DE19918825C2 - Verfahren zur unscharfen Abstandserfassung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur unscharfen Abstandserfassung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, das eine Bildverarbeitungstechnik für eine Weitwinkelerfassung des Abstandes eines Gegenstandes verwendet. Dabei wird eine Kameralinse verwendet, die auf einen spezifischen Abstand scharfstellt, um ein unscharfes Bild eines Gegenstandes in unterschiedlichem Abstand aufzunehmen.

Die Abstandserfassung kommt im allgemeinen bei der Messung des Abstandes für die Fahrsicherheit und für den vorherrschenden unterstützenden Kollisionsschutzalarm ("backing collision-proof alarm" oder "back sonar") und ferner in einem automatischen Fahrleitsystem, das in führenden Industrieländern verstärkt entwickelt wird, zum Einsatz. Die am weitesten verbreiteten Verfahren verwenden Infrarotlicht, Ultraschallwellen und Radarwellen für die Erfassung, wobei ein Sender aktive Wellen (Infrarotstrahlen, Ultraschallwellen oder Funkwellen und dergleichen) ausgibt, die von den Gegenständen in Form reflektierter Wellen zurückprallen. Ein Detektor ist mit einem Empfänger für die reflektierten Wellen ausgerüstet. Die Zeitspanne zwischen dem Aussenden aktiver Wellen vom Sender und dem Empfangen der reflektierten Wellen durch den Empfänger oder die Energiediskrepanz zwischen den ausgesendeten Wellen und den reflektierten Wellen können verwendet werden, um den Abstand eines Gegenstandes vom Sender zu berechnen. Ein solches Verfahren, das reflektierte Wellen für die Erlangung des genauen Abstandes eines Gegenstandes verwendet, besitzt im allgemeinen die folgenden Nachteile:

• 1. Es kann nur verwendet werden, um einen Abstand zu erfassen, ohne die Orientierung eines Gegenstandes zu bestimmen, selbst wenn ein Empfänger des Vektortyps verwendet wird, der in Fig. 1 gezeigt ist. Ein Gegenstand erscheint an einer Position A, wobei die horizontale Koordinate von A durch die erfaßten Abstände der Detektoren S1, S2 bestimmt werden kann, Gegenstände an den Positionen B und C könnten jedoch fehlerhaft ebenfalls als an der Position A befindlich erfaßt werden.
• 2. Zunächst werden zwei horizontal angeordnete Gegenstände betrachtet. Wenn in vertikaler Richtung mehrere Gegenstände angeordnet sind, werden die Orientierungen von Gegenständen nur unter größeren Schwierigkeiten erfaßt.
• 3. Ein fortschrittlicheres Verfahren verwendet eine Weitwinkel-Sendevorrichtung, um eine Weitwinkelerfassung zu erhalten. In der Situation von Fig. 2, in der der Abstand den Wert R1 übersteigt, stören jedoch vom Boden reflektierte Wellen D die normale Erfassung. Daher ist es unmöglich, eine Erfassung auszuführen, wenn ein Abstand eines Gegenstandes den Abstand R1 übersteigt.

Um die oben erwähnten Probleme zu lösen, kann ein Sender, der unter einem kleinen Öffnungswinkel sendet, etwa ein Laser, verwendet werden. Hierbei sind jedoch die Erfassungswinkel verhältnismäßig klein. Eine Weitwinkelerfassung kann dann nur mittels einer Strahlschwenkung erzielt werden. Diese Strahlschwenkung hat nicht nur hohe Kosten, sondern eine geringe Betriebsgeschwindigkeit zur Folge.

