DE19517026B4

DE19517026B4 - Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines Fahrzeuges mit Hilfe einer das Fahrzeug aufnehmenden Videokamera und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19517026B4
Application number: DE19517026A
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Ing. Dr. Pöchmüller; Hans-Holger Dipl.-Ing. Kuester; Andreas Dipl.-Ing. Heiner (FH)
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1995-05-10
Filing date: 1995-05-10
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2015-05-11
Also published as: DE19517026A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines Fahrzeuges mit Hilfe einer das Fahrzeug unter einem bestimmten Neigungswinkel gegenüber der Fahrbahn aufnehmenden Videokamera, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Punkt (5) des Fahrzeuges (2) in einer Anzahl von Videobildern verfolgt wird, wobei für die Videobilder jeweils die vertikale Position des Punktes (5) des Fahrzeuges (2) auf einem Videoschirm und der Beobachtungszeitpunkt bestimmt wird, daß ausgehend von den gemessenen Werten in den Videobildern eine Anzahl von Parametern (a) eines Bewegungsmodells für die vertikale Bewegung des Punktes (5) des Fahrzeuges (2) auf dem Videoschirm bestimmt werden und daß die Geschwindigkeit (v) des Fahrzeuges (2) aus mindestens einem der bestimmten Parameter (a) des Bewegungsmodells, der Kamerabrennweite (f), dem Neigungswinkel (α) der Kamera (1) gegenüber der Fahrbahn und der Höhe (h_c) der Kamera (1) über der Fahrbahn bestimmt wird.

Description

Die Geschwindigkeitsmessung aus Videobildern geschieht heutzutage überwiegend anhand der Auswertung von in bestimmten Zeiteinheiten auf der Straße zurückgelegten wegen. Dabei wird gemessen, welche Strecke ein bestimmter Punkt eines Fahrzeugs (z.B. Vorderkante oder Hinterkante des Fahrzeuges) zwischen zwei oder mehreren zeitlich versetzten Videobildern zurückgelegt hat. Teilt man diese Strecke durch die zwischen den Aufnahmen verstrichene Zeit, erhält man die Geschwindigkeit des Fahrzeugs. Voraussetzung der Streckenbestimmung ist jedoch eine vorherige Kalibrierung des Videosystems, bei der eine Korrespondenz zwischen den Bildschirmkoordinaten und den Straßenkoordinaten festzulegen ist.

Das Dokument JP 05-312 819 A offenbart ein Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines Objektes, beispielsweise eines Kraftfahrzeuges. Dabei wird der optische Fluss bestimmt und zur Bestimmung der Geschwindigkeit des Objektes verwendet. Die JP 03-276 070 A beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines Kraftfahrzeuges durch Auswertung der Größe der Ziffern des Nummernschildes. Aus der JP 04-352 300 A ist ein weiteres Verfahren bekannt zur Überwachung eines Verkehrsraumes, wobei die Geschwindigkeit von Fahrzeugen bestimmt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines Fahrzeuges mit Hilfe einer Videokamera zur Verfügung zu stellen, das weniger Rechenleistung benötigt.

Vorteile der Erfindung

Die Geschwindigkeitsbestimmung von Fahrzeugen ist eine Voraussetzung zur automatischen Verkehrsflußanalyse. Über die Bestimmung der Individualgeschwindigkeit einzelner Fahrzeuge können erst globale Verkehrsparameter, wie z.B.

die mittlere Geschwindigkeit einer Fahrzeugklasse in einem gewissen Zeitraum, ermittelt werden.

