DE102020003093A1

DE102020003093A1 - Distanzbilderzeugungsvorrichtung mit Korrektur von Distanzmessungsstörungen

Info

Publication number: DE102020003093A1
Application number: DE102020003093.9A
Authority: DE
Inventors: Yuuki Takahashi; Atsushi Watanabe; Minoru Nakamura
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2019-05-30
Filing date: 2020-05-22
Publication date: 2020-12-03
Also published as: JP2020193957A; US11321858B2; CN112014858A; US20200380707A1

Abstract

Eine Distanzbilderzeugungsvorrichtung enthält eine Strahlungsprojektionseinheit zum Projizieren von Referenzstrahlung auf einen Gegenstand, eine Strahlungsempfangseinheit mit einer Mehrzahl von zwei-dimensional angeordneten Pixeln, ein optisches System zum Lenken von Strahlung vom Gegenstand zu der Strahlungsempfangseinheit, eine Einflussberechnungseinrichtung zum Berechnen eines Einflusses optischer Phänomene auf das Zielpixel und periphere Pixel auf Basis der Lichtmenge, wie sie am Zielpixel und den peripheren Pixeln unter der Mehrzahl von Pixeln empfangen wird, eine Auswirkungsberechnungseinrichtung zum Berechnen der Auswirkung der peripheren Pixel auf das Zielpixel auf Basis des Einflusses, und eine Distanzbilderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Distanzbildes des Gegenstandes auf Basis der Auswirkungen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Distanzbilderzeugungsvorrichtung und insbesondere betrifft sie eine Distanzbilderzeugungsvorrichtung, bei der Distanzmessungsstörungen korrigiert werden.
Zum Stand der Technik
Laufzeitkameras (TOF, „time of flight“ Kameras), welche eine Distanz ausgeben auf Basis der Laufzeit von Licht als Distanzmessmittel zum Messen der Distanz zu einem Gegenstand sind bekannt (nachfolgend mit TOF-Kamera bezeichnet). Viele TOF-Kameras verwenden ein Phasendifferenzverfahren, bei dem ein Zielraum mit Referenzstrahlung (auch als „Licht“ bezeichnet) bestrahlt wird, welches über vorgegebene Zyklen intensitätsmoduliert ist, und bei dem ein Distanzmesswert des Zielraumes ausgegeben wird auf Basis der Phasendifferenz zwischen der Referenzstrahlung und der durch den Gegenstand im Zielraum reflektierten Strahlung. Die Phasendifferenz wird bestimmt aus dem Betrag der empfangenen reflektierten Strahlung.
Bei derartigen TOF-Kameras können Distanzmessungsstörungen (Unregelmäßigkeiten) auftreten aufgrund verschiedener optischer Phänomene im Inneren der Kamera (der Linse, der Siliziumschicht des Bildsensors etc.). Wird beispielsweise hochreflektives Material, wie ein weißes Material oder ein rückspiegelndes Material fotografiert, kann der Distanzmesswert gestört werden durch Pixel (Bildpunkte), die das Pixel umgeben, welches das Licht empfangen sollte, aufgrund von in der Kamera gestreuter Strahlung. Derartige Distanzmessungsstörungen sind nicht beschränkt auf hochreflektierende Materialien, vielmehr können sie auch verursacht werden durch optische Phänomene, wie „Aufweitungen“ („flaring“) oder „Geistbildungen“ („gosthing“), was insbesondere auftreten kann, wenn die Linse auf eine sehr starke Lichtquelle ausgerichtet wird, beispielsweise die Sonne. Auch können die Messwerte bei peripheren Pixeln gestört sein aufgrund Aberrationen, wobei es sich um eine Linsencharakteristik handelt.
Die 10A und 10B zeigen Beispiele für Distanzmessungsstörungen aufgrund hochreflektiver Materialien. 10A zeigt einen Fall, bei dem ein zylindrischer Gegenstand 31 mit drei verschiedenen Hintergründen 32 (schwarzer Hintergrund, weißer Hintergrund und rekursiver Hintergrund) aufgenommen wird, während 10B Intensitätsbilder und Distanzbilder zeigt, die mit der TOF-Kamera 30 aufgenommen sind einschließlich der jeweils gegebenen Distanzmesswerte. Zwar ist der Messwert für den zylindrischen Gegenstand 31 nicht wesentlich beeinflusst im Falle des schwarzen Hintergrundes, jedoch tritt im Falle des weißen Hintergrundes, also eines hochreflektiven Materials, eine Distanzmessungsstörung 33 auf im Grenzbereich zwischen dem zylindrischen Gegenstand 31 und dem weißen Hintergrund. Beim rekursiven Hintergrund tritt sogenannte Sättigung auf, wodurch eine Distanzmessung nicht möglich ist.
Die solchen Distanzmessungsstörungen zugrundeliegenden Umstände sind in den 11A bis 11C dargestellt. Wie 11A zeigt, sollte ein Pixel α des Bildsensors 34 Strahlung nur über den Weg b empfangen, jedoch kann auch Licht über den Weg a im Inneren der Kamera empfangen werden (vgl. die Linse 35, die Siliziumschicht des Bildsensors 34 etc.). Das Problem derartiger optischer Phänomene, wie Streustrahlung und Aberrationen, ist unvermeidbar, jedoch ist im Bereich der Bilderkennung das Vorliegen derartiger Phänomene selten problematisch, weil Bilder nur aufgrund ihrer Helligkeiten beurteilt werden können.
Da aber im Bereich der TOF-Kameras die Laufzeit des Lichtes (der Strahlung) gemessen wird, und die durch das Pixel α empfangene Lichtmenge bestimmt wird durch Kombination der Wege b und a, entsteht ein Problem hinsichtlich des Luminanzverhältnisses (Lichtmengenverhältnisses) bezüglich des Pixels α zwischen den Wegen b und a. Ist die Luminanz auf dem Weg a groß und die Luminanz auf dem Weg b geringer, repräsentiert der mit dem Pixel α berechnete Messwert die Distanz des Weges a und nicht die Distanz des Weges b. Die 11B und 11C zeigen die Luminanzwerte der Beiträge vom schwarzen Gegenstand und vom weißen Gegenstand beispielhaft an den Distanzmesspositionen der Punkte A, B und C. Zum Stand der Technik zur Überwindung der Probleme bei Distanzmessungsstörungen aufgrund optischer Phänomene ist die nachfolgende Literatur bekannt.
Die japanische Patentanmeldung (Kokai) 2018-063157 beschreibt eine Formmessvorrichtung, die eine Lichtprojektionseinheit und eine Lichtempfangseinheit aufweist und die Distanzbilddaten erzeugt auf Basis des empfangenen Lichtes, wobei eine Bestimmungsgleichung eingesetzt wird unter Berücksichtigung des Ausmaßes des Übereinstimmung zwischen Größendaten, die zu einem Zielpixel gehören, und Größendaten, die zu peripheren Pixeln gehören und der maximalen Lichtmenge, die von den peripheren Pixeln empfangen wird, womit ermittelt wird, ob die Größendaten zu dem Zielpixel unter Einwirkung von Streulicht erzeugt sind auf Basis des Wertes, der durch die Bestimmungsgleichung erhalten wird, und wobei die Größendaten auf Basis des Ergebnisses der Streulichtbestimmung korrigiert werden.
Die japanische Patentanmeldung (Kokai) 2014-178186 beschreibt ein System, in dem eine TOF-Kamera eingesetzt wird, die eine Lichtprojektionseinheit und eine Lichtempfangseinheit aufweist und die ein Distanzbild erzeugt auf Basis des empfangenen Lichtes, wobei ein Gegenstand in einem Detektionsbereich detektiert wird und ein Alarm gegeben wird (ein Sicherheitssignal), wobei eine Bildverarbeitungseinheit ein Empfangslichtbild gewinnt und ein Distanzbild und eine Berechnung ausführt, ob Regentropfen-Pixel vorliegen, in denen ein Regentropfen reflektiert ist, wobei die Berechnung erfolgt unter Zugrundelegung einer Linearfunktion für die empfangene Lichtmenge und die Distanz, weiterhin von Regentropfen beeinflusste Pixel festgestellt werden und ermittelt wird, ob ein Gegenstand ein Störsignal ist unter Berücksichtigung der Anzahl der Regentropfen-Pixel in dem erzeugten Bild.