Aus der DE 33 33 830 A1 ist ein Verfahren zur Laserentfernungsmessung mit hoher Auflösung für den Nahbereich bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren erfolgt eine Größenmessung der von einem Laserlichtpunkt auf einem Objekt erzeugten Unschärfescheibe nach Abbildung durch ein optisches System außerhalb der idealen Bildweite. Der von einem Laser auf dem Objekt erzeugte Lichtpunkt wird über ein optisches System auf eine Aufnahmeebene außerhalb der idealen Bildweite abgebildet und der Durchmesser der dabei entstehenden Unschärfescheibe wird zur Entfernungsmessung herangezogen. Bei diesem bekannten Verfahren ist also eine Strahlschwenkung, d. h. eine Ablenkeinheit, erforderlich, die hohe Kosten verursacht. Außerdem ist die Betriebsgeschwindigkeit relativ gering.

Die US 5 576 975 offenbart ein Verfahren zur Abstandserfassung, das sich die Bildunschärfe zunutze macht. Bei diesem bekannten Verfahren werden zwei Bilder von unterschiedlichen Positionen aufgenommen, die voneinander in der gleichen optischen Achse einen Abstand Δz besitzen. Diese beiden Bilder werden verglichen. Daraus folgt, daß das erfindungsgemäße Verfahren wesentlich schneller durchführbar ist als das Verfahren gemäß der genannten US 5 576 975. Bei diesem bekannten Verfahren müssen die jeweiligen zwei Bilder in der optischen Achse verbleiben, so daß dieses Verfahren nur relativ langsam durchführbar ist. Zur Durchführung dieses Verfahren müssen die jeweiligen zwei Bilder in der optischen Achse verbleiben, so Präzision zu erzielen. Die Linseneinstellvorrichtung muß stabil ausgebildet sein, um Vibrationen und Bewegungen während des Betriebes zu vermeiden und den Abstand Δz der Linsen zufriedenstellend einzustellen. Der erfaßte Gegenstand muß außerdem in der gleichen optischen Achse lokalisiert, d. h. unbeweglich angeordnet sein, wenn die beiden Bilder aufgenommen werden. Diese Bedingung ist im Allgemeinen nicht einfach einzuhalten. Das gilt beispielsweise insbesondere für Fahrzeuge. Für die beiden aufgenommenen Bilder wird zur Transformation eine Gaborfunktion benutzt, um zwischen den beobachteten Daten und einem Unschärferadius S eine Beziehung zu erhalten. Der gewünschte Abstand kann dann aus der Beziehung zwischen S und dem Abstand "a" des erfaßten Gegenstandes von der Kameralinse erhalten werden. Dabei sind diverse Parameter, wie die Frequenz (k), der Abstand (Δz) und das Gewicht (σ) voreingestellt. Das Einstellkriterium ist in Beziehung zu den Eigenschaften der Abbildungen der aufgenommenen Bilder. Werden diese nicht passend ausgewählt, so ergibt sich ein mangelhaftes Bilderfassungsergebnis. Wenn beispielsweise die ausgewählte Frequenz (k) genau einer Raumfrequenz entspricht, bei der die Abbildung eines Bildes unwirksam ist, wird der Wert der Gaborfunktion sehr klein, so daß auch die erhaltene Genauigkeit entsprechend klein ist.

Bei der ersten Berechnung des Abstandes des Gegenstandes ist die Durchführung der Berechnung relativ aufwendig. Nach dieser ersten Rechnung wird die weitere Berechnung zur Bestimmung eines Gegenstandes jedoch sehr einfach. Erfindungsgemäß ist es nicht notwendig, irgendwelche Parameter für verschiedene Abbildungen einzustellen, so daß das erfindungsgemäße Verfahren universell anwendbar ist.

Bei dem aus der genannten US 5 576 975 bekannten Verfahren wird zur Vereinfachung der Gaborfunktion eine Speichertabelle benutzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zur unscharfen Abstandserfassung zu schaffen, mit dem der Abstand eines Gegenstandes von einer Kameralinse gemessen werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 oder durch die Merkmale des Patentanspruches 2 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet einfach eine übliche Kameraausrüstung, um ein unscharfes Bild eines Gegenstandes zu erhalten, wobei ein entsprechender genauer Abstand des Gegenstandes über eine Reihe einfacher Transformationen mittels Gleichungen, die auf dem unscharfen Bild basieren, berechnet werden kann. Dadurch können herkömmliche Abstandsmessungen gelöst werden.

Nachfolgend wird eine zweckmäßige Ausbildung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das bereits weiter oben beschriebene Diagramm eines herkömmlichen Empfängers des Vektortyps,

Fig. 2 das bereits weiter oben erwähnte Diagramm eines herkömmlichen Rückwärtssonars;

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung einer üblichen Kameralinsenanordnung;

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung von Kugelkoordinaten;

Fig. 5 eine axial geschnittene zylindrische Sammellinse, wie sie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Anwendung gelangt;

Fig. 6 eine Draufsicht einer zweckmäßigen Anwendung der axial geschnittenen zylindrischen Sammellinse gemäß Fig. 5, und

Fig. 7 eine Seitenansicht der zweckmäßigen Anwendung gemäß Fig. 6 der axial geschnittenen zylindrischen Sammellinse gemäß Fig. 5.

Fig. 3 verdeutlicht eine CCD-Kamera (= charge coupled device) zur Aufnahme eines Bildes. Bei der Aufnahme erzeugt die Kameralinsenbaueinheit PH1 ein scharfes Bild eines Gegenstandes OB1, indem die Linsen PH11 und PH12 scharfgestellt werden. Das erzeugte Bild ist nur dann scharf, wenn der Abstand zwischen dem aufzunehmenden Gegenstand OB1 und der Kameralinsenbaueinheit genau D11 beträgt. Falls sich der Gegenstand OB1 nicht im Abstand D11 von der Kameralinsenbaueinheit DH1 befindet, wird der Gegenstand auf der Bildaufzeichnungseinrichtung CCD nicht scharf abgebildet, d. h. es ergibt sich auf der Bildaufzeichnungseinrichtung CCD ein unscharfes Bild. Wenn in der Bildverarbeitungstechnik eine entsprechende Funktion für Unschärfephänomene bekannt ist, kann das unscharfe Bild über die Berechnung der inversen Funktion in ein scharfes Bild umgewandelt werden.

Die Unschärfephänomene sind in Abhängigkeit von Abstandsveränderungen der Gegenstände unterschiedlich, was durch die folgende Formel ausgedrückt werden kann:

dd(r, c) = hd(r, c).i(r, c)

wobei:
dd(r, c) das unscharfe Bild in verschiedenen Abständen d, d. h. das bei der Aufnahme erhaltene unscharfe Bild;
i(r, c) ein ideales scharfes Bild;
hd(r, c) die Raumunschärfefunktion für verschiedene Abstände d;
r ein räumlicher Zeilenindex;
c ein räumlicher Spaltenindex
ist.

Es wird darauf hingewiesen, daß das unscharfe Bild gleich der Faltung eines scharfen Bildes mit einer Unschärfefunktion ist.

Die Anwendung der Fouriertransformation auf die obigen Gleichungen ergibt:

Dd(u, v) = Hd(r, c).Id(u, v)

Id(u, v) = 1/Hd(u, v).D(u, v)

wobei:
Dd(u, v) die Fouriertransformation ist, die dd(rc) entspricht,
Id(u, v) die Fouriertransformation ist, die id(rc) entspricht
H(u, v) die Fouriertransformation ist, die h(r, c) entspricht,
u der Zeilenindex eines Frequenzbereiches ist, und
v der Spaltenindex eines Frequenzbereichs ist.

Aus den obigen Gleichungen geht hervor, daß ein unscharfes Bild dann, wenn hierfür eine geeignete Wiederherstellungsfunktion 1/Hd(u, v) gefunden werden kann, die mit einem in der CCD-Kamera erzeugten Bild multipliziert wird, verbessert und schließlich zu einem idealen, scharfen Bild wiederhergestellt werden kann. Daher können sowohl im voraus durch Berechnung als auch durch Experimente Wiederherstellungsfunktionen 1/H(di), die unscharfen Bildern in verschiedenen Abständen entsprechen, für eine spezifische Kameralinse erhalten werden. Jedes di steht für einen Abstand. Wenn verschiedene di-Werte für entsprechende Punkte in die Funktion eingegeben werden, wird der Abstand di erhalten, für den das schärfste Bild erhalten wird.

Wenn ein erhaltenes Bild in eine Anzahl von Bereichen unterteilt wird und jeder Bereich mit den Wiederherstellungsfunktionen 1/H(di) für verschiedene Abstände multipliziert wird, kann eines der Multiplikationsergebnisse, das einer spezifischen Funktion 1/H(di) entspricht, der Erzeugung des schärfsten Bildes zugeordnet werden. In diesem Fall kann für einen entsprechenden Abstand di geschlossen werden, daß er der wirkliche Abstand zwischen dem spezifischen Bereich und einer Kameralinse ist. Somit können nacheinander sämtliche Abstände di(r, c), die einem Bereich eines Bildes entsprechen, erfaßt werden.

Jeder Blockbereich auf der CCD-Bildaufzeichnungseinrichtung entspricht einer unterschiedlichen Orientierung und einem unterschiedlichen Winkel in bezug auf die Position der Kameralinse, so daß jeder Block einen Winkel (ϕi, θi) darstellt, wobei ϕi ein horizontaler Winkel und θi ein vertikaler Winkel ist (sh. Fig. 4). Bei gegebenem Abstand di und bekannten Winkeln kann jeder Blockposition auf der CCD eine Kugelkoordinate zugeordnet werden, wobei sich die Kameralinse im Zentrum des Kugelkoordinatensystems befindet. Gegebenenfalls können die in Kugelkoordinaten ausgedrückten Positionen in Punkte (xi, yi, zi) eines kartesischen Koordinatensystems wie in Fig. 4 gezeigt umgesetzt werden.

Die Bestimmung einer Zwischengröße eines Bildes kann durch Vergleichen eines einzelnen Blocks mit Hochfrequenzpegeln der Multiplikationsergebnisse der verschiedenen Wiederherstellungsfunktionen erfolgen. Außerdem ist diese Bestimmung bei der Ausführung der Berechnung der Wiederherstellungsfunktionen 1/H(di), um Abstandswerte zu erhalten (wobei die Fouriertransformation (FT) bereits ausgeführt worden ist), bereits in einen Frequenzbereich erfolgt, so daß keine zusätzlichen Fouriertransformationen ausgeführt werden müssen. Im Allgemeinen geben hohe Frequenzen Einzelheiten eines Bildes an, so daß mit zunehmendem Anteil hoher Frequenzen in einem Bild dieses Bild umso schärfer ist.

Die Gleichungen im Zusammenhang mit Bildverarbeitungsberechnungen sind im Allgemeinen zweidimensionale Gleichungen wie folgt:

Aus den obigen Gleichungen geht hervor, daß der Rechenaufwand für den zweidimensionalen Fall enorm ist, was für die Rechenvorrichtungen eine hohe Belastung darstellt. Im Gegensatz dazu ist der eindimensionale Fall einfacher zu berechnen. Daher hat der Erfinder Verbesserungen vorgenommen, um die Berechnungen zu vereinfachen. Zunächst wird eine normale Kameralinse PH3 mit kurzer Brennweite verwendet, d. h. daß die Kameralinse Bilder bei angenähert gleichem Zwischenraum für Fern- oder Nahaufnahmen aufnimmt. Auf einer Seite der Kameralinse ist eine axial geschnittene, zylindrische Sammellinse 1 gemäß der Erfindung angebracht. Die gekrümmte Fläche 11 ist eindimensional (auf der vertikalen oder horizontalen Linie), während die andere Dimension (auf der horizontalen bzw. vertikalen Linie) keine Krümmung besitzt. Daher können verschiedene unscharfe Situationen bei verschiedenen Abständen nur auf der vertikalen (bzw. horizontalen) Linie auftreten, wie in den Fig. 4, 5 und 6 gezeigt ist. Daher können die eindimensionalen Fouriertransformation-Gleichungen wie folgt vereinfacht werden:

d(r, c) = hd(r, c).i(r, c)

D(r, v) = Hd(r, v).I(r, v)

I(r, v) = 1/Hd(r, v).D(r, v)

wobei
r ein räumlicher Zeilenindex ist,
c ein räumlicher Spaltenindex ist, und
v ein Spaltenindex in einem Frequenzbereich ist.

Anhand der obigen Gleichungen können die Fouriertransformationen in eindimensionale Fouriertransformationen umgesetzt werden. Die Wiederherstellungsfunktion und die Wahrnehmung des Bildzwischenraums können sämtlich in eindimensionale Gleichungen vereinfacht werden. Mit anderen Worten, die ursprüngliche N.N-fachen Berechnungen können auf einfache N-fache Berechnungen reduziert werden. Dadurch kann die Geschwindigkeit der Berechnungen wirksam erhöht werden.

Erfindungsgemäß wird eine speziell entworfene Kameralinse für die Aufnahme von Bildern, die durch eine einfache Bildverarbeitungstechnik weiter verarbeitet werden können, verwendet, wobei jedes Bild in eine Anzahl von Bereichen unterteilt und jeder Bereich einem Vergleich seiner Unschärfebedingungen unterworfen wird. Das Ergebnis jedes Vergleichs wird mit einem im voraus berechneten Wert verglichen, um einen Abstand zu erhalten. Sämtliche Berechnungen können durch Computerprogramme automatisch ausgeführt werden. Dadurch können die Abstände von Punkten unter Verwendung der Kameralinse als Kugelzentrum präzise geschätzt werden.

Claims (2)

1. Verfahren zur unscharfen Abstandserfassung, wobei eine Kameralinse (1) mit bestimmter Brennweite verwendet wird, um ein Bild eines Gegenstandes (OB1) aufzunehmen, das durch eine Bildverarbeitungstechnik verarbeitet wird, dadurch gekennzeichnet,
daß das Bild in mehrere Bereiche unterteilt wird, wobei jeder Bereich infolge unterschiedlicher Abstände der den unterteilten Bereichen entsprechenden unterteilten Teile des Gegenstandes von der Kameralinse (1) ein unterschiedliches Unschärfebild besitzt, daß im voraus in einer Speichereinheit Wiederherstellungsfunktionen für verschiedene Abstände gespeichert werden,
und daß für jedes Unschärfebild die Wiederherstellungsfunktion, mittels der ein scharfes Bild wiederherstellbar ist, und der entsprechende Abstand ermittelt werden, so daß für jeden der unterteilten Bereiche der Abstand des entsprechenden Teils des Gegenstandes unter Verwendung der Kameralinse (1) als Kreismittelpunkt erhalten wird.

2. Verfahren zur unscharfen Abstandserfassung, wobei eine Kameralinse (1) für die Aufnahme von Bildern verwendet wird dadurch gekennzeichnet,
daß unter Ausnutzung des Prinzips, daß Unschärfebilder der einzelnen Punkte eines Gegenstandes aufgrund ihrer unterschiedlichen Abstände von der Kameralinse (1) voneinander verschieden sind,
eine Unschärfefunktion, die jedem Abstand eines einzelnen Punkts einen in mehrere Bereiche unterteilten Bildes zugeordnet ist, in eine inverse Funktion, nämlich eine Wiederherstellungsfunktion, mittels der ein scharfes Bild wiederherstellbar ist, umgesetzt und im voraus in einer Speichereinrichtung gespeichert wird,
daß jeder der Bereiche mit jeder Wiederherstellungsfunktion einer Faltungstransformation oder zunächst einer Fouriertransformation in einen Frequenzbereich und dann einer Multiplikation mit jeder Wiederherstellungsfunktion unterworfen wird, und
daß das Ergebnis der Transformation mit dem schärfsten Bild eine Wiederherstellungsfunktion definiert, die einem Abstand eines Bereichs des unterteilten Bildes des Gegenstandes entspricht.