Der Hauptnutzen der vorgestellten Methode zur Geschwindigkeitsbestimmung eines bewegten Objekts liegt darin, daß keine aufwendige Kamerakalibierung notwendig ist. Die einzigen äußeren Parameter, die bekannt sein müssen, sind die Höhe (h_c) der Kamera über der Ebene, die Kamerabrennweite f und der Winkel (α), mit dem die optische Kameraachse die Straßenebene schneidet. Außerdem ist noch der Winkel zwischen optischer Kameraachse und Fahrtrichtung wesentlich, der jedoch bei der folgenden Modellableitung als 0° angenommen wird. Diese Parameter sind leicht zu bestimmen, ohne in den Verkehrsraum eingreifen zu müssen. Ein Sperren der Straße für das Ausmessen oder zur Anbringung von Markierungen ist nicht erforderlich. Als weiterer Parameter ist noch die Brennweite der Videokamera von Bedeutung. Diese ist jedoch von vornherein bekannt.

Es lassen sich so sehr einfach und kostengünstig kalibrierbare, automatische Verkehrserfassungssysteme realisieren. Dies ist im besonderen vorteilhaft für mobile Verkehrserfassungssysteme.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich. Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in Anspruch 6 angegeben. Bei dem dort gewählten Kamerablickwinkel können die zu beobachtenden Punkte des Fahrzeuges ohne größeren Aufwand gefunden werden.

Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Fahrzeug (Ziffer 2), das sich auf einer Ebene (Straße) mit konstanter Geschwindigkeit v bewegt. Die Bewegung des Fahrzeugs wird durch eine stationäre (unbewegliche) Videokamera (Ziffer 1) beobachtet.
2 zeigt die Projektion der betrachteten Szene (Szenenkoordinate y) auf das Videobild (Ziffer 4, Bildkoordinate y').
Beschreibung der Erfindung
Zur Vereinfachung der Geschwindigkeitsbestimmung werden folgende Randbedingungen vorgegeben:

1. Die Kamera blickt von hinten auf die Fahrzeuge
2. Die Fahrzeuge bewegen sich auf einer Ebene (Modellierung der Straße als Ebene)
3. Die Fahrzeuge bewegen sich mit konstanter Geschwindigkeit
4. Die Kamera blickt in die Fahrzeugbewegungsrichtung

Unter diesen Randbedingungen läßt sich ein gut handhabbares mathematisches Bewegungsmodell ableiten. Abweichungen von diesen Annahmen in realen Szenen werden zu mehr oder minder großen Geschwindigkeitsberechnungsfehlern führen.
1 zeigt eine vereinfachte Darstellung des Sachverhalts. aus dem die Bewegungsmodellierung der beobachteten Fahrzeuge erfolgt. In der skizzierten Szene befindet sich ein Objekt (Fahrzeug) der Höhe h_f, das sich mit konstanter Geschwindigkeit v in der y – z-Ebene des Kamerakoordinatensystems bewegt. Die Kamera befindet sich in einer Höhe h_c über der Fahrbahn und hat einen Neigungswinkel α gegenüber dieser. Ziel soll die Modellierung der Fahrzeugkante sein, die in 1 durch einen Punkt (seitliche Betrachtung) an der rechten oberen Ecke des Fahrzeugs gekennzeichnet ist (Ziffer 3). In dem Moment (Zeitpunkt t = 0), zu dem das Fahrzeug in den rechten Kamerahalbraum eintritt, hat diese Kante eine Entfernung y₀ in y-Richtung des Szenenkoordinatensystems (dessen Ursprung im Brennpunkt der Kamera liegen soll). Es läßt sich mathematisch zeigen, daß die Bewegung dieser Kante in y-Richtung dem funktionalen Zusammenhang
gehorcht. Mit Hilfe der abbildenden Geometrie kann dieser funktionale Zusammenhang in die zweidimensionale Bildschirmebene (x' – y'-Koordinatensystem) des von der Kamera erzeugten Bildes (Projektion auf den Kamerasensorchip) abgebildet werden (siehe 2). Daraus folgt folgende Bewegungsgleichung
wobei y' die vertikale Koordinatenkomponente auf dem zweidimensionalen Videosensorchip und f die Brennweite der Kameraoptik ist. Qualitativ läßt sich diese Bewegungsbeschreibung durch
wiedergeben. Nun bestehen zwei Probleme zur quantitativen Festlegung der Bewegungsgleichung (Bestimmung des Parameters a; b ist durch die Szenengeometrie bereits festgelegt): zum einen ist die Fahrzeuggeschwindigkeit v bei Betrachtung des Videobildes unbekannt, zum anderen kennt man den betrachteten Zeitpunkt nicht (zeitlicher Abstand zum Zeitpunkt t = 0, der den Eintritt in den rechten Kamerahalbraum markiert). da der Eintritt in den rechten Kamerahalbraum aufgrund des begrenzten Kamerablickwinkels nicht beobachtet werden kann. Daher wird ein neuer Zeitmaßstab t' eingeführt, der um die Verzögerungszeit t_d zum Zeitmaß t verschoben ist (t_d sei die Zeit. die zwischen Eintritt in den rechten Kamerahalbraum und erster Beobachtung des Fahrzeugs im Videobild verstreicht). Daraus resultiert die Bewegungsbeschreibung
Eine weitere mathematische Analyse des Problems. die hier nicht wiedergegeben ist, führt zu der Erkenntnis, daß die Parameter a und t_d eine gegenseitige lineare Abhängigkeit besitzen. Es folgt die endgültige Bewegungsbeschreibung
mit einem zu bestimmenden Faktor c. Diese Bewegungsgleichung ist der Ausgangspunkt für alle weiteren Überlegungen.
Zur Bestimmung der Parameter a und c bieten sich mehrere Möglichkeiten an:

1. Im einfachsten Fall mißt man zwei Positionen y'(t') zu zwei verschiedenen Zeitpunkten t'. Setzt man die beiden Meßwerte in Gleichung 7 ein, so erhält man zwei Gleichungen mit zwei Unbekannten.
2. Parameter c läßt sich aus einer Messung y'(t' = 0) (der betrachtete Punkt ist erstmals im Kamerabild zu sehen) über geometrische Betrachtungen nach
bestimmen, wobei β der Offnungswinkel der Kamera ist (gemessen von der optischen Achse der Kamera) und y'_max die halbe vertikale Ausdehnung des Videosensorchips. Nun kann mann a aus einer zweiten Messung mit Hilfe von Gleichung 7 berechnen oder aus mehreren Messungen mit Hilfe der mathematischen Regression (erhöhte Genauigkeit).
3. Die Parameter a und c können beide aus mehreren Messungen y'(t') zu verschiedenen Zeitpunkten unter Minimierung des Bewegungsmodellierungsfehlers mit Hilfe der mathematischen Regression bestimmt werden.

Ausgehend von Gleichung 4 läßt sich nun eine Methode zur Bestimmung der Geschwindigkeit v der betrachteten Objektkante ableiten. Aus geometrischen Betrachtungen in Abbildung 1 folgt
Setzt man diesen Wert für y₀ in Gleichung 4 ein, so folgt
Die Auflösung nach der Objektgeschwindigkeit v ergibt
Die Objektgeschwindigkeit läßt sich demnach aus der Kamerahöhe über der Straße. dem Kameraneigungswinkel α gegenüber der Straße. der Fahrzeughöhe h_f. der Kamerabrennweite f und dem zu messenden Bewegungsparameter a bestimmen. Allerdings ist die Höhe eines Objektpunktes im allgemeinen nicht bekannt oder nur schwer zu bestimmen. Bei dem gewählten Blinkwinkel läßt sich dies jedoch einfach umgehen. Zur Geschwindigkeitsmessung betrachtet man lediglich die untere Rückseite des Fahrzeugs. Diese läßt sich leicht detektieren. Je nach Kameraposition wird die untere Rückseite durch die Stoßstange oder die Reifen gebildet (Ziffer 5, Abbildung 2). Diese Autoteile befinden sich aber nahe an der Fahrbahnoberfläche, d.h. sie besitzen eine Höhe von näherungsweise h_f = 0. Daher reduziert sich Formel 11 zu
Daraus ergibt sich folgende Methode zur Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit:
Zusammenfassende Vorgehensweise zur Geschwindigkeitsbestimmung

