-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vermessen des Einflusses einer transparenten Scheibe, bspw. einer Windschutzscheibe, und eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens.
-
Stand der Technik
-
Die Windschutzscheibe, die auch als Frontscheibe bezeichnet wird, ist eine Scheibe, regelmäßig aus Glas, bspw. aus Verbundglas, die dem Fahrer eines Fahrzeugs eine Sicht nach vorne, ermöglicht. Gleichzeitig bietet die Windschutzscheibe dem Fahrer Schutz vor Wind, Wetter und Teilchen im Luftstrom. Das im Folgenden beschriebene Verfahren ist dabei nicht auf Frontscheiben beschränkt, sondern kann ebenfalls für Kamerasysteme hinter Heckscheiben oder anderen Fahrzeugscheiben eingesetzt werden. Im Folgenden wird der Fall einer Frontscheibe, als typischer Anwendungsfall, betrachtet.
-
Wenn Licht durch eine Windschutzscheibe scheint bzw. strahlt, wird es durch das transparente Medium gebrochen. Durch die Krümmung der Windschutzscheibe selbst sowie Variationen in der Dicke, Krümmung oder lokale Änderungen der Materialeigenschaften, lässt sich diese Brechung und damit der Einfluss der Windschutzscheibe auf den optischen Pfad schlecht voraussagen. Auch wenn dieser Einfluss von Personen oft als gering eingeschätzt wird, so kann dieser die Funktion von Kamerasystemen, die typischerweise sehr dicht an der Windschutzscheibe verbaut sind, stark beeinflussen.
-
Dies ist insbesondere für moderne kameragestützte Fahrerassistenzsysteme bzw. Advanced Driver Assistance Systeme (ADAS) von Bedeutung. Der Einfluss der Windschutzscheibe kann, wenn dieser nicht berücksichtigt wird, z. B. zu Fehleinschätzungen bezüglich der Position oder Geschwindigkeit von Objekten führen. Der Einfluss kann mit einem sogenannten Verschiebungsfeld beschrieben werden. Die Scheibe induziert, durch Brechung, einen Versatz von Sichtstrahlen und eine Winkeländerung. Der Versatz ist typischerweise klein und ändert sich nicht über die Distanz. Der Winkelversatz führt in größeren Distanzen jedoch, entsprechend der Winkel, zu größeren Fehlern. Mit dem Verschiebungsfeld soll daher insbesondere der zweite Effekt, die induzierte Winkeländerung, bestimmt werden.
-
Um das Verschiebungsfeld einer Windschutzscheibe zu bestimmen, werden verschiedene Verfahren genutzt. Hauptsächlich werden sogenannte Moire Interferometer in der Automobil-Branche genutzt, um die von der Scheibe erzeugte Winkeländerung zu messen. Die so erhaltenen Informationen lassen sich jedoch nur schwer auf das spezifische Verschiebungsfeld einer Kamera, die dicht an der Windschutzscheibe montiert ist, übertragen.
-
Andere Verfahren beruhen darauf, das Verschiebungsfeld mithilfe einer Kamera und eines genau bekannten Kalibrierkörpers zu bestimmen. Die Verzeichnungseffekte der Windschutzscheibe werden berechnet, indem man die Verschiebung im Bild bzw. Bildraum unter Kenntnis des Kalibrierkörpers bestimmt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Anordnung gemäß Anspruch 9 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
-
Das vorgestellte Verfahren dient zum insbesondere hochgenauen Vermessen einer transparenten Scheibe, bspw. für Kamerasysteme, wobei der Einfluss dieser Scheibe gemessen bzw. vermessen wird. Die Scheibe, bspw. eine Windschutzscheibe, ist typischerweise vor der Kamera zu montieren oder ist dort montiert. Das Verfahren sieht vor, dass ein durch die transparenete Scheibe induziertes Verschiebungsfeld bestimmt wird. Dabei wird in einem ersten Schritt ein erstes Bild einer texturierten Fläche ohne die Scheibe aufgenommen und in einem zweiten Schritt ein zweites Bild der texturierten Fläche mit Scheibe aufgenommen. In einem dritten Schritt wird durch Analyse der beiden Bilder mit einem optischen Fluss-Verfahren das Verschiebungsfeld bestimmt.
