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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit von Fahrzeugen im Straßenverkehr sowie eine entsprechende Vorrichtung für die Geschwindigkeitsmessung.
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Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Ansätze für die Bestimmung von Fahrzeuggeschwindigkeiten bekannt. Diese werden insbesondere dazu eingesetzt, die Verkehrssicherheit zu erhöhen und langfristig die Anzahl der Verkehrsunfälle zu reduzieren.
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Die Bereitstellung von effizienten, präzisen und kostengünstigen Messverfahren bietet den Vorteil, dass diese in sämtlichen Verkehrsabschnitten eingesetzt werden können, in denen häufig Verkehrsunfälle beobachtet werden. Der Einsatz flächendeckender Verfahren für die Geschwindigkeitsmessung führt unmittelbar dazu, dass das Bewusstsein der Verkehrsteilnehmer hinsichtlich der Einhaltung der zulässigen Höchstgeschwindigkeiten geschärft wird und dass die zuständigen Behörden Verstöße gegen die Überschreitung der Höchstgeschwindigkeit leichter ahnden können.
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Bislang werden sowohl aktive und passive Messverfahren zur Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit eingesetzt.
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Bei den aktiven Verfahren sendet die Messvorrichtung elektromagnetische Strahlung aus, die an einem Fahrzeug reflektiert und anschließend von der Messvorrichtung erfasst wird. Durch die Auswertung der reflektierten Strahlung kann auf die Geschwindigkeit des Fahrzeuges geschlossen werden. Dabei kann beispielsweise die Signallaufzeit der von der Messvorrichtung emittierten und am Fahrzeug reflektierten Strahlung ausgewertet werden. Alternativ hierzu können Triangulationsverfahren eingesetzt werden, um die Position eines Fahrzeuges zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten zu berechnen und aus der Differenz der berechneten Positionen sowie der zeitlichen Differenz zwischen den einzelnen Messungen die Fahrzeuggeschwindigkeit zu bestimmen.
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Ein Nachteil der aktiven Verfahren ist darin zu sehen, dass diese einen relativ hohen Energiebedarf aufweisen, wodurch ein autarker Betrieb entsprechender Messvorrichtungen erschwert wird, da die Bereitstellung der benötigten Energie durch Batterien, Akkumulatoren und/oder Solarzellen deutlich anspruchsvoller wird. Zudem sind Messvorrichtungen für die aktive Messung der Geschwindigkeit häufig mit hohen Anschaffungskosten verbunden.
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Neben den aktiven Messverfahren sind auch passive Messverfahren zur Geschwindigkeitsmessung bekannt, bei denen die Messvorrichtung keine Strahlung emittiert. Bei einigen der genannten passiven Messverfahren wird lediglich die Zeit gemessen, die ein Fahrzeug benötigt, um eine vorgegebene Wegstrecke zurückzulegen. Daher werden derartige Verfahren häufig auch als Weg-Zeit-Verfahren bezeichnet. Dabei können Lichtschranken, Helligkeitssensoren oder Drucksensoren eingesetzt werden, die beim Passieren eines Fahrzeugs ein Signal erzeugen. Ein Nachteil der vorstehend beschriebenen Weg-Zeit-Verfahren ist darin zu sehen, dass diese oft bauliche Maßnahmen erfordern, wodurch die anfänglichen Anschaffungs- und Inbetriebnahmekosten relativ hoch ausfallen können. Zudem muss bei den Weg-Zeit-Verfahren meist eine separate Kamera für die Aufnahme der Fahrzeugdaten und/oder personenspezifischer Daten eingesetzt werden. Ein weiterer Nachteil der vorstehend beschriebenen Verfahren ist darin zu sehen, dass eine nachträgliche Messwertzuordnung sowie eine nachträgliche Verifizierung der berechneten Messwerte praktisch nicht möglich ist. Dies ist insbesondere dann problematisch, wenn ein Fahrer eine vermeintlich begangene Geschwindigkeitsüberschreitung bestreitet.
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Alternativ zu den Weg-Zeit-Verfahren gibt es prinzipiell noch die Möglichkeit, die Geschwindigkeit eines Fahrzeuges rein kamerabasiert zu berechnen. Dabei wird eine Kamera eingesetzt werden, die es erlaubt, einen bestimmten Streckenabschnitt zu erfassen. Die Kamera weist mindestens einen Bildsensor auf, der typischerweise als CCD-Sensor oder als CMOS-Sensor ausgebildet ist. Durch den Einsatz spezifischer Merkmalserkennungsalgorithmen ist es möglich, ein oder mehrere markante Merkmale eines Fahrzeugs (beispielsweise einen Eckpunkt eines Kfz-Kennzeichens oder einer Windschutzscheibe) zu detektieren und die Position dieses Merkmals zum Zeitpunkt einer ersten Aufnahme zu bestimmen. Dabei ist die Kamera in der Regel derart kalibriert, dass sie eine Zuordnung zwischen den einzelnen Pixeln des Bildsensors und der Position des Merkmals innerhalb des beobachteten Streckenabschnitts erlaubt. Durch eine erneute Erfassung des Fahrzeuges durch den Bildsensor zu einem zweiten Zeitpunkt kann dasselbe Merkmal des Fahrzeugs in der der zweiten Bildaufnahme erkannt und die Position dieses Merkmals zum zweiten Zeitpunkt ermittelt werden. Ist die Position eines Merkmals zum ersten Zeitpunkt und zum zweiten Zeitpunkt bekannt ist und ist zudem auch der zeitliche Abstand zwischen den einzelnen Aufnahmen bekannt, so kann die Geschwindigkeit für ein Merkmal bzw. für das Fahrzeug berechnet werden.