Die veröffentlichte japanische Patentanmeldung (Kokai) 2017-181291 beschreibt eine Distanzmessvorrichtung, welche eine Lichtprojektionseinheit und eine Lichtempfangseinheit aufweist und welche ein Distanzbild erzeugt auf Basis des detektierten Lichtes, wobei eine Bereichsgruppe extrahiert wird durch Gruppierung kleiner Bereiche mit Distanzen in zwei-dimensionalen Koordinaten im Eingabebild (Distanzbild), welche nahe beieinander liegen, und Distanzwerte, welche sich deutlich voneinander unterscheiden, wobei ermittelt wird, ob unter dem Einfluss von Sonnenlicht eine Störung verursacht ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Aus den bekannten Problemen ergibt sich, dass eine Technik erforderlich ist, mit der in einfacher und genauer Weise Distanzmessungsstörungen korrigierbar sind, welche durch verschiedene optische Phänomene, wie Streulicht und Aberrationen, verursacht sind.
Eine Variante der vorliegenden Beschreibung stellt eine Distanzbilderzeugungsvorrichtung bereit mit einer Strahlungsprojektionseinheit zum Projizieren von Referenzstrahlung auf einen Gegenstand, einer Lichtempfangseinheit mit einer Mehrzahl von zwei-dimensional angeordneten Pixeln, einem optischen System zum Lenken von Strahlung vom Gegenstand zur Lichtempfangseinheit, einer Einflussberechnungseinrichtung zum Berechnen eines Einflusses optischer Phänomene auf das Zielpixel und eines dazu peripheren Pixels auf Basis der unter der Mehrzahl von Pixeln von dem Zielpixel und dem peripheren Pixel empfangenen Lichtmenge, eine Auswirkungsberechnungseinrichtung zum Berechnen der Auswirkung, die von dem peripheren Pixel auf das Zielpixel wirkt, auf Basis des Einflusses, und eine Distanzbilderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Distanzbildes des Gegenstandes unter Berücksichtigung der Auswirkung.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm einer Distanzbilderzeugungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
2 zeigt ein Distanzmesswertberechnungsverfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel.
3 zeigt eine Distanzmessungsstörung aufgrund von Streulicht (Nebenlicht).
4 erläutert ein Distanzbilderzeugungsverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel.
5 erläutert ein Verfahren zum Berechnen des Einflusses optischer Phänomene gemäß einem Ausführungsbeispiel.
6 erläutert ein Verfahren zum Erzeugen eines Auswirkungsbildes gemäß einem Ausführungsbeispiel.
7A zeigt ein Beispiel für ein asymmetrisches Filter.
7B zeigt ein Beispiel für ein asymmetrisches Filter.
8 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung des Betriebs der Distanzbilderzeugungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
9 zeigt beispielhaft Einzelheiten eines Verfahrens zur Distanzmessungsstörungskorrektur gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
10A zeigt ein Beispiel für eine Distanzmessungsstörung aufgrund von stark reflektierendem Material.
10B zeigt ein Beispiel für eine Distanzmessungsstörung, verursacht durch stark reflektierendes Material.
11A zeigt Grundlagen für eine Distanzmessungsstörung.
11B zeigt Grundlagen für eine Distanzmessungsstörung.
11C zeigt Grundlagen für eine Distanzmessungsstörung.

BESCHREIBUNG VON EINZELHEITEN
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Beschreibung werden nunmehr näher beschrieben unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. In den Figuren haben identische oder gleichartige Elemente die gleichen oder ähnliche Bezugszeichen. Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzen nicht den technischen Umfang der Erfindung und den Umfang der in den Ansprüchen enthaltenen Begriffe.
1 zeigt den Aufbau einer Distanzbilderzeugungsvorrichtung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Distanzbilderzeugungsvorrichtung 1 hat eine Lichtprojektionseinheit 10, eine Lichtempfangseinheit 11, ein optisches System 12, eine Steuereinheit 13 für die Emission und Abbildung, eine Analog-/Digital-Konversionseinheit 14, einen Speicher 15 und einen Prozessor 16. Die Distanzbilderzeugungsvorrichtung 1 kann weiterhin eine Anzeigeeinheit 17 aufweisen. Der Begriff „Licht“ ist hier allgemein zu verstehen und umfasst Strahlung.
Die Lichtprojektionseinheit 10 hat eine Lichtquelle (z.B. eine lichtemittierende Diode, einen Halbleiterlaser etc.), welche intensitätsmodulierte Referenzstrahlung emittiert, und einen Diffuser, welcher die emittierte Referenzstrahlung in Richtung auf den Gegenstand O streut, und wobei die Strahlungsprojektionseinheit 10 die Referenzstrahlung auf den Gegenstand O projiziert. Der Begriff „Strahlung“ in dieser Beschreibung und in den Ansprüchen beinhaltet insbesondere „Licht“. Die Strahlungsempfangseinheit 11 hat einen Bildsensor (z.B. einen CCD-Sensor (eine ladungsgekoppelte Einrichtung), einen CMOS (komplementärer Metalloxid-Halbleiter), etc.) mit einer Mehrzahl von zwei-dimensional angeordneten Pixeln.
Das optische System 12 hat eine Sammellinse, welche Strahlung vom Gegenstand O sammelt, und ein optisches Filter, welches das Wellenlängenband der Referenzstrahlung durchlässt, wobei das optische System 12 Strahlung vom Gegenstand O zur Strahlungsempfangseinheit 11 leitet. Die Steuereinheit 13 für Emission und Abbildung hat eine Steuerschaltung, welche die Strahlungsabgabe der Lichtprojektionseinheit 10 und die Strahlungsaufnahme der Strahlungsempfangseinheit 11 steuert, wobei die Steuereinheit 13 für Emission und Abbildung durch den Prozessor 16 gesteuert wird. Die Analog-/Digital-Konversionseinheit 14 hat einen A/D-Konverter, welcher eine Analog-/Digital-Wandlung bezüglich des Wertes der Lichtmenge ausführt, die durch die Strahlungsempfangseinheit 11 empfangen wird.
Der Speicher 15 (z.B. ein Halbleiterspeicher, eine magnetische Speichereinrichtung etc.) speichert unterschiedliche Informationen. Der Prozessor 16 (z.B. eine integrierte Halbleiterschaltung, wie eine CPU (zentraler Prozessor) oder ein FPGA (programmierbares Gatterfeld), steuert die Gesamtheit der Distanzbilderzeugungsvorrichtung 1. Die Anzeigeeinheit 17 hat eine Anzeigeeinrichtung (z.B. eine Flüssigkristallanzeige, eine organische EL-Anzeigeeinrichtung etc.), welche verschiedene Informationen darstellt.
2 erläutert ein Verfahren für die Messwertberechnung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. Die Strahlungsempfangseinheit 11 nimmt wiederholt Bilder gemäß einer Mehrzahl von Bildzeitfolgen auf, beispielsweise vier Bildzeitfolgen (0°, 90°, 180° und 270°) mit Phasen, die verschieden sind von der Referenzstrahlung, und sie gewinnt Empfangslichtmengen Q1, Q2, Q3 und Q4 für jedes Pixel. Der Messwert L für jeden Pixel kann beispielsweise aus der nachfolgenden Gleichung abgeleitet werden. In der nachfolgenden Gleichung ist c die Lichtgeschwindigkeit und f ist die Modulationsfrequenz der Referenzstrahlung.
[Gleichung 1] $L = \frac{c}{4 π f} \cdot {tan}^{- 1} (\frac{Q_{2} - Q_{4}}{Q_{1} - Q_{3}})$
3 erläutert eine Distanzmessungsstörung aufgrund von Streulicht. Wie 11A zeigt, sollte zwar das Pixel α des Bildsensors 34 eigentlich Strahlung über den Strahlungsweg b empfangen, jedoch kann auch Strahlung über den Weg a in der Vorrichtung (Linse, Bildsensor etc.) empfangen werden. Da sich die empfangenen Lichtmengen Q1, Q2, Q3 und Q4 über Weg b und Weg a voneinander unterscheiden, kann der mit der obigen Gleichung berechnete Messwert L den Unterschied zwischen Weg a und Weg b ausmachen. Um den Einfluss des Weges a zu eliminieren, ist es erforderlich, den von Weg a verursachten Einfluss auf das Pixel α von der durch das Pixel α empfangenen Lichtmenge abzuziehen (die durch den genannten Einfluss bedingte Lichtmenge).
4 erläutert eine Distanzbilderzeugungsvorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. Da die Berechnung des Messwertes erfolgt durch Erzeugung von Phasenbildern (Phase 1-Bild bis Phase 4-Bild), welche aufgenommen werden mit einer Mehrzahl von Bildzeitfolgen, deren Phasen in jedem Phasenbild verschieden sind von den Phasen der Referenzstrahlung, ist es erforderlich, den Einfluss der optischen Phänomene zu eliminieren. Für eine genaue Bestimmung des Einflusses des Weges a auf jedes Phasenbild ist es erforderlich, den Messwert über den Weg a zu kennen; da jedoch der Einfluss der optischen Phänomene, wie Streulicht und Aberrationen, eine Verwischung im Bild erzeugen, kann der Einfluss über den Weg a auf jedes Phasenbild bestimmt werden durch Berechnung des Einflusses der optischen Phänomene auf Basis der tatsächlichen Lichtmengen, wie sie durch das Zielpixel und deren periphere Pixel empfangen wird, und Bestimmung der Auswirkung durch die peripheren Pixel auf das Zielpixel auf Basis dieses Einflusses. Mit anderen Worten: Auswirkungsbilder (Phase 1-Auswirkungsbild bis Phase 4-Auswirkungsbild) werden für jedes Phasenbild erzeugt und durch Subtraktion des jeweiligen Auswirkungsbildes von dem entsprechenden Phasenbild ist es möglich, die Lichtmenge zu bestimmen, die nur über den Weg b empfangen wird. Mit anderen Worten: es ist möglich, in einfacher und genauer Weise Distanzmessungsstörungen aufgrund von verschiedenen optischen Phänomenen zu korrigieren.
Der Einfluss Fi optischer Phänomene auf jedes Pixel kann beispielsweise durch die nachfolgende Gleichung beschrieben werden. In der nachfolgenden Gleichung ist A die Lichtmenge, die am einzelnen Pixel empfangen wird, C₁ ist ein Einflusskoeffizient und C₂ ist ein Korrekturkoeffizient entsprechend individueller Merkmale (Linsencharakteristik, Sensorcharakteristik etc.), im Inneren der Vorrichtung.
[Gleichung 2] $F i = C_{1} A + C_{2}$
5 erklärt ein Verfahren zum Berechnen des Einflusses optischer Phänomene gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. Da der Einfluss Fi optischer Phänomene dem Ausmaß des Verschwimmens in dem Bild (der Unschärfe) entspricht, ist der vorstehend genannte Einflusskoeffizient C₁ beispielsweise durch die nachfolgend genannte Gleichung gegeben. In der nachfolgenden Gleichung ist w die Ausdehnungsbreite der schattierten Kante und h ist die Höhe der schattierten Kante.
[Gleichung 3] $C_{1} = f (w, h)$
Der Einflusskoeffizient C₁ kann beispielsweise im Voraus gesetzt werden durch den Hersteller der Vorrichtung mittels Aufnahme eines Bildes eines Gegenstandes mit einem vorgegebenen Muster, welcher also im Voraus speziell hergestellt ist, oder der Einflusskoeffizient kann bestimmt werden aus der Verteilung von Lichtmengen, die durch ein Zielpixel und dessen periphere Pixel in Phasenbildern empfangen werden unter Verwendung der Vorrichtung, d.h. aus der Ausdehnungsbreite w und der Höhe h der schattierten Kante. Auch kann der Korrekturkoeffizient C₂ experimentell im Voraus durch den Vorrichtungshersteller bestimmt werden entsprechend den besonderen Charakteristiken innerhalb der Vorrichtung.
Der Einfluss Fi ist stark bei Pixeln nahe dem Zielpixel und wird mit zunehmendem Abstand schwächer. Somit kann der Einflusskoeffizient C₁ gut beschrieben werden als ein Glättungsfilter, insbesondere als ein Gauss-Filter. Bei anderen Ausführungsbeispielen können andere Glättungsfilter eingesetzt werden, beispielsweise ein bewegter Mittelwertfilter, ein Median-Filter, ein Tiefpassfilter oder dergleichen. In anderen Fällen können speziell hier eingerichtete Filter eingesetzt werden, wie ein asymmetrisches Filter, welches später noch näher beschrieben wird.
Ein herkömmliches Gauss-Filter wird durch die nachfolgende Gleichung beschrieben. In der Gleichung sind x und y Orte im Filter, wobei (0, 0) die Mitte ist, und σ ist die Standardabweichung der Gauss-Verteilung. Mit zunehmendem Wert der Standardabweichung wird die Gauss-Verteilung flacher und die Wirkung der Glättung (des Verschwimmens) steigt an, während mit kleiner werdendem Wert der Standardabweichung σ, die Gauss-Verteilung konvexer wird und der Effekt der Glättung (des Verschwimmens) kleiner wird. Deshalb kann die Standardabweichung σ aus obiger Gleichung 3 gewonnen werden oder es kann der Hersteller der Vorrichtung im Voraus hierfür einen Wert angeben.
[Gleichung 4] $h_{g} (x, y) = \frac{1}{2 π σ^{2}} exp {- \frac{x^{2} + y^{2}}{2 σ^{2}}}$
6 zeigt ein Verfahren der Auswirkungsbilderzeugung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. Auswirkungsbilder (auch als Einwirkungsbilder zu bezeichnen) werden erzeugt durch Einwirkung von beispielsweise einem 5 x 5 Gauss-Filter auf jedes Phasenbild.
Da der Einfluss optischer Phänomene, wie Streulicht und Aberrationen, von dem Abstand vom Bildzentrum und der Position im Filter abhängen kann, wird bei praktischen Anwendungen vorzugsweise ein asymmetrisches Filter für das Gauss-Filter eingesetzt, wobei ein Korrekturkoeffizient für die Distanz (i', j') in Bezug auf das Bildzentrum und/oder bezüglich der Wichtung (a, b) der Position im Filter im Gauss-Filter eingesetzt wird. Das asymmetrische Filter kann beispielsweise durch die nachfolgende Gleichung beschrieben werden. In der nachfolgenden Gleichung ist die Position des jeweiligen Pixels im Bild auf (i, j) eingestellt, die Position des Pixels im Bildzentrum ist auf (i_c, j_c) eingestellt und die Distanz (i', j') von der Bildmitte ist auf (i - i_c, j - j_c) eingestellt.
[Gleichung 5] $h_{g} (i', j', x, y) = \frac{1}{2 π σ^{2}} \frac{1}{a (i') b (j')} exp {- \frac{a^{2} (i') x^{2} + b^{2} (j') y^{2}}{2 σ^{2}}}$
Die 7A und 7B zeigen Beispiele für ein asymmetrisches Filter (entsprechend dem „Einflusskoeffizienten“), wie es durch die vorstehende Gleichung erzeugt ist. Gemäß 7A hat das asymmetrische Filter 20 eine reduzierte Asymmetrie in Bezug auf das Bildzentrum (i_c, j_c), wobei die Asymmetrie anwächst in Richtung auf die Peripherie des Bildes. Weiterhin ist es auch möglich, die Gauss-Verteilung zu ändern, das heißt, die Filterform entsprechend der Wichtung (a, b) der Position im Filter. Im Ergebnis ist es möglich, den Einfluss verschiedener optischer Phänomene, wie Streulicht und Aberrationen, mit hoher Genauigkeit darzustellen. 7B zeigt ein Beispiel für ein asymmetrisches Filter, welches an der Peripherie eines Bildes eingesetzt wird.
8 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung des Betriebs der Distanzbilderzeugungsvorrichtung 1 gemäß dem vorliegenden Beispiel. Wenn in Schritt S10 die Distanzbilderzeugungsvorrichtung 1 den Betrieb beginnt, wird die Bildaufnahme wiederholt bei einer Vielzahl von Aufnahmezeitfolgen mit von der Referenzstrahlung verschiedenen Phasen, um jedes der Phasenbilder zu gewinnen. Jedes Phasenbild kann in dem Speicher abgelegt werden.
In Schritt S11 wird der Einfluss optischer Phänomene berechnet auf Basis der durch das Zielpixel und dessen periphere Pixel in jedem Phasenbild empfangenen Lichtmenge. Mit anderen Worten: Dank diesem Schritt wird ein Glättungsfilter (entsprechend dem „Einflusskoeffizienten“), wie ein Gauss-Filter, bezüglich der Verteilung der Lichtmengen, wie sie vom Zielpixel und den peripheren Pixeln empfangen werden, erzeugt, und der Einfluss wird berechnet auf Basis der Beziehung zwischen dem Einflusskoeffizienten und den Lichtmengen, wie sie durch das Zielpixel und die peripheren Pixel empfangen werden. Das Glättungsfilter (der Einflusskoeffizient) kann aber auch im Voraus durch den Gerätehersteller eingestellt werden und als fester Wert geladen werden. Einflussbilder können erzeugt werden auf Basis der hierbei berechneten Einflusswerte und die Einflussbilder können in dem Speicher abgelegt werden.
