DE19517029A1

DE19517029A1 - Verfahren zur Bestimmung der Höhe eines Fahrzeuges mit Hilfe einer das Fahrzeug aufnehmenden Videokamera und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19517029A1
Application number: DE1995117029
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl Ing D Poechmueller; Hans-Holger Dipl Ing Kuester; Andreas Dipl Ing Heiner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Kapsch TrafficCom AG
Priority date: 1995-05-10
Filing date: 1995-05-10
Publication date: 1996-11-14
Anticipated expiration: 2015-05-11
Also published as: DE19517029B4; DE19517029B9

Description

Stand der Technik

Die Höhenmessung von Fahrzeugen durch heutige automatische Verkehrserfassungssysteme ist sehr problematisch. Induktionsschleifen geben keine Höheninformation. Videosysteme können mit Hilfe von Stereobildauswertung Höheninformationen berechnen, es sind hierfür jedoch zwei Kameras notwendig und die eingesetzten Algorithmen sind rechenaufwendig. Einige Ansätze hierzu sind in dem Buch von O. Faugeras, Three-Dimensional Computer Vision, The MIT Press, Cambridge, 1993) beschrieben. Monokulare Systeme (Videosystem mit nur einer Kamera) benötigen bislang aufwendige geometrische Berechnungen. Scan-Verfahren (z. B. Lichtvorhänge) erlauben eine exakte Höhenprofilbestimmung, diese können aber keine Verkehrsszenen erfassen sondern nur einen schmalen Straßenstreifen.

Vorteile der Erfindung

Eine Höhenbestimmung von Fahrzeugen ist in der Verkehrsflußanalyse mit Videotechnologie notwendig. Über die Höhe der Fahrzeuge läßt sich eine sichere Klassifikation zwischen Lastkraftwagen und Personenkraftwagen durchführen, insbesondere bei Blickwinkeln, die keine exakte Längenbestimmung zulassen. Bei entsprechend genauer Höhenbestimmung ist eine weitere Klassenaufteilung möglich (z. B. PKW, Geländewagen, Transporter, LKW).

Die vorgestellte Methode erlaubt die Höhenbestimmung mit nur einer Kamera. Dies bedeutet einen beträchtlichen Kostenvorteil gegenüber Stereokamerasystemen. Weiterhin ist der Rechenalgorithmus zur Modellparameterbestimmung (Parameter a) von nur geringem Rechenaufwand, so daß die Berechnung sehr schnell erfolgen kann. Dadurch ist keine spezielle Hochgeschwindigkeitshardware nötig, um Echtzeitbetrieb im Videotakt zu ermöglichen. Das Verfahren benötigt keine aufwendige Kalibrierung. Es lassen sich somit leichter kleine, mobile Verkehrserfassungssystem realisieren, die eine sichere Fahrzeugklassifikation ermöglichen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich. Für eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist es vorteilhaft, wenn sie oberhalb der Fahrzeugebene mit einem solchen Blickwinkel angebracht wird, daß als obere Begrenzung der vorbei fahrenden Fahrzeuge die Vorderkante des Daches erscheint. In diesem Fall ist die Motorhaube dann nicht zu sehen. Dies hat den Vorteil, daß keine aufwendige Bildauswertung erforderlich ist um den geeigneten Punkt für die Höhenberechnung festzulegen. Es kann praktisch sofort der zuerst von der Kamera beobachtete Punkt des Fahrzeuges verwendet werden.

Beschreibung der Zeichnungen

1. Abb. 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. Abb. 2 zeigt die Projektion der betrachteten Szene (Szenenkoordinate y) auf das Videobild (Ziffer 4, Bildkoordinate y′).

Beschreibung der Erfindung

Zur Vereinfachung der Höhenbestimmung werden folgende Randbedingungen vorgegeben:

1. Die Kamera blickt von hinten auf die Fahrzeuge
2. Der Kamerablickwinkel (Höhe der Kameraposition, Neigung der Kamera) wird so gewählt, daß als obere Begrenzung des Fahrzeugs die Vorderkante des Daches er scheint (Ziffer 3 in Abb. 1, 2). Die Motorhaube ist nicht zu sehen
3. Die Fahrzeuge bewegen sich auf einer Ebene (Modellierung der Straße als Ebene)
4. Die Fahrzeuge bewegen sich mit konstanter Geschwindigkeit
5. Die Kamera blickt in die Fahrzeugbewegungsrichtung

Unter diesen Randbedingungen läßt sich ein gut handhabbares mathematisches Bewe gungsmodell ableiten. Abweichungen von diesen Annahmen in realen Szenen werden zu mehr oder minder großen Höhenberechnungsfehlern führen.

Abb. 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung des Sachverhalts, aus dem die Bewe gungsmodellierung 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 Abb. 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 Abbil dung 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 Bewegungsbeschrei bung durch

mit

und

b = f · tan(α) (5)

wiedergeben. Nun bestehen zwei Probleme zur quantitativen Festlegung der Bewegungs gleichung (Bestimmung des Parameters (a; b ist durch die Szenengeometrie bereits fest gelegt): 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 Öffnungswinkel der Kamera ist (gemessen von der optischen Achse der Kamera) und y′_max die halbe vertikale Ausdehnung des Videosensorchips. Nun kann man 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 Höhe h_f der betrachteten Objektkante ableiten. Aus geometrischen Betrachtungen in Abb. 1 folgt

Setzt man diesen Wert für y₀ in Gleichung 4 ein so folgt

Die Auflösung nach der Objekthöhe h_f ergibt

Die Objekthöhe läßt sich demnach aus der Kamerahöhe über der Straße, dem Kamera neigungswinkel α gegenüber der Straße, der Fahrzeuggeschwindigkeit der Kamera brennweite f und dem zu messenden Bewegungsparameter a bestimmen. Daraus ergibt sich folgende Methode zur Bestimmung der Fahrzeughöhe:

Zusammenfassende Vorgehensweise zur Höhenbestimmung

1. Messe Kamerahöhe h_c, Kameraneigungswinkel α und Kamerabrennweite f.
2. Verfolge einen Punkt des Fahrzeugs, dessen Höhe bestimmt werden soll, in mehreren Videobildern. Bestimme für jede Messung i die vertikale Position y′_i und den Meß zeitpunkt t′_i (beim gewählten Blinkwinkel eignet sich für die Fahrzeughöhenbestim mung besonders die Verfolgung der Dachvorderkante, da diese einfach und schnell zu bestimmen ist).
3. Sind die Messungen abgeschlossen (mindestens zwei Messungen notwendig), so be stimme den Bewegungsgleichungsparameter a.
4. Bestimme die Fahrzeuggeschwindigkeit v (hierfür ist ein geeignetes Verfahren zu wählen).
5. Bestimme nach Gleichung 11 die gesuchte Fahrzeughöhe.

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

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Höhe eines Fahrzeuges mit Hilfe einer das Fahrzeug aufnehmenden Videokamera, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Punkt (3) des Fahrzeuges (2), der für die Höhe des Fahrzeuges charakteristisch ist, in einer Anzahl von Videobildern verfolgt wird, wobei für jedes Videobild die vertikale Position des Punktes und der Beobachtungszeitpunkt bestimmt wird, daß ausgehend von den gemessenen Werten in den Videobildern mindestens ein Parameter (a) eines Bewegungsmodells für die vertikale Bewegung des Punktes des Fahrzeuges auf dem Videoschirm bestimmt wird, daß weiter die Geschwindigkeit des Fahrzeuges gemessen wird, und daß die Fahrzeughöhe (h_f) aus dem mindestens ein Parameter (a) des Bewegungsmodells, der Fahrzeuggeschwindigkeit (v), der Höhe (h_c) der Kamera über der Fahrbahn, dem Neigungswinkel (α) der Kamera gegenüber der Fahrbahn und der Kamerabrennweite (f) bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bestimmung des mindestens eines Parameters (a) des Bewegungsmodells eine Regressionsrechnung über die gemessenen Werte in den Videobildern durchgeführt wird, bei der insbesondere die Bedingung vorgegeben wird, daß der quadratische Fehler des Bewegungsmodells minimal wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bewegungsmodell die Form hat, wobei y′ die vertikale Koordinatenkomponente des Punktes des Fahrzeuges auf dem Videosensorchip, t′ eine Zeitkoordinate
und a, b, c die Parameter des Bewegungsmodells sind.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Punkt (3) des Fahrzeug (2) der für die Höhe des Fahrzeuges charakteristisch ist, ein Punkt der Dachvorderkante des Fahrzeuges gewählt wird.

5. 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), insbesondere in Fahrtrichtung, so angebracht ist, daß als oberer Begrenzung der vorbeifahrenden Fahrzeuge die Dachvorderkante erscheint.