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Auch ist es möglich, dass ein Kamerasystem zwei Bildsensoren aufweist, die ein Fahrzeug aus unterschiedlichen Perspektiven aufnehmen und anschließend eine dreidimensionale Positionsbestimmung für ein Merkmal erlauben.
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Bei den vorstehend diskutierten kamerabasierten Verfahrenen liegt ein Problem darin, dass Fehler in der Merkmalserkennung das Messergebnis signifikant beeinträchtigen können. Dabei kann es insbesondere vorkommen, dass mehrere Merkmale in einer Bildaufnahme erkannt werden, die jedoch unterschiedlichen Fahrzeugen zuzuordnen sind. In diesem Fall fließen dann in unerwünschter Weise die Geschwindigkeiten mehrerer Fahrzeuge in die Messung ein, was zu einem verfälschten Ergebnis führt.
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Ausgehend von dem obigen Problem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit von Fahrzeugen im Straßenverkehr bereitzustellen, das besonders präzise und robust ist.
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Zur Lösung der vorstehend genannten Aufgabe wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit von Fahrzeugen im Straßenverkehr unter Verwendung einer Messvorrichtung umfassend mindestens einen Bildsensor, eine Speichereinheit, eine Recheneinheit und eine Kommunikationseinheit vorgeschlagen, wobei das Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte aufweist:
- - Erzeugung mehrerer Bildaufnahmen des Fahrzeuges;
- - Erkennung von Merkmalen des Fahrzeuges innerhalb der Bildaufnahmen;
- - Bestimmen der Position der erkannten Merkmale;
- - Prüfen, ob sich die erkannten Merkmale innerhalb oder außerhalb eines ersten Aufnahmebereichs befinden und Verwerfen derjenigen Merkmale, die sich außerhalb des ersten Aufnahmebereichs befinden;
- - Bestimmen eines Geschwindigkeitsvektors für jedes der nicht verworfenen Merkmale sowie eines mittleren Geschwindigkeitsvektors;
- - Prüfen, ob die einzelnen Geschwindigkeitsvektoren im Wesentlichen in dieselbe Richtung zeigen, wie der mittlere Geschwindigkeitsvektor, und Verwerfen derjenigen Geschwindigkeitsvektoren, die nicht im Wesentlichen in dieselbe Richtung zeigen, wie der mittlere Geschwindigkeitsvektor;
- - Bestimmen der Anzahl der nicht-verworfenen Merkmale A_MM innerhalb der einzelnen Bildaufnahmen und Vergleich dieser Anzahl A_MM mit einem ersten vordefinierten Grenzwert A_th;
- - Verwerfen derjenigen Bildaufnahmen, bei denen A_MM < A_th gilt;
- - Bestimmen einzelner Geschwindigkeitswerte aus den nicht-verworfene Bildaufnahmen;
- - Bestimmen einer mittleren Fahrzeuggeschwindigkeit aus den zuvor bestimmten einzelnen Geschwindigkeitswerten.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt eine besonders präzise und robuste Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit, wobei das Risiko von Messfehlern signifikant reduziert wird. Zudem bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass eine nachträgliche Zuordnung der einzelnen Fahrzeuge und der dazugehörigen Messung ermöglicht wird. Dadurch kann eine nachträgliche Verifizierung der ermittelten Messwerte vorgenommen werden. Wie bereits vorstehend ausgeführt, ist dies insbesondere in den Fällen von Vorteil, in denen ein Fahrer eine vermeintlich begangene Geschwindigkeitsüberschreitung bestreitet.
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Nachdem mehrere (mindestens zwei) Bildaufnahmen unter Verwendung der Messvorrichtung aufgenommen werden, erfolgt die Erkennung mehrerer Merkmale (im Englischen auch als features bezeichnet) des Fahrzeugs innerhalb der einzelnen Bildaufnahmen erkannt. Hierzu kann auf eines von mehreren aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zurückgegriffen werden. Insbesondere kann dabei auf das SIFT- (Scale Invariant Feature Transform), das SURF- (Speed Up Robust Feature), das BRIEF- (Binary Robust Independent Elementary Feature), FAST- (Features from accelerated segment test) oder das ORB- (Oriented FAST and Rotated BRIEF) Verfahren zurückgegriffen werden. Zudem kann für die Merkmalserkennung ein Harris Corner Detector eingesetzt werden, um markante Eckpunkte innerhalb einer Bildaufnahme zu erkennen.