In Schritt S12 wird die Auswirkung berechnet, die von den peripheren Pixeln auf das Zielpixel ausgeübt wird, und zwar auf Basis des Einflusses. Mit anderen Worten: in diesem Schritt wird das Glättungsfilter (entsprechend dem „Einflusskoeffizienten“) auf jedes Phasenbild angewandt und es werden Auswirkungsbilder erzeugt. Dabei kann das jeweilige Auswirkungsbild in dem Speicher abgelegt werden.
In Schritt S13 werden die Auswirkungsbilder von dem jeweiligen Phasenbild subtrahiert zum Erzeugen von Differenzbildern. Die Differenzbilder entsprechend den Phasenbildern der Strahlung, die idealerweise empfangen werden sollte. In Schritt S14 wird ein Distanzbild erzeugt aus den jeweiligen Differenzbildern entsprechend der Distanzberechnungsgleichung 1, wie sie oben angegeben ist. Dabei können die Differenzbilder in dem Speicher abgelegt werden. Die erzeugten Distanzbilder können eingesetzt werden in Steuersystemen, welche Maschinen steuern, wie Roboter, Werkzeugmaschinen und Automobile, oder auch in Objektüberwachungssystemen, welche Objekte in einem Überwachungsbereich überwachen, etc.
Im nicht unbedingt erforderlichen Schritt S15 werden auf der Anzeigeeinheit die Phasenbilder und/oder die Einflussbilder und/oder die Auswirkungsbilder und/oder die Differenzbilder dargestellt. Durch Darstellung von insbesondere den Einflussbildern und den Auswirkungsbildern wird eine Untersuchung der Ursache für die Distanzmessungsstörung erleichtert. Da die Distanzmessungsstörung an Orten sehr groß wird, an denen die Auswirkung groß ist, ist es möglich, Maßnahmen zu ergreifen, wie eine Ortsveränderung des Gegenstandes an einen Ort unter Berücksichtigung des Einflusses auf die Distanzmessungsstörung.
Ein Verfahren für die Distanzmessungsstörungskorrektur gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel wird nunmehr mit Bezug auf 9 beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom oben beschriebenen darin, dass Phasenbilder, Auswirkungsbilder, Differenzbilder etc. nicht eingesetzt werden. 9 zeigt ein Zielpixel E und periphere Pixel dazu, nämlich A, B, C, D, F, G, H und I.
Der Einfluss der Distanzmessungsstörung wird bestimmt entsprechend dem tatsächlichen Distanzwert des Zielpixels E, welches den Einfluss erfährt, den tatsächlichen Distanzwerten der peripheren Pixel A, B, C, D, F, G, H und I, welche den Einfluss ausüben, und entsprechend den Einflusskoeffizienten des Zielpixels und der peripheren Pixel. Somit kann der Messwert I des Zielpixels E beschrieben werden mit der nachfolgenden Gleichung. In der nachfolgenden Gleichung sind I_a, I_b, I_c, I_d, I_e, I_f, I_g, I_h und I_i die tatsächlichen Distanzwerte des Zielpixels und der peripheren Pixel, während a, b, c, d, e, f, g, h und i die Einflusskoeffizienten sind.
[Gleichung 6] $l = \frac{a l_{a} + b l_{b} + c l_{c} + d l_{d} + e l_{e} + f l_{f} + g l_{g} + h l_{h} + i l_{i}}{a + b + c + d + e + f + g + h + i}$
Durch Auflösung vorstehender Gleichung für den tatsächlichen Distanzwert I_e ergibt sich die nachfolgende Gleichung. Da die tatsächlichen Distanzwerte I_a, I_b, I_c, I_d, I_f, I_g, I_h und I_i der peripheren Pixel in der nachfolgenden Gleichung unbekannt sind, können bei der praktischen Anwendung die Messwerte der peripheren Pixel anstelle der tatsächlichen Distanzwerte eingesetzt werden. Die Einflusskoeffizienten a, b, c, d, e, f, g, h und i können bestimmt werden aus der Verteilung (z.B. Gleichung 3) der Lichtmengen, wie sie vom Zielpixel und den peripheren Pixeln empfangen werden.
[Gleichung 7] $l_{e} = \frac{l (a + b + c + d + e + f + g + h + i) - a l_{a} - b l_{b} - c l_{c} - d l_{d} - e l_{e} - f l_{f} - g l_{g} - h l_{h} - i l_{i}}{e}$
Wie vorstehende Gleichung zeigt, kann der tatsächliche Distanzwert I_e (d.h. das Distanzbild) des Zielpixels E bestimmt werden durch Berechnung der Einflusskoeffizienten a, b, c, d, e, f, g, h und i für die Berechnung des Einflusses auf Basis der Verteilung der Lichtmengen, die am Zielpixel und den peripheren Pixeln empfangen werden, und durch Berechnung der Auswirkungen al_a, bl_b, cl_c, dl_d, fl_f, gl_g, hl_h und il_i auf Basis der Beziehung zwischen den Einflusskoeffizienten und den Messwerten der peripheren Pixel.
Mit den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ist es möglich, in einfacher Weise die Lichtmengen zu spezifizieren, welche ohne Störung durch das Zielpixel empfangen werden sollten und es können mit hoher Genauigkeit Distanzmessungsstörungen korrigiert werden, welche durch verschiedene optische Phänomene verursacht sind.
Das durch die Distanzbilderzeugungsvorrichtung 1 ausgeführte Programm kann auf einem nicht-flüchtigen, computerlesbaren Aufzeichnungsmedium abgespeichert und damit ausgeliefert werden, wie beispielsweise auf einer CD-ROM oder dergleichen.
Zwar wurden oben verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Beschreibung näher erläutert, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt und es sind vielfältige Abwandlungen im Umfang der nachfolgenden Ansprüche möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2018063157 [0007]
JP 2014178186 [0008]
JP 2017181291 [0009]

Claims

Distanzbilderzeugungsvorrichtung (1), aufweisend: eine Strahlungsprojektionseinheit (10) zum Projizieren von Referenzstrahlung auf einen Gegenstand (O), eine Strahlungsempfangseinheit (11) mit einer Mehrzahl von zwei-dimensional angeordneten Pixeln, ein optisches System (12) zum Lenken von Strahlung von dem Gegenstand (O) zu der Strahlungsempfangseinheit (11), eine Einflussberechnungseinrichtung zum Berechnen des Einflusses optischer Phänomene auf ein Zielpixel und ein dazu peripheres Pixel auf Basis der Lichtmengen, die durch das Zielpixel und das periphere Pixel unter der Mehrzahl von Pixeln empfangen werden, eine Auswirkungsberechnungseinrichtung zum Berechnen der Auswirkung des peripheren Pixels auf das Zielpixel auf Basis des Einflusses, und eine Distanzbilderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Distanzbildes des Gegenstandes unter Berücksichtigung der Auswirkung.
Distanzbilderzeugungsvorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Auswirkungsberechnungseinrichtung Auswirkungsbilder erzeugt auf Basis der Auswirkung für eine Mehrzahl von Phasenbildern mit Phasen, die von der Referenzstrahlung verschieden sind, gemäß Aufnahme bei einer Mehrzahl von Bildaufnahmezeitfolgen, wobei die Distanzbilderzeugungseinrichtung das Distanzbild erzeugt auf Basis eines Differenzbildes zwischen den Phasenbildern und den Auswirkungsbildern.
Distanzbilderzeugungsvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Einflussberechnungseinrichtung ein Einflussbild erzeugt auf Basis des Einflusses, die Auswirkungsberechnungseinheit ein Auswirkungsbild erzeugt auf Basis der Auswirkung und wobei die Distanzbilderzeugungsvorrichtung weiterhin eine Anzeigeeinrichtung aufweist zum Anzeigen des Einflussbildes und/oder des Auswirkungsbildes.
Distanzbilderzeugungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Einflussberechnungseinrichtung einen Einflusskoeffizienten berechnet für die Berechnung des Einflusses auf Basis einer Verteilung der Meng an empfangenem Licht am Zielpixel und dem peripheren Pixel.
Distanzbilderzeugungsvorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei der Einflusskoeffizient so berechnet wird, dass er asymmetrisch ist in Bezug auf das Zielpixel auf Basis des Abstandes vom Bildzentrum zum Zielpixel oder peripheren Pixel und/oder auf Basis der Position in einem Bereich, der gebildet wird durch das Zielpixel und das periphere Pixel.
Distanzbilderzeugungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Einflussberechnungseinrichtung einen Einflusskoeffizienten berechnet zum Berechnen des Einflusses auf Basis einer Verteilung der Lichtmenge am Zielpixel und dem peripheren Pixel und wobei die Auswirkungsberechnungseinrichtung die Auswirkung berechnet auf Basis der Beziehung zwischen dem Einflusskoeffizienten und einem Messwert des peripheren Pixels.