-
Das beschriebene Verfahren ist dabei nicht auf Windschutz- bzw. Frontscheiben beschränkt, sondern kann ebenfalls für Kamerasysteme hinter Heckscheiben oder anderen Fahrzeugscheiben eingesetzt werden. Im Folgenden wird der Fall einer Windschutzscheibe, als typischer Anwendungsfall, betrachtet.
-
Eine Aufnahme machen mit Scheibe bedeutet, dass sich die Scheibe bei der Aufnahme zwischen der Kamera und der texturierten Fläche und damit im Strahlengang zwischen Kamera und texturierter Fläche befindet. Entsprechend ist bei der Aufnahme ohne Scheibe keine Scheibe an der Stelle angeordnet.
-
Unter einer Textur bzw. einer texturierten Fläche ist zu verstehen, dass diese Fläche ein bestimmtes Muster aufweist. Dabei bieten sich für dieses Verfahren besonders Texturen mit zufälligen Mustern, bspw. Rauschmuster, an, die ein breites Spektrum von Ortsfrequenzen aufweisen. Ein solches Muster kann bspw. durch Überlagerung von Rauschmustern verschiedener Frequenzen erzeugt werden, wobei bspw. Perlin-Noise verwendet wird.
-
Mit dem hierin vorgeschlagenen Verfahren wird erreicht, das durch eine Windschutzscheibe induzierte Verschiebungsfeld, das sich im Bildraum einer Kamera ergibt, zu bestimmen. Das Verschiebungsfeld bezeichnet hier die geometrische Verschiebung von Objekten im Bildraum, bspw. durch Dehnung, Streckung, Verschiebung usw., die sich aus dem geänderten Strahlengang ergibt.
-
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
-
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Figurenliste
-
- 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Windschutzscheibe sowie eine Kamera.
- 2 zeigt das Vorgehen bei einer hochgenauen Kalibrierung.
- 3 zeigt einen experimentellen Aufbau zur Bestimmung eines Verschiebungsfelds.
- 4 zeigt einen experimentellen Aufbau mit beleuchtetem Zufallsmuster.
- 5 zeigt ein Beispiel eines mit dem beschriebenen Verfahren bestimmten Verschiebungsfelds.
- 6 zeigt ein auf einen Vorhang projizierten Verschiebungsfelds.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
-
1 zeigt in schematischer Darstellung die geometrische Ablenkung der von einer Kamera 10 ausgehenden Sichtstrahlen 12, die einen Strahlengang 16 definieren, durch eine Windschutzscheibe 14. Im Bereich der Windschutzscheibe 14 ist diese Ablenkung und damit der Einfluss der Windschutzscheibe 14 auf den Strahlengang 16, hier ausgehend von der Kamera 10, deutlich zu erkennen. Der veränderte Strahlengang 16 führt sowohl zu einem Versatz bezüglich der Position als auch zu einer Richtungsänderung der Sichtstrahlen 12. Besonders letzteres ist bei größeren Entfernungen zwischen der Kamera 10 und Objekten entscheidend.
-
Im Vergleich zwischen zwei von einer Kamera aufgenommenen Bildern mit und ohne Windschutzscheibe ergibt sich zwischen den Bildern ein Verschiebungsfeld. Das heißt, dass Teile des Bildes gestaucht, gestreckt oder verschoben und damit verändert werden. Das Verschiebungsfeld ist somit ein Vektorfeld, das eine mathematische Beschreibung dieser Veränderung darstellt. Damit kann für jede im Bild sichtbare Struktur beschrieben werden, wohin sie verschoben wurde.
-
Das hierin vorgeschlagene Verfahren erlaubt es nunmehr, dieses Verschiebungsfeld mit vergleichsweise einfachen Mitteln und vorhandenen Methoden hochgenau und dicht, d. h. für jeden Bildpunkt des Zielkamerasystems, zu bestimmen. Dabei werden jeweils ein Bild mit dem Zielkamerasystem von einer texturierten Oberfläche mit und ohne Windschutzscheibe gemacht. Im Anschluss wird ein Verfahren zur Bestimmung von dichten Verschiebungsfeldern bezüglich eines optischen Flusses im Bild eingesetzt, um dieses zu bestimmen. Dies ist in 2 schematisch dargestellt.
-
2 verdeutlicht das Vorgehen für eine hochgenaue Kalibrierung. Die Darstellung zeigt oben 50 eine Aufnahme ohne Windschutzscheibe und unten 52 eine Aufnahme mit Windschutzscheibe. Die Darstellung zeigt jeweils oben 50 und unten 52 eine Kamera 54, eine texturierte Fläche 56 und unten 52 eine Windschutzscheibe 58.
-
Zunächst wird ein erstes Bild 60 der texturierten Fläche 56 ohne Windschutzscheibe gemacht. Anschließend wird ein zweites Bild 62 mit Windschutzscheibe 58 gemacht. Durch Analyse der Bilder 60, 62 mit einem Optischen-Fluss-Verfahren wird das Verschiebungsfeld bestimmt.
-
Dabei wird für jeden Punkt im ersten Bild der zugehörige Punkt im zweiten Bild bestimmt, wobei angenommen wird, dass das Aussehen, bspw. Bildhelligkeitsänderung, oder daraus abgeleitete Merkmale in beiden Bildern hohe Ähnlichkeit aufweisen. Durch dieses Vorgehen kann ein dichtes Vektorfeld, d. h. dass an jedem oder nahezu jedem Bildpunkt Verschiebungsinformationen vorliegen, bestimmt werden.
-
Zu beachten ist, dass die aufgenommene Textur einige bestimmte, jedoch einfach zu erzeugende Eigenschaften aufweisen sollte. Teilweise lassen sich geeignet texturierte Oberflächen auch in der freien Umwelt finden.
-
Ähnlich wie bei den erzeugten Texturen sollte ein zufälliges Muster vorliegen, das genügend starke lokale Kontraste aufweist. Dies könnte bspw. eine Hauswand, die starken Witterungseinflüssen ausgesetzt war, sein. Monotone Bereiche, wie bspw. ein blauer Himmel, sollen hingegen vermieden werden.
-
Bislang werden zur Vermessung von Windschutzscheiben hochgenaue Kalibrierkörper eingesetzt, die mit speziellen Verfahren zur Detektion von speziellen Markierungen arbeiten. Das hierin vorgeschlagene Verfahren erfordert hingegen kein Vorabwissen über die texturierte Oberfläche, stellt wenige Bedingungen an ihre physikalische Beschaffenheit und erlaubt die Nutzung gängiger Verfahren zur Bestimmung des dichten Verschiebungsfelds.
-
Das Verfahren kann einerseits genutzt werden, um die Charakteristik einer Serie von Windschutzscheiben zu bestimmen oder sogar im laufenden Betrieb der Herstellung. So kann die Beurteilung bzw. Freigabe einer Windschutzscheibe unmittelbar von dem Ergebnis der Vermessung abhängen.
-
Wie dies bereits eingangs erläutert ist, werden zur Bestimmung eines Verschiebungsfelds einer Windschutzscheibe verschiedene Verfahren verwendet. Dabei werden vornehmlich Moire Interferometer verwendet. Die so erhaltenen Informationen lassen sich jedoch nur schwer auf das spezifische Verschiebungsfeld einer Kamera, die dicht an der Windschutzscheibe montiert ist, übertragen. Andere Verfahren beruhen darauf, das Verschiebungsfeld mithilfe einer Kamera und eines genau bekannten Kalibrierkörpers zu bestimmen. Ein solcher Kalibrierkörper ist in 3 gezeigt.
-
3 zeigt einen möglichen experimentellen Aufbau zur Bestimmung des durch eine Scheibe vor einer Kamera induzierten Verschiebungsfelds mithilfe eines bekannten und hochgenauen Kalibrierkörpers 80. Dieser Kalibrierkörper 80 kann bspw. ein Feld mit einem Schachbrettmuster sein.
-
Mit dem vorgeschlagenen Verfahrens wird nunmehr angestrebt, das durch eine Windschutzscheibe induzierte Verschiebungsfeld, das sich im Bildraum einer Kamera ergibt, zu bestimmen. Das Verschiebungsfeld bezeichnet hier die geometrische Verschiebung von Objekten im Bildraum, wie bspw. Dehnung, Streckung, Verschiebung, die sich aus dem geänderten Strahlengang ergibt.
-
Im Folgenden beschreiben wir einen möglichen Aufbau. Alternativen zu dem Aufbau und dem generellen Vorgehen sind nachstehend noch beschrieben. Der Aufbau ist in 2 schematisch und in 4 im Realaufbau gezeigt.
-
4 zeigt einen experimentellen Aufbau mit beleuchtetem Zufallsmuster 100 und einer hinter einer Windschutzscheibe 102 platzierten Kamera 104. Die Kamera 104 wird auf einem Stativ 106 vor einer Wand 108 aufgebaut. Die Wand 108 trägt entweder selber eine spezielle Textur oder diese wird über einen Projektor an die Wand 108 projiziert. Ein Träger 110 für die Windschutzscheibe 102 wird so zwischen der Kamera 104 und der Wand 108 platziert, dass die Kamera 104 ihre typische Einbaulage, d. h. Position und Orientierung, bezogen auf die Windschutzscheibe 102 einnimmt. Als nächstes wird mit der Kamera 104 jeweils mindestens ein Bild mit und ohne aufgelegter Windschutzscheibe 102 aufgenommen. Mithilfe eines Verfahrens zur Bestimmung von Verschiebungsfeldern im Bildraum, was allgemein als optischer Fluss bezeichnet wird, wird das Verschiebungsfeld im Bild bestimmt.
-
Im Allgemeinen sind die Abbildungseigenschaften der Kamera 104 ohne Windschutzscheibe 102 bekannt oder einfach bestimmbar, nämlich einfacher als mit montierter Windschutzscheibe 102. Typischerweise wird zur Kalibrierung der Kamera 104 ein Messstand benutzt, bei dem die Kamera 104 in eine spezielle Halterung gespannt wird und ein genau bekannter Kalibrierkörper eingesetzt wird. Ein solches Vorgehen ist mit einer oder mehreren verbauten Kamera(s) nicht möglich. Damit ist der Zusammenhang zwischen Sichtstrahl-Winkel und Bildpunkten für die Kamera ohne Windschutzscheibe bekannt. Mithilfe des Verschiebungsfelds kann nun eine korrigierte Bildpunkt-Sichtstrahl-Beziehung (mit Windschutzscheibe) berechnet werden.
-
Hierbei ist zu beachten, dass das Einbringen eines optischen Elements, wie bspw. der Windschutzscheibe 102, immer zwei Effekte hat, einerseits den geänderten Winkelzusammenhang, andererseits, wie in 1 dargestellt ist, einen Versatz des Sichtstrahls. Letzterer ist in der Praxis oft nicht relevant, da Objekte von Interesse in vielen Fällen weit, bspw. mehrere Meter, entfernt stehen und der Einfluss des Versatzes damit vernachlässigbar ist. Allerdings kann dieser Versatz durch mehrere, wie vorstehend beschriebene Aufnahmen mit verschiedenen Abständen zur Wand 108 bestimmt werden. Das kann für andere Applikationen von Interesse sein.
-
In 5 ist ein mit dem Verfahren bestimmtes Verschiebungsfeld 150 gezeigt. An jedem Bildpunkt liegt hier eine Messung durch das dichte optische Flussverfahren vor. Hier ist nur die horizontale Verschiebung gezeigt. Die Stärke kann farbkodiert sein.
-
Für optische Flussverfahren eignen sich insbesondere Texturen, die starke lokale Kontraste aufweisen und dabei möglichst zufällig sind, wie z. B. ein zufälliges Rauschmuster. Damit die Textur auch für verschiedene Distanzen zur Kamera und Kameras mit verschiedenen Auflösungen, d. h. Bildpunkte pro Grad, funktioniert, sollte das Muster idealerweise verschiedene lokale Ortsfrequenzen aufweisen. Das Muster muss nicht vorab bekannt sein.
-
Gegenüber bekannten Verfahren mit hochgenauen Kalibrierkörpern, wie dies z. B. in 3 gezeigt ist, weist das hierin vorgeschlagene Verfahren viele Vorteile auf.
-
So ermöglicht es die Zufallstextur, bei Verwendung eines dichten optischen Flussverfahrens das Verschiebungsfeld an jedem Bildpunkt zu bestimmen. Bei Kalibrierkörpern ist dies typischerweise nicht an allen Stellen möglich. Bei der Anordnung aus 3 ist dies nur an den Kreuzungspunkten möglich. Dichte optische Flussverfahren sind bekannt.
-
Weiterhin können geeignete optische Flussverfahren eine sehr hohe Genauigkeit, nämlich weit unterhalb der Größe eines Bildpunkts, erreichen. Die Genauigkeit des Verfahrens hängt damit direkt mit der Genauigkeit des zugrundeliegenden optischen Flussverfahrens zusammen, nicht jedoch mit der Genauigkeit eines Kalibrierkörpers.
-
Durch die Verwendung unterschiedlicher Ortsfrequenzen in der Zufallstextur kann das Muster auch bei sehr unterschiedlichen Abständen oder Kamerabildauflösungen verwendet werden. Dies ist bei typischen Kalibrierkörpern in vielen Fällen nicht einfach möglich.
-
Außerdem ist zu berücksichtigen, dass die Erstellung der texturierten Oberfläche viele Freiräume lässt. So kann bspw. eine texturierte Folie auf eine Wand aufgebracht oder einfach ein Muster mit einem oder mehreren Projektoren projiziert werden.
-
Im Idealfall befindet sich die texturierte Oberfläche in einer ähnlichen Distanz zur Kamera und Windschutzscheibe, wie Objekte in einer Realsituation, d. h. mehrere Meter. Der Grund hierfür ist, dass der durch die Windschutzscheibe induzierte Versatz einen ähnlichen Einfluss hat. Bei Kameras mit größeren Öffnungswinkeln erfordert dies sehr große Oberflächen. Bei einem horizontalen Öffnungswinkel von 90 Grad und einem Abstand von 5 Metern müsste eine ebene Fläche mindestens 10 Meter breit sein. So etwas lässt sich mit typischen Kalibrierkörpern kaum realisieren. Mithilfe von Projektoren lassen sich z. B. einfach große Wände benutzen. Es sind auch Raumecken o. ä. nutzbar. Die Oberfläche spielt dabei grundsätzlich keine Rolle, es darf nur nicht zu Abschattungen kommen.
-
Ein Beispiel ist ein in 6 gezeigter Vorhang 200. Die einzige Voraussetzung ist, dass sich das Setup hinsichtlich Kamera, Oberfläche und Textur während der Aufnahmen nicht bewegt. Zu beachten ist, dass hier anstelle einer flachen Wand ein Zufallsmuster auf den Vorhang 200 projiziert wird. Diese Aufnahmen wurden zur Vermessung der Scheibe verwendet und sollen die Unabhängigkeit des Verfahrens von hochgenauen Kalibrierkörpern verdeutlichen.
-
Werden bei der Nutzung von Projektoren mehrere Aufnahmen mit und ohne Windschutzscheibe mit veränderten Mustern gemacht, lässt sich die Genauigkeit der optischen Flussverfahren durch Kombination der Ergebnisse oft noch steigern.
-
In dem Aufbau in 4 wurde eine hoch texturierte Fläche erzeugt, indem sie mit einer Zufallstextur mit verschiedenen Ortsfrequenzen bedruckt wurde. Eine Alternative hierzu ist, auch Projektoren bzw. Beamer zu nutzen, um Zufallstexturen mit verschiedenen Ortsfrequenzen auf nicht texturierten Flächen zu erzeugen. Dabei können auch mehrere Projektoren kombiniert werden. Dies kann sehr nützlich sein, um die nötige Abdeckung bei Kameras mit großem Öffnungswinkel zu erzeugen. Alternativ können auch Monitore oder Leinwände benutzt werden. Auch viele natürlich vorkommende Texturen eignen sich für das Verfahren, wie z. B. eine Asphaltoberfläche, melierte Teppichböden, Malervlies oder manche Häuserfassaden.
-
Es muss nicht notwendigerweise eine ebene Oberfläche benutzt werden. Besonders bei Kameras mit großem Öffnungswinkel können gekurvte Oberflächen oder Raumecken ideal sein.
-
Das Verfahren lässt sich selbstverständlich auch bei anderen Glasscheiben oder optischen Elementen einsetzen.
-
Weiterhin ist zu beachten, dass in manchen Anwendungen zur Verlängerung des optischen Pfads Spiegel eingesetzt werden. Prinzipiell lässt sich dieses Verfahren auch nutzen, um den Einfluss der Imperfektionen im Spiegel zu bestimmen.
-
Das vorgestellte Verfahren kann in Unternehmen zur insbesondere internen Vermessung von Windschutzscheiben eingesetzt werden. Dabei kann angestrebt werden, Statistiken über Windschutzscheiben aufzubauen und diese Information in den Entwicklungsprozess rückzuführen. So kann eine große Zahl oder es können alle produzierten Windschutzscheiben vermessen und nach dem Ergebnis eingestuft bzw. freigegeben werden.
