point d a true or at least most likely distance d assigned.

Zum Finden der wahrscheinlichsten Objektdistanz aus verrauschten Messungen ist es hilfreich, die Messungen mit den dazugehörigen Rausch-Stärken σi zu normieren: s ( s 1 s 2 s 3 ) : = ( d ¯ 1 / σ 1 d ¯ 2 / σ 2 d ¯ 3 / σ 3 ) = t U R m ( 1 / σ 1 1 / σ 2 1 / σ 3 ) + U R m ( m 1 / σ 1 m 2 / σ 2 m 3 / σ 3 ) + ( η 1 η 2 η 3 ) ,

Figure DE102018104668B4_0006
und mit η = 0 bestimmen sich die Raumdiagonalen s0,m im rauschnomierten Raum: s 0, m = t U R m ( 1 / σ 1 1 / σ 2 1 / σ 3 ) + U R m ( m 1 / σ 1 m 2 / σ 2 m 3 / σ 3 )
Figure DE102018104668B4_0007
To find the most likely object distance d from noisy measurements it is helpful to normalize the measurements with the corresponding noise strengths σ i : s ( s 1 s 2 s 3 ) : = ( d ¯ 1 / σ 1 d ¯ 2 / σ 2 d ¯ 3 / σ 3 ) = t U R m ( 1 / σ 1 1 / σ 2 1 / σ 3 ) + U R m ( m 1 / σ 1 m 2 / σ 2 m 3 / σ 3 ) + ( η 1 η 2 η 3 ) .
Figure DE102018104668B4_0006
and with η = 0, the spatial diagonals are determined s 0, m in the room: s 0 m = t U R m ( 1 / σ 1 1 / σ 2 1 / σ 3 ) + U R m ( m 1 / σ 1 m 2 / σ 2 m 3 / σ 3 )
Figure DE102018104668B4_0007

Dies ergibt, wie in 2 gezeigt, ein zur 1 ähnliches Diagramm, bei dem die Diagonalen nun in Raumrichtung (1/σ1, 1/σ2, 1/σ3) orientiert sind. Der Index m spezifiziert durch den Offset, um welche der Diagonalen es sich handelt.This gives, as in 2 shown a to 1 similar diagram, in which the diagonals are now oriented in the spatial direction (1 / σ 1 , 1 / σ 2 , 1 / σ 3 ). The index m specifies by the offset which of the diagonals it is.

Der Rausch-Term (η1, η2, η3, )T stellt sich nun als eine kugelsymmetrische Abweichung der Messung von dem idealisierten Wert s0,m dar, angedeutet durch die Wolke 110.The noise term (η 1 , η 2 , η 3 ,) T now turns out to be a spherically symmetric deviation of the measurement from the idealized value s 0, m indicated by the cloud 110 ,

Für eine gegebene Messung s ist die wahrscheinlichste Objektdistanz bzw. der wahrscheinlichste, rauschnormierte Entfernungswert s0,m ein Punkt auf einer Raumdiagonale s0,m , der dem Messpunkt bzw. dem gemessenen Entfernungswert s am nächsten liegt.For a given measurement s is the most likely object distance, or the most likely, cut-down distance value s s 0, m one point s on a room diagonal s 0, m , the measuring point or the measured distance value s is closest.

In einem Distanzraum gemäß Gl. (3) wäre das nur der Fall, wenn das Rauschen in allen Raumrichtungen gleich wäre, was jedoch typischerweise nicht der Fall ist. In a distance space according to Eq. (3) this would only be the case if the noise were the same in all spatial directions, which is not typically the case.

Zum Finden der wahrscheinlichsten Objektdistanz sind verschiedene Ansätze, wie z.B. ein Brute-Force-Ansatz, möglich.To find the most probable object distance, various approaches, e.g. a brute-force approach, possible.

Erfindungsgemäß wird jedoch folgender Ansatz bevorzugt. Wie in 3 gezeigt, wird zu den rauschnomierten Raumdiagonalen s0,m eine Fläche 330 senkrecht zu den Raumdiagonalen bestimmt und der rauschnomierte Raum im KoordinatenSystem dieser Fläche mit den Basis-Vektoren n1, n2, n3 transformiert, bei dem beispielsweise n 3 = 1 i σ i 2 ( σ 1 1 σ 2 1 σ 3 1 )

Figure DE102018104668B4_0008
entlang der Raumdiagonalen gerichtet ist und n1, n2 das orthonormale Komplement zu n3 sind, sodass n1, n2, n3 eine Orthonormal-Basis bilden. Im allgemeinen Fall mit D > 3 Messungen ist nD analog zu Gl. (6) zu wählen und dann D - 1 orthonormale Basis-Vektoren n1, ...,nD-1 (z.B. durch das Gram-Schmidt'sche Orthogonalisierungsverfahren) zu finden.According to the invention, however, the following approach is preferred. As in 3 shown becomes the rauschnomierten room diagonals s 0, m an area 330 determined perpendicular to the space diagonals and the rauschnomierte space in the coordinate system of this surface with the base vectors n 1 , n 2 , n 3 transformed, in the example n 3 = 1 Σ i σ i - 2 ( σ 1 - 1 σ 2 - 1 σ 3 - 1 )
Figure DE102018104668B4_0008
is directed along the spatial diagonal and n 1 , n 2 are the orthonormal complement to n 3 , so that n 1 , n 2 , n 3 form an orthonormal basis. In the general case with D> 3 measurements, n D is analogous to Eq. (6) and then find D - 1 orthonormal basis vectors n 1 , ..., n D-1 (eg by the Gram-Schmidt orthogonalisation method).

Die Fläche 330 wird so bestimmt, dass auch der rauschnormierte Messpunkt s auf der Fläche 330 liegt. Die Schnittpunkte der Raumdiagonalen s0,m mit der Fläche 330 sind mit p0,m gekennzeichnet.The area 330 is determined so that the rauschnormierte measuring point s on the surface 330 lies. The intersections of the spatial diagonals s 0, m with the area 330 are marked with p 0, m .

Nun müssen für den Abstand zu den Diagonalen nur noch die Komponenten in n1- und n2-Richtung (bzw. bei D Messungen in n1, ..., nD-1-Richtung) betrachtet werden. Es lässt sich also die Berechnung eines Abstands eines Messpunktes s zur nächsten Diagonalen s0,m von drei (bzw. D) Dimensionen auf zwei (bzw. D - 1) Dimensionen reduzieren. Das entsprechende Vorgehen ist in 4 dargestellt.Now only the components in n 1 and n 2 direction (or in D measurements in n 1 , ..., n D-1 direction) have to be considered for the distance to the diagonals. It is therefore possible to calculate a distance of a measuring point s to the next diagonal s 0, m from three (or D) dimensions to two (or D - 1) dimensions. The corresponding procedure is in 4 shown.

Auf der zu den Raumdiagonalen s0,m orthogonalen Fläche 330 bilden sich die Schar der rauschnormierten Raumdiagonalen s0,m als Punkte p0,m bzw. Punktegitter p0,m ab. Zur Vereinfachung der Auswertung ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die weiteren Berechnungen auf das Punktegitter unter Verwendung von Gittervektoren v1 und v2 (bzw. v1, ..., vD-1) abzustellen. Durch dieses Vorgehen lässt sich jeder Raumdiagonalen-Punkt p0,m als ganzzahliges Vielfaches der Gittervektoren v1, v2 darstellen. p 0, m = g 1 v 1 + g 2 v 2  mit  g i

Figure DE102018104668B4_0009
On the to the room diagonals s 0, m orthogonal surface 330 the flock of the rauschnormierten space diagonals form s 0, m as points p 0, m or point grid p 0, m from. In order to simplify the evaluation, it is provided according to the invention to switch off the further calculations on the grid of points using grid vectors v 1 and v 2 (or v 1 ,..., V D-1 ). By this procedure, each spatial diagonal point p 0, m can be represented as an integer multiple of the grating vectors v 1 , v 2 . p 0 m = G 1 v 1 + G 2 v 2 With G i
Figure DE102018104668B4_0009

Die rauschnormierten Entfernungswerte s lassen sich ebenso im Koordinatensystem der Gittervektoren als transformierte, rauschnormierte Entfernungswerte p darstellen s → p: p = g 1 v 1 + g 2 v 2

Figure DE102018104668B4_0010
The rauschnormierten distance values s can also be in the coordinate system of the grid vectors as transformed, rauschnormierte distance values p represent s → p: p = G 1 v 1 + G 2 v 2
Figure DE102018104668B4_0010

Da die Messungen in der Regel nicht auf einem Raumdiagonalen-Punkt p0,m liegen, sind die Faktoren gi typischerweise nicht ganzzahlig. Zur Bestimmung der wahrscheinlichsten Objektdistanz bzw. dem wahrscheinlichsten, transformierten Entfernungswert ∈ p0,m ist es nun vorgesehen, die Faktoren auf- und abzurunden bzw. den sogenannten ceiling g i

Figure DE102018104668B4_0011
und floor-Wert g i
Figure DE102018104668B4_0012
der Faktoren zu berechnen, um anhand dessen den nächstgelegenen vier (bzw. 2D-1) Raumdiagonal-Punkte ∈ p0,m zu bestimmen. Durch die verwendeten floor- und ceiling-Operationen können (wie oben beschrieben) auch Offsets erreicht werden, die um ganzzahlige Vielfache von URi/URm in der i-ten Dimension verschoben sind. p 0,00 = g 1 v 1 + g 2 v 2 p 0,01 = g 1 v 1 + g 2 v 2 p 0,10 = g 1 v 1 + g 2 v 2 p 0,11 = g 1 v 1 + g 2 v 2
Figure DE102018104668B4_0013
Since the measurements are generally not at a spatial diagonal point p 0, m , the factors g i are typically not integer. To determine the most probable object distance or the most probable transformed distance value p ∈ p 0, m it is now planned to round up the factors or the so-called ceiling G i
Figure DE102018104668B4_0011
and floor value G i
Figure DE102018104668B4_0012
of the factors to calculate the nearest four (or 2 D-1 ) room diagonal points p ∈ p 0, m . The floor and ceiling operations used (as described above) can also achieve offsets that are shifted by integral multiples of UR i / UR m in the ith dimension. p 0.00 = G 1 v 1 + G 2 v 2 p 0.01 = G 1 v 1 + G 2 v 2 p 0.10 = G 1 v 1 + G 2 v 2 p 0.11 = G 1 v 1 + G 2 v 2
Figure DE102018104668B4_0013

Der wahrscheinlichste, transformierte Entfernungswert ∈ p0,ij ist derjenige, der den geringsten Abstand aufweist p ˜ = arg min i j | p p 0, i j |

Figure DE102018104668B4_0014
The most likely, transformed distance value p ∈ p 0, ij is the one with the smallest distance p ~ = arg min i j | p - p 0 i j |
Figure DE102018104668B4_0014

Hierbei korrespondiert ij mit einem Offset m.In this case, ij corresponds to an offset m.

Durch Rücktransformation des ermittelten wahrscheinlichsten, transformierten Entfernungswerts lässt sich der wahrscheinlichste Entfernungswert bestimmen.By inverse transformation of the determined, most likely, transformed distance value p s d can be the most probable distance value d determine.

Das Verfahren kann grundsätzlich wie folgt zusammengefasst werden:The procedure can basically be summarized as follows:

Es handelt sich um eine Methode zur Entfernungsmessung mit D ≥ 2 verschiedenen Eindeutigkeitsbereichen UR1, ..., URD, sodass bei wahrer Objektdistanz dw für jede Messung nur d i = mod(dw , URi) bekannt ist und die d i weiterhin durch ein Rauschen der Stärke σi verfälscht sind.

  • - Finden eines Vektors , gekennzeichnet dadurch, dass er eine erlaubte (unverrauschte) Messung beschreibt und möglichst nahe an dem Vektor der mit Rauschstärken skalierten Messungen s = (s1, ..., sD)T = (d 11, ...,d DD)T liegt.
  • - Bestimmen der optimalen Objekt-Distanz aus dem Vektor .
  • - Bei der die erlaubten Messungen durch Geraden gemäß Gleichung 5 beschrieben sind
  • - Bei der der näheste erlaubte Vektor dadurch gefunden wird, dass die Messung s auf eine Hyper-Ebene projiziert wird, die senkrecht auf den erlaubten Geraden steht, wodurch das D-dimensionale Problem auf ein (D - 1)-dimensionales reduziert wird.
  • - Bei der das Bestimmen der nähesten Geraden darauf beruht, dass die Geraden auf einem regelmäßigen Gitter liegen und
    • o die skalierten Messungen s durch Linearkombination der Gittervektoren dieses Gitters beschrieben werden,
    • o die 2D-1 benachbarten Gitterpunkte/Geraden aus den Koeffizienten der Linearkombination mit Hilfe der floor- und ceiling-Operation bestimmt werden und
    • o die Suche der nähesten Gerade / des nähesten Gitterpunkts auf die derart gefundenen Möglichkeiten eingeschränkt wird.
  • - Bei der der Messbereich vorzugsweise auf einen Wert dr eingeschränkt wird, der geringer ist, als der sich aus dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen der Eindeutigkeitsbereiche gegebenen maximalen Messbereich. Hierbei werden Messwerte nur Punkten auf Geraden zugeordnet, die Objekt-Distanzen d ≤ dr entsprechen.
  • - Methode nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der außerdem aus dem Abstand zwischen dem Vektor der skalierten Messung s und dem Vektor der nähesten erlaubten (unverrauschten) Messung ein Konfidenzwert für das Resultat bestimmt wird.
    • • Vorzugsweise werden mehrere Messungen gemacht, bei denen ein ähnliches Ergebnis wahrscheinlich ist (z.B. bei benachbarten Pixeln in einem Sensor-Array, oder zeitlich kurz aufeinanderfolgenden Messungen), bestehend aus
      • o Vergleich aller 2D-1 benachbarter gefundener Geraden/Gitterpunkte für eine gegebene Messung mit denjenigen der anderen (ähnlichen) Messungen.
      • o Entscheidung für die zu wählende Gerade / den zu wählenden Gitterpunkt durch Mehrheitsvotum aus vorigem Vergleich,
    • • wobei nach Bedarf das Votum mit einem Konfidenzwert gewichtet wird.
It is a method for distance measurement with D ≥ 2 different uniqueness ranges UR 1 , ..., UR D , so that at true object distance d w for each measurement only d i = mod ( d w , UR i ) and the d i continue to be corrupted by noise of strength σ i .
  • - Find a vector s , characterized by the fact that it describes a permitted (unobstructed) measurement and as close as possible to the vector of measurements scaled with noise power s = (s 1 , ..., s D ) T = ( d 1 / σ 1 , ..., d D / σ D ) T lies.
  • Determine the optimal object distance from the vector s ,
  • - In which the allowable measurements are described by straight lines according to Equation 5
  • - At the closest allowed vector s is found by the fact that the measurement s is projected onto a hyperplane that is perpendicular to the allowed line, reducing the D-dimensional problem to a (D-1) -dimensional.
  • - In which the determination of the closest line is based on the fact that the lines lie on a regular grid and
    • o the scaled measurements s be described by linear combination of the lattice vectors of this lattice,
    • o the 2 D-1 neighboring grid points / lines are determined from the coefficients of the linear combination by means of the floor and ceiling operation, and
    • o the search for the closest straight line / the nearest grid point is limited to the possibilities thus found.
  • In which the measuring range is preferably restricted to a value d r which is lower than the maximum measuring range given by the smallest common multiple of the unambiguous ranges. Here, measured values are only assigned to points on straight lines, the object distances d ≤ d r .
  • Method according to one of the preceding claims, further comprising the distance between the vector of the scaled measurement s and the vector of the closest allowed (undistorted) measurement s a confidence value is determined for the result.
    • Preferably, several measurements are made where a similar result is likely (eg adjacent pixels in a sensor array, or temporal short-term measurements) consisting of
      • o Comparison of all 2 D-1 adjacent found straight lines / grid points for a given measurement with those of the other (similar) measurements.
      • o decision for the straight line / lattice point to be selected by majority vote from previous comparison,
    • • where necessary, the vote is weighted with a confidence value.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

dd
EntfernungswertDistance value
dw d w
wahrer Entfernungswerttrue distance value
d0,m d 0, m
erlaubte Raumdiagonaleallowed room diagonal
d
wahrscheinlichster Entfernungswertmost likely distance value
ss
rauschnormierter Entfernungswertrauschnormierter distance value
sw s w
wahrer rauschnormierter Entfernungswerttrue rauschnormierter distance value
s0,m s 0, m
erlaubte rauschnormierte Raumdiagonaleallowed auschnormierte space diagonal
s
wahrscheinlichster rauschnormierter Entfernungswertmost likely rauschnormierter distance value
pp
transformierter Entfernungswerttransformed distance value
p
wahrscheinlichster, transformierter Entfernungswertmost likely, transformed distance value

Claims (9)

Verfahren zum Betreiben einer Lichtlaufzeitkamera nach dem Phasenmessprinzip unter Verwendung von mindestens zwei Modulationsfrequenzen, bei dem Entfernungswerte (d) und erlaubte Raumdiagonalen (d0,m) vektoriell beschrieben und mit Hilfe eines Rausch-Terms (σi) normiert und in rauschnormiert Entfernungswerte (s) bzw. in erlaubte, rauschnormierte Raumdiagonalen (s0,m) umgerechnet werden.Method for operating a light transit time camera according to the phase measurement principle using at least two modulation frequencies, wherein the distance values (d) and allowed spatial diagonals (d 0, m ) vectorially described and normalized by means of a noise term (σ i ) and in rauschnormiert distance values (s ) or in allowed, rauschnormierte room diagonals (s 0, m ) are converted. Verfahren nach Anspruch 1, mit einer Bestimmung eines wahrscheinlichsten, rauschnormierten Entfernungswerts s̃ ∈ s0,m auf der erlaubten, rauschnormierten Raumdiagonale (s0,m), der einem gemessenen, rauschnormierten Entfernungswert (s) am nächsten kommt, Rücktransformation des wahrscheinlichsten, rauschnormierten Entfernungswerts s̃ ∈ s0,m in einen wahrscheinlichsten Entfernungswert (d̃).Method according to Claim 1 , with a determination of a most probable, rauschnormierten distance value s ∈ s 0, m on the allowed, auschnormierten space diagonal (s 0, m ), which comes closest to a measured, rauschnormierten distance value (s), back transformation of the most probable, rauschnormierten distance value s ∈ s 0, m in a most probable distance value (d). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Fläche (330) bestimmt wird, die orthogonal zu den rauschnomierten Raumdiagonalen s0,m steht und den rauschnormierten Entfernungswert (s) schneidet, Bildung eines Schnittpunkt-Koordinatensystems (v1, ...,vD-1) ausgehend von Schnittpunkten (p0,m) der Raumdiagonalen (s0,m) mit der Fläche (330), so dass die Schnittpunkte (p0,m) durch ganzzahlige Vielfache der Einheitsvektoren (v1, ...,vD-1) des Schnittpunkt-Koordinatensystems beschrieben sind, Transformation des gemessenen, rauschnormierten Entfernungswerts (s) in das Schnittpunkt-Koordinatensystem (v1, ...,vD-1) in einen transformierten Entfernungswert (p), Bestimmung eines wahrscheinlichsten, transformierten Entfernungswerts (p̃ ∈ p0,m), dem dem transformierten Entfernungswert (p) am nächsten liegenden Schnittpunkt (p0,m), Rücktransformation des wahrscheinlichsten, transformierten Entfernungswerts (p̃) in einen wahrscheinlichsten Entfernungswert (d̃).Method according to one of the preceding claims, in which a surface (330) which is orthogonal to the extracted space diagonals s 0, m and intersects the cut-out distance value (s) is determined, formation of an intersection coordinate system (v 1 ,. v D-1 ) starting from points of intersection (p 0, m ) of the spatial diagonals (s 0, m ) with the surface (330), so that the points of intersection (p 0, m ) are denoted by integer multiples of the unit vectors (v 1 , .. ., v D-1 ) of the intersection coordinate system, transformation of the measured, rauschnormierten distance value (s) in the intersection coordinate system (v 1 , ..., v D-1 ) in a transformed distance value (p), determination a most probable, transformed distance value (p ∈ p 0, m ), that the transformed distance value (p) nearest intersection point (p 0, m ), inverse transformation of the most probable transformed distance value (p) into a most probable distance value (d). Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der wahrscheinlichste, transformierte Entfernungswert (p̃ ∈ p0,m) bestimmt wird, indem zunächst durch Auf- und Abrunden der Vektorfaktoren (g1, ..., gD-1) des transformierten Entfernungswerts (p) die am nächsten liegenden Schnittpunkte (p0,m) ermittelt werden, und der Abstand nur zu diesen nächstliegenden Schnittpunkten (p0,m) bestimmt wird, wobei der Schnittpunkt (p0,m) mit dem kleinsten Abstand zum transformierten Entfernungswert (p) den wahrscheinlichsten, transformierten Entfernungswert (p̃) darstellt.Method according to Claim 3 in which the most probable, transformed distance value (p ∈ p 0, m ) is determined by first rounding up the vector factors (g 1 , ..., g D-1 ) of the transformed distance value (p) lying intersections (p 0, m ) are determined, and the distance is determined only to these closest intersection points (p 0, m ), wherein the intersection point (p 0, m ) with the smallest distance to the transformed distance value (p) the most likely transformed distance value (p) represents. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Entfernungsmessungen und die Berechnungen der Entfernungswerte (d) auf einen maximalen Entfernungswert (dmax) eingeschränkt sind.Method according to one of the preceding claims, in which the distance measurements and the calculations of the distance values (d) are restricted to a maximum distance value (dmax). Verfahren nach Anspruch 5, bei dem eine Zuordnung eines wahrscheinlichsten Entfernungswerts (d̃, s̃, p̃) nur für Entfernungswerte (d, s, p) erfolgt, die kleiner sind als der maximale Entfernungswert (dmax, Smax, pmax).Method according to Claim 5 in which an assignment of a most probable range value (d, s, p) takes place only for distance values (d, s, p) which are smaller than the maximum distance value (d max , S max , p max ). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ausgehend von dem Abstand des wahrscheinlichsten Entfernungswerts (d̃, s̃, p̃) zum gemessenen Entfernungswert (d, s, p) ein Konfidenzwert gebildet wird.Method according to one of the preceding claims, in which, starting from the distance of the most probable range value (d, s, p) to the measured distance value (d, s, p), a confidence value is formed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem für die Zuordnung eines wahrscheinlichsten Entfernungswerts (d̃, s̃, p̃) die Zuordnung aus wenigstens einer vorangegangenen oder benachbarten Entfernungsmessung berücksichtigt wird.Method according to one of the preceding claims, in which the assignment of at least one preceding or adjacent distance measurement is taken into account for the assignment of a most probable distance value (d, s, p). Lichtlaufzeitkamera, die für die Durchführung eines der vorgenannten Verfahren ausgebildet ist.Time of flight camera designed to carry out one of the aforementioned methods.
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