1. Messe Kamerahöhe h_c, Kameraneigungswinkel α und Kamerabrennweite f.
2. Verfolge einen Punkt an der Rückseite des Fahrzeugs, der nahe der Straßenoberfläche liegen muß (z.B. Reifen, Stoßstange; siehe Ziffer 5 in 2). Bestimme für jede Messung i die vertikale Position y'_i und den Meßzeitpunkt t'_i.
3. Sind die Messungen abgeschlossen (mindestens zwei Messungen notwendig), so bestimme den Bewegungsgleichungsparameter a.
4. Bestimme nach Gleichung 12 die gesuchte Fahrzeuggeschwindigkeit.

Zur Durchführung des Verfahrens muß die Kamera nicht notwendigerweise genau in Fahrtrichtung zeigen. In diesem Fall ist aber eine Korrektur der berechneten Geschwindigkeit entsprechend der Abweichung der Blickrichtung von der Fahrtrichtung der Objekte vorzunehmen.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines Fahrzeuges mit Hilfe einer das Fahrzeug unter einem bestimmten Neigungswinkel gegenüber der Fahrbahn aufnehmenden Videokamera, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Punkt (5) des Fahrzeuges (2) in einer Anzahl von Videobildern verfolgt wird, wobei für die Videobilder jeweils die vertikale Position des Punktes (5) des Fahrzeuges (2) auf einem Videoschirm und der Beobachtungszeitpunkt bestimmt wird, daß ausgehend von den gemessenen Werten in den Videobildern eine Anzahl von Parametern (a) eines Bewegungsmodells für die vertikale Bewegung des Punktes (5) des Fahrzeuges (2) auf dem Videoschirm bestimmt werden und daß die Geschwindigkeit (v) des Fahrzeuges (2) aus mindestens einem der bestimmten Parameter (a) des Bewegungsmodells, der Kamerabrennweite (f), dem Neigungswinkel (α) der Kamera (1) gegenüber der Fahrbahn und der Höhe (h_c) der Kamera (1) über der Fahrbahn bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bewegungsmodell für die vertikale Bewegung des Punktes (5) des Fahrzeuges (2) auf dem Videoschirm die Form
hat, wobei y' die vertikale Koordinatenkomponente des Punktes (5) des Fahrzeuges (2) auf dem Videosensorchip, t' eine Zeitkoordinate und a,b,c die Parameter des Bewegungsmodells sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Parameter (a) des Bewegungsmodells ausgehend von den in den Videobildern gemessenen Werten über eine Regressionsrechnung bestimmt wird, wobei die Bedingung vorgegeben wird, daß der Bewegungsmodellierungsfehler minimal wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Punkt (5) des Fahrzeuges (2) ein Punkt, der nahe an der Straßenoberfläche liegt, insbesondere ein Punkt der Stoßstange oder eines Reifens des Fahrzeuges gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit (v) des Fahrzeuges (2) nach der Formel
berechnet wird, wobei v die Fahrzeuggeschwindigkeit, f die Kamerabrennweite, α der Neigungswinkel der Kamera (1) gegenüber der Fahrbahn, a ein Parameter des Bewegungsmodells für die vertikale Bewegung des Punktes (5) des Fahrzeuges (2) auf dem Videoschirm und h_c die Höhe der Kamera (1) über der Fahrbahn ist.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Videokamera (1) und ein Bildauswertesystem umfaßt, daß die Videokamera (1) in einer bestimmten Höhe (h_c) über einer Fahrbahn unter einem bestimmten Neigungswinkel (α) gegenüber der Fahrbahn, insbesondere in Fahrtrichtung, so angebracht ist, daß als obere Begrenzung der vorbeifahrenden Fahrzeuge die Dachvorderkante erscheint, und dass das Bildauswertesystem die Verfahrensschritte nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausführt.