DE10394168B4 - Verfahren zur Kalibrierung von 3D-Bildaufnehmern - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Kalibrierung von 3D-Bildaufnehmern, welche aufweisen: – eine Lichtquelle, die ein moduliertes Sendesignal in die betrachtete Szene abstrahlt, und – ein Empfangsarray aus einer Mehrzahl von Pixeln, welche aus einem Demodulationssignal mit vorgegebener Phasenlage zum Sendesignal und der von der Szene reflektierten, detektierten Strahlung jeweils pixelbezogen ein Empfängersignal erzeugen, welches als Maß für die Entfernung herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass – für die Erzeugung der Kalibrierstrahlung eine weitere Lichtquelle verwendet wird, welche das komplette Empfangsarray zu definierten Zeiten ausschließlich beleuchtet, und – zur Kalibrierung das komplette Empfangsarray ausschließlich mit einer Kalibrierstrahlung mit für alle Pixel zumindest weitgehend homogener Phasenlage zum Demodulationssignal beleuchtet wird und die dabei auftretenden Empfängersignale der einzelnen Pixel ausgewertet werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung von 3D-Bildaufnehmern gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
• 3D Bildaufnehmer, wie sie zum Beispiel aus der DE 198 21 974 A1 bekannt sind, werden zur Entfernungsmessung nach dem inkohärenten optischen Laufzeitverfahren(Modulations-Interferometrieverfahren) eingesetzt.
• Bei einer Entfernungsmessung nach diesem optischen Laufzeitverfahren muss folgender Mischprozess durchgeführt werden:
  Das von der zu vermessenden Szene reflektierte amplitudenmodulierte Beleuchtungslicht wird mit einer Demodulationssignal, beispielsweise einem identischen Signal demoduliert (korreliert) und so die Phasenbeziehung (Korrelation) zwischen Sende- und Empfangssignal bestimmt. Diese Phasenbeziehung wird als Maß für die vom Sendelicht zurückgelegte Entfernung herangezogen.
• Um ein komplettes 3D-Bild zu erhalten, ist es erforderlich die Szene mit einem zweidimensionalen Empfangsarray aufzunehmen, wobei jedes einzelne Pixel den oben beschriebenen Mischprozess durchführt. Fertigungstoleranzen, Temperaturschwankungen und Alterungsprozesse können dazu führen, dass die einzelnen Pixel im Empfangsarray in ihrer Funktion voneinander abweichen. Werden diese Abweichungen zu groß, ist es notwendig eine Referenzierung des Empfängerarrays vorzunehmen.
• Aus der DE 101 26 086 A1 ist ein optoelektronischer Sensor bekannt, bei dem zur Referenzierung des Licht von dem zur Beleuchtung der Szene verwendeten Sendeelement oder einem separaten Sendeelement auf ein Referenzobjekt innerhalb des Sensors gesendet und mittels einer separaten Empfängers oder der für den Empfang von Reflektionen aus der Szene vorgesehenen Empfängers das empfangene Signal vom Referenzobjekt als Referenzsignal erfasst und daraus Alterungs- und Temperatureffekte abgeleitet werden. Durch Amplitudenmodulation am Sender und einen Phasenkomparator am Empfänger wird auch bei diesem Sensor eine Entfernungsinformation abgeleitet.
• Aus der DE 196 43 287 A1 ist ein Verfahren und eine Anordnung bekannt, die es erlaubt, die folgenden Probleme beim optischen Laufzeitverfahren mit einem Messempfänger und einer Laserdiode zu minimieren:
• a) temperaturabhängige Phasenverschiebung des Messempfängers
• b) Temperaturdriften im Senderelement (LED bzw. Laserdiode)
• Bei diesem bekannten Verfahren wird eine Referenzierung des Sendesignals auf einen speziellen Referenzempfänger vorgeschlagen, der bei jeder Messung ausschließlich ein Referenzsignal empfängt, das einen vorgegebenen Weg zurücklegt. Da die Laufzeit des Referenzsignals bekannt ist, können die verschiedenen Drifteffekte, die sich im Laufe der Zeit bei wechselnden Systembedingungen ändern, kompensiert werden.
• R. Miyagawa et al. zeigen in ”CCD-based range-finding sensor”, Electron Devices, IEEE Transactions on, Vol. 44, No. 10, S. 1648–1652, Oktober 1997 ein gattungsbildendes Verfahren.
• Fertigungstoleranzen (z. B. Fixed Pattern Noise), Temperaturschwankungen und Alterungsprozesse führen dazu, dass die Kenngrößen der verschiedenen Pixel in einem Empfangsarray unterschiedlich stark voneinander abweichen. Werden diese Abweichungen zu groß, ist es notwendig eine Eichung des gesamten Empfängerarrays für jedes Pixel vorzunehmen. Dies ist mit dem oben genannten Verfahren nicht möglich. Andererseits hat man während des Betriebs des 3D Bildaufnehmers in der Regel keine Referenzszene zur Verfügung, mit der man diese Eichung für jedes Pixel aufgrund von bekannten Phasenbeziehungen realisieren kann.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Referenzierung von 3D Bildaufnehmern anzugeben, mit dem eine Eichung des Empfangsarray während des Betriebs möglich ist.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung erfolgt gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
• Mit Hilfe der Erfindung ist es möglich die entfernungsspezifischen pixelindividuellen Unterschiede zu detektieren und mit geeigneten Mitteln zu kompensieren. Dazu wird das Empfangsarray ausschließlich mit einer Kalibrierstrahlung mit für alle Pixel zumindest weitgehend homogener Phasenlage zum Demodulationssignal von einer modulierbaren Lichtquelle (z. B. LED, Laserdiode, etc.) beleuchtet. Dies kann durch direkte oder durch Umlenkung erzielte Beleuchtung mit einer modulierbaren Lichtquelle mit annähernd gleichem Abstand zu allen Pixeln erreicht werden.
• Die dabei auftretenden Empfängersignale der einzelnen Pixel werden pixelindividuell ausgewertet, d. h. Abweichungen, Störungen oder Defekte einzelner Pixel erkannt. Nur so kann eine Kompensation der pixelindividuellen Abweichungen erreicht werden, welche für die Erkennung und Verfolgung von Objekten in bewegten Systemen äußerst wichtig ist.
• Insbesondere kann neben oder anstelle eines Absolutwertvergleichs mit einem Sollwert auch die relative Phasenabweichung zwischen den Pixeln erfasst werden und so die Signale der Pixel auf eine Bezugsgröße normiert werden.
• Die Phasenbeziehung zwischen Sendesignal und Demodulationssignal wird dabei vorzugsweise geändert, was einer Messung mit einer virtuellen zweiten Entfernung entspricht, d. h. es erfolgt eine Kalibrierung auf zumindest zwei virtuelle Entfernungen. Die Phasenlage wird vorzugsweise durch entsprechende Verzögerung am Sende- oder Demodulationssignal jeweils relativ zum anderen Signal bewirkt, so daß keine Änderung der tatsächlichen Entfernung zwischen Lichtquelle und Empfangsarray erfolgt.
• Dadurch können insbesondere auch unabhängig von der tatsächlichen absoluten Phasenbeziehung für jede Kalibriermessung aus der Kenntnis der Phasenverschiebung zwischen den zumindest zwei Kalibriermessungen die pixelindividuellen Abweichungen relativ zueinander bewertet werden.
• Die Phasenbeziehung ist vorzugsweise frei wählbar, wird beispielsweise entlang einer vorgegebenen Kennlinie über entsprechend viele Sendevorgänge durchgestimmt. So können Nichtlinearitäten in Abhängigkeit von der Entfernung späterer Zielobjekte pixelindividuell erkannt werden. Dies erlaubt dadurch eine Referenzierung bei unterschiedlichen virtuellen Entfernungen.
• Der 3D Bildaufnehmer nach der Erfindung weist zusätzlich zu den üblicherweise vorhandenen Elementen eine Referenzlichtquelle auf, die wie die Lichtquelle der Sendeeinheit modulierbar ist. Die Referenzlichtquelle ist so angebracht, dass das komplette Empfangsarray mit für alle Pixel zumindest weitgehend homogener Phasenlage zum Demodulationssignal und vorzugsweise auch in seiner Helligkeit annähernd homogen beleuchtet wird. D. h. es erfolgt eine direkte Beleuchtung ohne Verwendung von Referenzobjekten oder dergleichen. Bei optimaler Funktion des Empfängerarrays sollte jedes Pixel diejenige Entfernung bzw. Phasenverschiebung messen, die durch die Referenzstrecke und die eingestellten Phasenlage zwischen Referenzlichtquelle und Demodulationssignal vorgegeben wird.
• Wenn einzelne Pixel aufgrund von Fertigungstoleranzen, Temperaturschwankungen und Alterungsprozesse gegenüber dem Sollwert oder relativ zueinander differieren, werden diese Abweichungen beispielsweise pixelindividuell in Form einer Look-up-Tabelle abgelegt. Dank der Phasenverschiebung können auch Nichtlinearitäten oder Störungen in bestimmten Entfernungsbereichen erkannt werden und diese z. B. in einer Matrix oder Kennlinienfeldern abgelegt werden. Darüber hinaus ist es denkbar Interpolationen zwischen zwei Stützpunkten durchzuführen.
• Eine nicht von der Erfindung umfasste alternative Ausgestaltung sieht vor zur Kalibrierung des gesamten Empfängerarrays das Beleuchtungslicht der Sendeeinheit so umzuleiten, dass eine interne Verbindung zwischen Sender und Empfängerarray entsteht. Gleichzeitig wird in diesem Fall die externe Verbindung über die Beleuchtung der Szene unterbrochen, damit kein Sendelicht über den Umweg einer unbekannten Szenerie und dadurch mit einer unbekannten Phasenverschiebung auf die Pixel fällt. Während der Entfernungsmessung wird gewährleistet, dass die interne Verbindung wieder unterbrochen ist, um eine Störung der Phasenmessung zu vermeiden. Diese Schließvorrichtungen sind z. B. durch einen oder mehrere mechanische Umschalter ausgestaltet. In der Praxis wird jedoch versucht, so weit wie möglich auf bewegliche Komponenten zu verzichten. Auch in diesem Fall wird die Phasenbeziehung zwischen moduliertem Sendesignal und Empfängersignal variiert, um eine Kalibrierung bei unterschiedlichen Phasenlagen (virtuelle Entfernungen) durchzuführen.
• Ein Nachteil der herkömmlichen Referenzmessung, bei der eine bekannte Szene aufgenommen werden muss, besteht darin, dass nicht immer eine solche Szene zur Verfügung steht, z. B. wenn die Referenzszene verdeckt wird. Durch die oben beschriebene Erfindung wird dieses Problem umgangen. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Referenztechnik ist die Möglichkeit, eine Referenzierung über den kompletten Temperaturbereich des 3D Bildaufnehmers durchzuführen, ohne ihn von seinem Einbauort zu entfernen. Ebenso verhält es sich bei altersbedingten Driften.

Claims (7)

1. Verfahren zur Kalibrierung von 3D-Bildaufnehmern, welche aufweisen: – eine Lichtquelle, die ein moduliertes Sendesignal in die betrachtete Szene abstrahlt, und – ein Empfangsarray aus einer Mehrzahl von Pixeln, welche aus einem Demodulationssignal mit vorgegebener Phasenlage zum Sendesignal und der von der Szene reflektierten, detektierten Strahlung jeweils pixelbezogen ein Empfängersignal erzeugen, welches als Maß für die Entfernung herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass – für die Erzeugung der Kalibrierstrahlung eine weitere Lichtquelle verwendet wird, welche das komplette Empfangsarray zu definierten Zeiten ausschließlich beleuchtet, und – zur Kalibrierung das komplette Empfangsarray ausschließlich mit einer Kalibrierstrahlung mit für alle Pixel zumindest weitgehend homogener Phasenlage zum Demodulationssignal beleuchtet wird und die dabei auftretenden Empfängersignale der einzelnen Pixel ausgewertet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Phasenabweichung zwischen den Pixeln erfasst wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine zweite Messung mit einer Kalibrierstrahlung erfolgt mit einer zweiten, von der ersten abweichenden Phasenlage zwischen Kalibrierstrahlung und Demodulationssignal.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenbeziehung frei wählbar ist, vorzugsweise entlang einer vorgegebenen Kennlinie über entsprechend viele Sendevorgänge durchgestimmt wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu den definierten Zeiten ermittelte pixelindividuelle Phasenabweichung pixelindividuell in Form einer Look-up-Tabelle zur Korrektur der 3D Bildinformation der betrachteten Szenen abgelegt wird.
6. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche für 3D-Bildaufnehmer zur Umfeld- und Innenraumsensierung bei Kraftfahrzeugen, insbesondere zur Hindernis- und/oder Fahrspurerkennung bei einem Kraftfahrzeug und/oder zur Sitzbelegungserkennung.
7. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5 für 3D-Bildaufnehmer zur Sensierung bei industriellen Anlagen.