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Ein Merkmal wird typischerweise durch einen Merkmalsvektor beschrieben. Wird ein Merkmal innerhalb der ersten Bildaufnahme erkannt und ein Merkmal in der zweiten Bildaufnahme, so können die beiden Merkmalsvektoren miteinander verglichen werden, um zu überprüfen, ob diese beiden Merkmale identisch sind. Sofern die beiden in den unterschiedlichen Bildaufnahmen erkannten Merkmale denselben Merkmalsvektor aufweisen, kann davon ausgegangen werden, dass es sich hierbei um dasselbe Merkmal handelt. Alternativ kann der Abstand zwischen zwei Merkmalsvektoren berechnet werden, sodass die Identität zweier Merkmale dann angenommen werden kann, wenn der Abstand zwischen den beiden Merkmalsvektoren geringer ist als ein vorgegebener Schwellwert. Für die Berechnung des Abstandes zwischen zwei Merkmalsvektoren kann beispielsweise der Hamming-Abstand oder der euklidische Abstand zwischen den beiden Merkmalsvektoren berechnet werden.
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Der Bildsensor kann insbesondere als CCD-Sensor oder als CMOS-Sensor ausgebildet sein. Die Speichereinheiten der Messvorrichtung sowie der Servereinheit können insbesondere als nichtflüchtiger Datenspeicher ausgeführt sein, wobei insbesondere eine magnetische Festplatte (auch als Hard Disk Drive oder HDD bezeichnet) oder ein Festkörperspeicher (auch als Solid State Drive oder SDD) zum Einsatz kommen kann. Die Recheneinheiten können beispielsweise als eine CPU (Central Processing Unit) oder als eine GPU (Graphics Processing Unit) implementiert sein. Die Kommunikationseinheiten können kabelgebundene oder drahtlose Kommunikationsmodule aufweisen. Insbesondere können die Kommunikationseinheiten ein GSM-, ein UMTS-, ein LTE- oder ein 5G-Kommunikationsmodul für die drahtlose Kommunikation aufweisen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein erster Aufnahmebereich definiert und es wird geprüft, ob sich sämtliche der in einer Bildaufnahme erkannten Merkmale in dem definierten ersten Aufnahmebereich befinden. Befinden sich einige Merkmale außerhalb des ersten Aufnahmebereiches, so werden diese verworfen und bleiben bei der Geschwindigkeitsmessung bzw. -berechnung unberücksichtigt. Dadurch wird das Risiko reduziert, dass Merkmale bei der Geschwindigkeitsmessung berücksichtigt werden, die unterschiedlichen Fahrzeugen zuzuordnen sind. Folglich werden die Messungenauigkeiten des Verfahrens reduziert und die Robustheit des Verfahrens gegenüber Messfehler reduziert.
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Der erste Aufnahmebereich kann auf unterschiedliche Arten definiert werden. Insbesondere kann der erste Aufnahmebereich zur zwei Zahlenwerte definiert werden, welche die Grenzen des ersten Aufnahmebereichs definieren. Beispielsweise können die Werte z1 und z2 die Grenzen des ersten Aufnahmebereichs definieren, wobei die Werte z1 und z2 die Abstände zu einem Referenzpunkt entlang einer ersten Achse (z-Achse) definieren. Die erste Ache kann dabei parallel zu der Längsrichtung des durch eine Kamera erfassten Streckenabschnitts verlaufen, oder aber auch parallel zu einem Vektor, der orthogonal zu der Sensorfläche des Bildsensors der Kamera verläuft, wobei in letzterem Fall der Bezugspunkt auf der Sensorfläche angeordnet sein kann. Beispielsweise können z1 und z2 wie folgt definiert sein: (z1, z2) = {(25 m, 35 m), (20 m, 30 m), (15 m, 25 m)}.
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Nachdem sämtliche Merkmale verworfen wurden, die außerhalb des ersten Aufnahmebereiches liegen, wird für jedes der nicht verworfenen Merkmale ein Geschwindigkeitsvektor bestimmt. Dabei wird die Position des jeweiligen Merkmals innerhalb der zum ersten Zeitpunkt aufgenommenen ersten Bildaufnahme und innerhalb der zum zweiten Zeitpunkt aufgenommenen zweiten Bildaufnahme bestimmt sowie die zeitliche Differenz zwischen den beiden Bildaufnahmen. Zudem wird aus den einzelnen Geschwindigkeitsvektoren ein mittlerer Geschwindigkeitsvektor ermittelt. Hierzu kann beispielsweise auf den arithmetischen Mittelwert oder auf den Medianwert zurückgegriffen werden.
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Anschließend wird geprüft, ob die einzelnen Geschwindigkeitsvektoren im Wesentlichen in dieselbe Richtung zeigen, wie der mittlere Geschwindigkeitsvektor. Hierzu kann ein Winkel zwischen jedem Geschwindigkeitsvektor und dem mittleren Geschwindigkeitsvektor berechnet werden. Ist der Winkel zwischen einem Geschwindigkeitsvektor und dem mittleren Geschwindigkeitsvektor kleiner als ein vorgegebener Grenzwinkel α_th, so zeigt dieser Geschwindigkeitsvektor nicht im Wesentlichen in dieselbe Richtung, wie der mittlere Geschwindigkeitsvektor. Dabei kann α_th beispielsweise 1°, 3°, 5° oder 10° betragen. Ist der Winkel zwischen einem Geschwindigkeitsvektor und dem mittleren Geschwindigkeitsvektor größer als α_th, so wird dieser Geschwindigkeitsvektor verworfen und bleibt bei der weiteren Berechnung der Fahrzeuggeschwindigkeit unberücksichtigt. Dadurch wird das Risiko reduziert, dass einzelne Geschwindigkeitsvektoren in die Geschwindigkeitsberechnung einfließen, die unterschiedlichen Fahrzeugen (die sich beispielsweise auf parallelen Fahrspuren in unterschiedliche Richtungen bewegen) zuzuordnen sind.
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Zudem wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die Anzahl der nicht-verworfenen Merkmale A_MM innerhalb der einzelnen Bildaufnahmen bestimmt, wobei die Anzahl mit einem ersten Grenzwert A_th verglichen wird. A_th kann bevorzugt 100, 200, 300, 500 oder 1000 sein. Erste experimentelle Untersuchungen haben ergeben, dass 100 oder einige hundert Merkmale geeignet sind, um ein zuverlässiges Messergebnis zu erzielen. Sofern A_MM kleiner ist als A_th, wird dies als Indikator dafür angesehen, dass die entsprechende Bildaufnahme nicht dazu geeignet ist, für die Geschwindigkeitsberechnung verwendet zu werden. Dies kann zum Beispiel daran liegen, dass die Bildqualität bei einer Bildaufnahme nicht ausreichend hoch ist. Die Bildaufnahmen, bei denen die Bedingung A_MM < A_th erfüllt ist, werden folglich verworfen und bleiben bei der Geschwindigkeitsberechnung unberücksichtigt.
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Unter Verwendung der nicht-verworfenen Bildaufnahmen wird schließlich jeweils eine Geschwindigkeit nach dem vorstehend beschriebenen Prinzip bestimmt. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass zunächst insgesamt 20 Bildaufnahmen generiert werden, bei denen sich ein Fahrzeug in dem ersten Aufnahmebereich befindet, wobei nach dem Verwerfen derjenigen Bildaufnahmen, bei denen nur wenige Merkmale erkannt wurden, noch 15 Bildaufnahmen übrigbleiben. Aus den 15 verbliebenen Bildaufnahmen können beispielsweise 14 Geschwindigkeitswerte bestimmt werden, wobei beispielsweise ein erster Geschwindigkeitswert aus der ersten und der zweiten Bildaufnahme ermittelt wird, ein zweiter Geschwindigkeitswert aus der zweiten und der dritten Bildaufnahme ermittelt wird, usw. Anschließend wir eine mittlere Fahrzeuggeschwindigkeit aus den zuvor bestimmten einzelnen Geschwindigkeitswerten bestimmt. Dabei kann beispielsweise ein arithmetischer Mittelwert oder ein Medianwert aus den berücksichtigten Geschwindigkeitswerten bestimmt werden.
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Die Reihenfolge der einzelnen Verfahrensschritte ist nicht zwingend. Vielmehr kann das erfindungsgemäße Verfahren mit einer alternativen Reihenfolge der einzelnen Verfahrensschritte implementiert werden. Beispielsweise können zunächst die Bildaufnahmen verworfen werden, bei denen die die Bedingung A_MM < A_th erfüllt ist, bevor geprüft wird, ob sich die innerhalb einer Bildaufnahme erkannten Merkmale innerhalb oder außerhalb eines ersten Aufnahmebereichs befinden.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Bestimmen einer mittleren Fahrzeuggeschwindigkeit aus den nicht-verworfenen Bildaufnahmen die nachfolgenden Schritte aufweist:
- - Berechnen einer ersten mittleren Fahrzeuggeschwindigkeit aus sämtlichen nicht-verworfenen Bildaufnahmen;
- - Verwerfen sämtlicher Fahrzeuggeschwindigkeiten, die für diejenigen Bildaufnahmen bestimmt wurden, bei denen eine Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelt wurde, die mindestens eine vordefinierte Abweichung zur ersten mittleren Fahrzeuggeschwindigkeit aufweisen; und
- - Berechnen einer zweiten mittleren Fahrzeuggeschwindigkeit aus sämtlichen nicht-verworfenen Bildaufnahmen.
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Dadurch können Ausreißer in vorteilhafter Weise erkannt und herausgefiltert werden, wodurch die Genauigkeit und die Robustheit des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter erhöht werden. Bei der Berechnung der ersten und der zweiten mittleren Fahrzeuggeschwindigkeit kann insbesondere ein arithmetischer Mittelwert oder ein Medianwert berechnet werden. Die vordefinierte Abweichung kann dabei beispielsweise 0,5 x σ, σ, 1,5 x σ oder 2 x σ betragen, wobei σ die Standardabweichung der einzelnen Geschwindigkeitswerte beschreibt, die aus denjenigen Bildaufnahmen berechnet wurden, die nicht zuvor verworfen wurden. Die berechnete zweite mittlere Fahrzeuggeschwindigkeit kann anschließend als Endergebnis der Geschwindigkeitsberechnung ausgegeben werden.
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Auch kann vorgesehen sein, dass das Bestimmen einer mittleren Fahrzeuggeschwindigkeit aus den nicht-verworfenen Bildaufnahmen die Berechnung eines gewichteten Mittelwertes aus den Geschwindigkeitswerten umfasst, die zuvor für alle nicht-verworfenen Bildaufnahmen berechnet wurden, sofern die Anzahl der nicht-verworfenen Bildaufnahmen A_f größer ist als ein zweiter vordefinierter Grenzwert A_f,min. Beispielsweise können insgesamt 20 Bildaufnahmen generiert werden, bei denen sich ein Fahrzeug innerhalb des ersten Aufnahmebereichs befindet. A_f,min kann beispielsweise gleich 10 sein. In diesem Fall wird ein gewichteter Mittelwert berechnet, wenn A_f mindestens gleich 10 ist. Sofern diese Bedingung erfüllt ist, wird für jeden einzelnen Geschwindigkeitswert jeweils der Abstand zum Mittelwert der Geschwindigkeitswerte berechnet, wobei anschließend diejenigen Geschwindigkeitswerte, die einen geringen Abstand zum Mittelwert aufweisen, mit einem größeren Gewichtungsfaktor gewichtet werden als diejenigen Geschwindigkeitswerte, die einen größeren Abstand zum Mittelwert aufweisen.
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Ferner kann gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass der erste Aufnahmebereich durch zwei Punkte definiert ist, die entlang einer ersten Achse verlaufen, wobei der erste Aufnahmebereich durch zwei parallelen Ebenen begrenzt ist, die orthogonal zu der ersten Achse sowie durch die zwei Punkte verlaufen, und wobei die erste Achse insbesondere parallel zu der Bildsensornormalen oder zur Längsachse eines Fahrabschnittes verläuft. Dadurch kann der erste Aufnahmebereich in besonders effizienter Weise definiert werden, wodurch der Rechenaufwand des gesamten Verfahrens reduziert wird.
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Zudem kann vorgesehen sein, dass der erste vordefinierte Grenzwert A_th 100 oder 200, 300, 500 oder 1000 beträgt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann vorgesehen sein, dass zusätzlich ein zweiter Aufnahmebereich definiert ist, der an den ersten Aufnahmebereich angrenzt, wobei das Auslösen einer Beleuchtungseinrichtung in Abhängigkeit der Erkennung eines Merkmals innerhalb des zweiten Aufnahmebereichs erfolgt. Der zweite Aufnahmebereich ist derart ausgelegt, dass ein Fahrzeug zunächst den zweiten Aufnahmebereich passiert und anschließend den ersten Aufnahmebereich. Dadurch kann ein Fahrzeug detektiert werden, noch bevor es in den ersten Aufnahmebereich gelangt. Dadurch wird ein rechtzeitiges Auslösen der Beleuchtungseinrichtung erleichtert.
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Des Weiteren kann ein dritter Aufnahmebereich vorgesehen sein, der ebenfalls an dem ersten Aufnahmebereich angrenzt. Der dritte Aufnahmebereich kann derart definiert sein, dass ein Fahrzeug zunächst den zweiten Aufnahmebereich passiert, bevor er sukzessive den ersten Aufnahmebereich und den dritten Aufnahmebereich passiert. Dabei kann vorgesehen sein, dass diejenigen Merkmale verworfen werden, die sich innerhalb des dritten Aufnahmebereichs befinden. Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass der Bildsensor keine Bildaufnahme erzeugt, wenn ein Fahrzeug im dritten Aufnahmebereich erkannt wird. Folglich kann das Risiko, dass mehrere Fahrzeuge miteinander verwechselt werden und dass Merkmale unterschiedlicher Fahrzeuge für die Berechnung der Geschwindigkeit eines Fahrzeugs verwendet werden, deutlich reduziert werden. Die drei Aufnahmebereiche können durch Zahlenwerte definiert werden, welche die Grenzen der Aufnahmebereiche definieren. Beispielsweise können die Werte z0 und zl die Grenzen des zweiten Aufnahmebereichs, die Werte z1 und z2 die Grenzen des ersten Aufnahmebereichs und die Werte z2 und z3 die Grenzen des dritten Aufnahmebereichs definieren. Jeder der genannten Werte kann dabei einen Abstand zu einem Referenzpunkt auf der vorstehend beschriebenen ersten Achse (z-Achse) definieren. Beispielsweise können die genannten Werte wie folgt definiert sein: (z0, z1, z2, z3) = {(40 m, 35 m, 25 m, 10 m), (35 m, 30 m, 20 m, 15 m), (30 m, 25 m, 15 m, 10 m)}.
