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. 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.
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
Aus der
Die
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 Messpunkts schneidet, -
4 ein Gitter von Raumdiagonalen auf der senkrechten Ebene gemäß3 .
-
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 points cuts, -
4 a grid of room diagonals on the vertical plane according to3 ,
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:
Hierbei ist
Dieses Problem kann durch Messungen mit mehreren verschiedenen Modulationsfrequenzen f1, ..., fD gelöst werden:
Zur Auffindung der wahren Distanz
Die Gleichungen 1 lässt sich dann wie folgt vektoriell beschreiben:
Diese Gleichung 2 stellt unverrauschte Messungen mit D = 3 Frequenzen in einem 3-dimensionalen Raum dar.
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
Gln. 1 und 2 sind nur im rauschfreien Fall gültig. Im allgemeinen Fall werden die Messungen
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
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
Zum Finden der wahrscheinlichsten Objektdistanz
Dies ergibt, wie in
Der Rausch-Term (η1, η2, η3, )T stellt sich nun als eine kugelsymmetrische Abweichung der Messung von dem idealisierten Wert
Für eine gegebene Messung
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
Die Fläche
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
Auf der zu den Raumdiagonalen
Die rauschnormierten Entfernungswerte
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
Der wahrscheinlichste, transformierte Entfernungswert
Hierbei korrespondiert ij mit einem Offset m.In this case, ij corresponds to an offset m.
Durch Rücktransformation des ermittelten wahrscheinlichsten, transformierten Entfernungswerts
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
- - Finden eines Vektors
s̃ , gekennzeichnet dadurch, dass er eine erlaubte (unverrauschte) Messung beschreibt und möglichst nahe an dem Vektor der mit Rauschstärken skalierten Messungens = (s1, ..., sD)T = (d 1/σ1, ...,d D/σD)T liegt. - - Bestimmen der optimalen Objekt-Distanz aus dem Vektor
s̃ . - - Bei der die erlaubten Messungen durch Geraden gemäß Gleichung 5 beschrieben sind
- - Bei der der näheste erlaubte Vektor
s̃ dadurch gefunden wird, dass die Messungs 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.
- o die skalierten Messungen
- - 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) Messungs̃ 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.
- • 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
- - 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 powers = (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 measurements 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.
- o the scaled measurements
- 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) measurements 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.
- 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
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- dd
- EntfernungswertDistance value
- dw d w
- wahrer Entfernungswerttrue distance value
- d0,m d 0, m
- erlaubte Raumdiagonaleallowed room diagonal
- d̃d
- 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
- s̃s
- wahrscheinlichster rauschnormierter Entfernungswertmost likely rauschnormierter distance value
- pp
- transformierter Entfernungswerttransformed distance value
- p̃p
- wahrscheinlichster, transformierter Entfernungswertmost likely, transformed distance value
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