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Darüber hinaus wird zur Lösung der vorstehend genannten Aufgabe eine Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit von Fahrzeugen im Straßenverkehr vorgeschlagen, die Folgendes umfasst:
- - einen Bildsensor zur Erzeugung von Bildaufnahmen;
- - eine Speichereinheit zum Speichern der erzeugten Bildaufnahmen;
- - eine Recheneinheit zur Durchführung mehrerer Verarbeitungsschritte; und
- - eine Kommunikationseinheit zur Übermittlung von Messdaten oder Messergebnissen an eine externe Servereinheit, wobei
- - die Recheneinheit dazu ausgelegt ist,
- - mehrere Bildaufnahmen eines Fahrzeuges zu erzeugen;
- - Merkmale des Fahrzeuges innerhalb der Bildaufnahmen zu erkennen;
- - die Position der erkannten Merkmale zu bestimmen;
- - zu prüfen, ob sich die erkannten Merkmale innerhalb oder außerhalb eines ersten Aufnahmebereichs befinden und diejenigen Merkmale zu verwerfen, die sich außerhalb des ersten Aufnahmebereichs befinden;
- - einen Geschwindigkeitsvektor für jedes der nicht verworfenen Merkmale und einen mittleren Geschwindigkeitsvektor aus den einzelnen Geschwindigkeitsvektoren zu bestimmen;
- - zu prüfen, ob die einzelnen Geschwindigkeitsvektoren im Wesentlichen parallel zu dem mittleren Geschwindigkeitsvektor sind und diejenigen Geschwindigkeitsvektoren zu verwerfen, die nicht im Wesentlichen parallel zu dem mittleren Geschwindigkeitsvektor sind;
- - die Anzahl der nicht-verworfenen Merkmale A_MM innerhalb der einzelnen Bildaufnahmen zu bestimmen und diese Anzahl A_MM mit einem ersten vordefinierten Grenzwert A_th zu vergleichen;
- - diejenigen Bildaufnahmen zu verwerfen, bei denen A_MM < A_th gilt;
- - einzelne Geschwindigkeitswerte aus den nicht-verworfenen Bildaufnahmen zu bestimmen; und
- - eine mittlere Fahrzeuggeschwindigkeit aus den zuvor bestimmten einzelnen Geschwindigkeitswerten zu bestimmen.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Auswerteeinheit zudem dazu ausgelegt ist:
- - eine erste mittlere Fahrzeuggeschwindigkeit aus sämtlichen nicht-verworfenen Bildaufnahmen zu berechnen;
- - sämtliche Geschwindigkeitswerte für diejenigen Bildaufnahmen zu verwerfen, bei denen eine Geschwindigkeit ermittelt wurde, die mindestens eine vordefinierte Abweichung zur ersten mittleren Fahrzeuggeschwindigkeit aufweisen; und
- - eine zweite mittlere Fahrzeuggeschwindigkeit aus sämtlichen nicht-verworfenen Bildaufnahmen zu berechnen.
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Auch kann vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu ausgelegt ist, einen gewichteten Mittelwert aus den Geschwindigkeitswerten zu berechnen, die zuvor für alle nicht-verworfenen Bildaufnahmen berechnet wurden, sofern die Anzahl der nicht-verworfenen Bildaufnahmen A_f größer ist als ein zweiter vordefinierter Grenzwert A_f,min.
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Ferner kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, dass der erste vordefinierte Grenzwert A_th 100, 200, 300, 500 oder 1000 beträgt.
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Auch kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bevorzugt eine Beleuchtungsvorrichtung vorgesehen sein, wobei die Beleuchtungsvorrichtung insbesondere als Blitzvorrichtung ausgebildet ist. Dadurch kann (insbesondere bei schlechten Lichtverhältnissen) die Qualität der Bildaufnahmen deutlich verbessert werden.
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Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann zudem vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu ausgelegt ist, die Beleuchtungsvorrichtung einzuschalten, sobald ein Merkmal eines Fahrzeuges innerhalb eines zweiten Aufnahmebereichs erkannt wird, wobei der zweite Aufnahmebereich an den ersten Aufnahmebereich angrenzt.
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Schließlich kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein zweiter Bildsensor zur Erzeugung von Bildaufnahmen vorgesehen sein. Die beiden Bildsensoren können dazu verwendet werden, dreidimensionale Bildaufnahmen zu erzeugen, die eine präzise Detektion der räumlichen Position von Merkmalen erlauben.
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Nachfolgend wird die folgende Erfindung der Figuren näher beschrieben, wobei die Figuren Folgendes zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- 3 eine schematische Darstellung der Geschwindigkeitsmessung im Straßenverkehr, und
- 4 eine erste und eine zweite Bildaufnahme, die zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommen wurden.
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In der 1 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens 10 dargestellt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden insgesamt zehn Verfahrensschritte 11-20 durchgeführt. In dem ersten Verfahrensschritt 11 werden mehrere Bildaufnahmen des Fahrzeugs unter Verwendung eines Bildsensors generiert. In den einzelnen Bildaufnahmen werden im zweiten Verfahrensschritt 12 charakteristische Merkmale (auch als features bezeichnet) erkannt. Hierzu kann eins der vorstehend genannten Verfahren, insbesondere das SIFT-Verfahren oder ein Harris Corner Detector, verwendet werden. Im dritten Verfahrensschritt 13 wird die Position der erkannten Merkmale bestimmt, bevor im vierten Verfahrensschritt 14 geprüft wird, ob sich die erkannten Merkmale innerhalb oder außerhalb eines ersten Aufnahmebereichs befinden. Dabei werden diejenigen Merkmale verworfen, die sich außerhalb des ersten Aufnahmebereichs befinden. Anschließend wird im fünften Verfahrensschritt 15 ein Geschwindigkeitsvektor für jedes der Merkmale bestimmt, wobei aus den einzelnen Geschwindigkeitsvektoren ein mittlerer Geschwindigkeitsvektor berechnet wird. Dabei können die Komponenten des Geschwindigkeitsvektors gemittelt werden, wobei beispielsweise eine arithmetische Mittelung vorgenommen werden kann oder ein Medianwert ermittelt werden kann. Im sechsten Verfahrensschritt 16 wird geprüft, ob die einzelnen Geschwindigkeitsvektoren im Wesentlichen in dieselbe Richtung zeigen, wie der mittlere Geschwindigkeitsvektor. Dabei werden diejenigen Merkmale verworfen, die nicht im Wesentlichen in dieselbe Richtung zeigen, wie der mittlere Geschwindigkeitsvektor. Dadurch werden Ausreißer bei der Messung verworfen, sodass diese das Messergebnis nicht beeinträchtigen können. Im siebten Verfahrensschritt 17 wird die Anzahl der nicht-verworfenen Merkmale A_MM bestimmt und mit einem ersten vordefinierten Grenzwert A_th verglichen. Anschließend werden im achten Verfahrensschritt 18 die Bildaufnahmen, bei denen A_MM < A_th gilt, verworfen. Diese Bildaufnahmen werden als ungeeignet angesehen und bleiben bei der Geschwindigkeitsberechnung unberücksichtigt. Im neunten Verfahrensschritt 19 werden aus den nicht-verworfenen Bildaufnahmen einzelne Geschwindigkeitswerte bestimmt. Dabei werden jeweils zwei Bildaufnahmen verwendet, wobei lediglich die nicht-verworfenen Merkmale in den einzelnen Bildaufnahmen berücksichtigt werden. Es werden also insbesondere die Merkmale nicht berücksichtigt, die außerhalb des ersten Aufnahmebereichs erkannt werden sowie die Merkmale, deren Geschwindigkeitsvektor nicht im Wesentlichen in dieselbe Richtung zeigen, wie der zuvor berechnete mittlere Geschwindigkeitsvektor. Aus den einzelnen Geschwindigkeitswerten wird anschließend im zehnten Verfahrensschritt 20 eine mittlere Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelt. Hierbei kann erneut insbesondere ein arithmetischer Mittelwert oder ein Medianwert ermittelt werden.
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Auch wenn die Verfahrensschritte vorstehend in einer konkreten Reihenfolge beschrieben sind, ist es für den Fachmann jedoch erkenntlich, dass diese Reihenfolge als rein beispielhaft zu verstehen sind und dass einzelne Verfahrensschritte auch in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden können.
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In der 2 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 22 gezeigt. Die Vorrichtung 22 weist einen Bildsensor 24, eine Speichereinheit 26, eine Recheneinheit 28 und eine Kommunikationseinheit 30 auf. Der Bildsensor 24 kann insbesondere als ein CCD-Sensor oder ein CMOS-Sensor ausgebildet sein. Zusätzlich kann auch ein zweiter Bildsensor vorgesehen sein, der in der 2 nicht abgebildet ist. Die Speichereinheit 26 kann insbesondere als nichtflüchtiger Datenspeicher ausgebildet sein. Bei der Recheneinheit 28 kann beispielsweise eine CPU (Central Processing Unit) oder eine GPU (Graphics Processing Unit) zum Einsatz kommen. Die Kommunikationseinheit 30 kann insbesondere ein drahtloses Kommunikationsmodul aufweisen, wobei insbesondere ein GSM-, ein UMTS-, ein LTE- oder ein 5G-Kommunikationsmodul vorgesehen sein kann. Die Kommunikationseinheit ist dazu konfiguriert, mit einer zentralen Einheit zu kommunizieren und die aufgenommenen Messdaten bzw. Messwerte bei Bedarf zu übermitteln. Dabei können einerseits die Messergebnisse (also die ermittelten Fahrzeuggeschwindigkeiten) übermittelt werden, und zwar gemeinsam mit einer Bildaufnahme, die das entsprechende Fahrzeug sowie personenbezogene Daten (insbesondere ein KFZ-Kennzeichen und/oder den Fahrzeughalter) zeigen. Andererseits können aber auch (ausschließlich oder ergänzend) die Rohdaten, die für die Geschwindigkeitsberechnung verwendet wurden, übermittelt werden, sodass das Messergebnis bei Bedarf zu einem späteren Zeitpunkt aus diesen Rohdaten rekonstruiert werden kann. Dadurch kann die Transparenz der Geschwindigkeitsmessung erhöht werden, wodurch auch eine Erhöhung der Akzeptanz des Verfahrens bei den Bürgern zu erwarten ist.
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In der 3 ist eine schematische Darstellung der Geschwindigkeitsmessung im Straßenverkehr abgebildet. Wie in dieser Figur gezeigt, ist die Messvorrichtung 22 so ausgerichtet, dass der Bildsensor 24 einen Aufnahmebereich erfassen kann. Der Bildsensor kann alternativ auch derart angeordnet sein, dass eine Aufnahme aus der Vogelperspektive generiert wird. In dem in der 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der gesamte Aufnahmebereich eingeteilt in einen ersten Aufnahmebereich B1, einen zweiten Aufnahmebereich B2 und einen dritten Aufnahmebereich B3. Der zweite Aufnahmebereich B2 und der dritte Aufnahmebereich B3 grenzen an den ersten Aufnahmebereich B1 an. Die Aufnahmebereiche B1, B2, B3 können insgesamt durch vier Zahlenwerte (z0, z1, z2, z3) definiert werden, die vier Punkte entlang einer ersten Achse 32 (auch als z-Achse bezeichnet) beschreiben. Die drei Aufnahmebereiche B1, B2, B3 können durch die genannten vier Zahlenwerte eindeutig beschrieben werden, wobei die Aufnahmebereiche B1, B2, B3 jeweils durch zwei parallele Ebenen begrenzt sind, die orthogonal zu der ersten Ache 32 sowie durch die definierten Punkte verlaufen. Beispielsweise kann (z0, z1, z2, z3) = (40, 35, 25, 10) sein, während die einzelnen Werte den Abstand zu einem Referenzpunkt entlang der ersten Achse (in Metern) angeben. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel erfasst der Bildsensor 24 ein erstes Fahrzeug 34, das sich in dem ersten Aufnahmebereich B1 befindet und ein zweites Fahrzeug 36, das sich in dem zweiten Aufnahmebereich B2 befindet. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass sämtliche Merkmale, die außerhalb des ersten Aufnahmebereichs B1 erkannt werden, bei der Ermittlung der Fahrzeuggeschwindigkeit vernachlässigt werden. Dies führt in vorteilhafter Weise dazu, dass für die Berechnung der Geschwindigkeit lediglich diejenigen Merkmale berücksichtigt werden, die dem ersten Fahrzeug 34 zugeordnet werden. Dadurch wird das Risiko reduziert, dass Merkmale des zweiten Fahrzeugs mit in die Geschwindigkeitsermittlung hineinfließen. Folglich werden die Präzision und die Robustheit des Messverfahrens erhöht.
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Schließlich sind in der 4 zwei Bildaufnahmen 38, 40 abgebildet, die zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten generiert wurden. In beiden Bildaufnahmen 38, 40 ist das erste Fahrzeug 34 abgebildet. In den Bildaufnahmen ist ein Merkmal 42 erkannt, wobei es sich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel um einen Eckpunkt eines KFZ-Kennzeichens handelt. Die Position des Merkmals 42 wird unter Verwendung eines der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens ermittelt. Aus der Position des Merkmals 42 in der ersten Bildaufnahme 38 und der Position desselben Merkmals in der zweiten Bildaufnahme 40 sowie der zeitlichen Differenz zwischen den beiden Bildaufnahmen 38, 40 kann die Geschwindigkeit des Fahrzeugt bzw. die Geschwindigkeit für ein Merkmal bestimmt werden. In der Praxis wird jedoch nicht ein einziges Merkmal erkannt und analysiert, sondern typischerweise mehrere hundert Merkmale.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 10
- erfindungsgemäßes Verfahren
- 11
- erster Verfahrensschritt
- 12
- zweiter Verfahrensschritt
- 13
- dritter Verfahrensschritt
- 14
- vierter Verfahrensschritt
- 15
- fünfter Verfahrensschritt
- 16
- sechster Verfahrensschritt
- 17
- siebter Verfahrensschritt
- 18
- achter Verfahrensschritt
- 19
- neunter Verfahrensschritt
- 20
- zehnter Verfahrensschritt
- 22
- Messvorrichtung
- 24
- Bildsensor
- 26
- Speichereinheit
- 28
- Recheneinheit
- 30
- Kommunikationseinheit
- 32
- erste Achse
- 34
- erstes Fahrzeug
- 36
- zweites Fahrzeug
- 38
- erste Bildaufnahme
- 40
- zweite Bildaufnahme
- 42
- Merkmal
- B1
- erster Aufnahmebereich
- B2
- zweiter Aufnahmebereich
- B3
- dritter Aufnahmebereich
