DE4328902A1

DE4328902A1 - Optische Entfernungsmesseinrichtung unter Verwendung von Bildsensoren zur Bestimmung einer Entfernung zu symmetrischen Objekten

Info

Publication number: DE4328902A1
Application number: DE4328902A
Authority: DE
Inventors: Kenji Ogawa
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1992-08-28
Filing date: 1993-08-27
Publication date: 1994-03-10
Anticipated expiration: 2013-08-28
Also published as: JPH0674761A; US5432594A; DE4328902C2

Description

Die Erfindung betrifft optische Entfernungsmeßeinrichtungen unter Verwendung von Bildsensoren und insbesondere optische Entfernungsmeßeinrichtungen zur kontinuierlichen Messung der Entfernung zu einem Objekt, wie beispielsweise einem Kraftfahrzeug, welches eine bilaterale Symmetrie aufzeigt.

Fig. 5 ist ein Blockschaltbild, welches das Prinzip einer herkömmlichen optischen Entfernungsmeßeinrichtung, unter Verwendung von Bildsensoren zeigt, die beispielsweise in der japanischen Patentveröffentlichung (Kokoku) Nummern 63-38 085 und 63-46 363 offenbart ist. Wie in Fig. 5 gezeigt, umfaßt die optische Entfernungsmeßeinrichtung ein linkes und ein rechtes optisches System. Die Linsen 1 und 2 sind um eine Basislinienlänge L beabstandet. Zwei Abbilder eines Objekts 52 werden auf den Bildsensoren 3 bzw. 4 gebildet, die an der Brennweite f der jeweiligen Linsen 1 und 2 positioniert sind. Ein Mikrocomputer 51 berechnet die Entfernung R zum dem Objekt 52 aus der Verschiebung a zwischen den auf den Bildsensoren 3 und 4 gebildeten Abbildern.

Der Mikrocomputer 51 überlagert nämlich die zwei auf den Bildsensoren 3 und 4 gebildeten Abbilder, wobei er aufeinanderfolgend den Betrag der relativen Verschiebung der beiden Abbilder verändert. Der Mikrocomputer 51 bestimmt somit den Verschiebungsbetrag a, bei dem die beste Übereinstimmung zwischen den beiden Abbildern festgestellt wird. Der Abstand R zu dem Objekt 52 wird auf Grundlage des trigonometrischen Prinzips durch die folgende Gleichung bestimmt:

R=fxL/a (1).

Die obige herkömmliche optische Entfernungsmeßeinrichtung besitzt jedoch den folgenden Nachteil. Die durch die linken und rechten optischen Systeme erhaltenen Abbilder werden direkt miteinander verglichen, um die Entfernung R zu bestimmen. Falls somit die optischen Achsen der beiden optischen Systeme vertikal versetzt sind, verschlechtert sich die Übereinstimmung der beiden Abbilder und somit wird die Meßgenauigkeit verkleinert. Infolgedessen müssen die vertikalen Positionen von Achsen der zwei optischen Systeme genau eingestellt sein. Außerdem sind die optischen Charakteristika der beiden Systeme allgemein nicht exakt identisch. Die Unstimmigkeit im Kontrast und der Helligkeit der Abbilder, die von dem Unterschied der Ansprechcharakeristika der Auto-Iris der zwei Systeme herrührt, verkleinert die Übereinstimmung der beiden Abbilder weiter. Dies offenbart sich insbesondere, wenn sich die Helligkeit der Abbilder abrupt ändert. Somit wird die Meßgenauigkeit weiter herabgesetzt.

Es ist deshalb eine Aufgabe dieser Erfindung, eine optische Entfernungsmeßeinrichtung vorzusehen, die eine genaue und zuverlässige Messung der Entfernung zu einem symmetrischen Objekt sogar dann ermöglichen kann, wenn die optischen Achsen der zwei optischen Systeme vertikal versetzt sind oder wenn die beiden durch die zwei optischen Systeme gebildeten Abbilder Veränderungen in dem Kontrast und der Helligkeit aufzeigen.

Die obige Aufgabe wird gemäß dem Prinzip dieser Erfindung durch eine optische Entfernungsmeßeinrichtung zur Erfassung einer Entfernung zu einem eine im wesentlichen bilaterale Symmetrie aufzeigenden Objekt gelöst, welche die folgenden Merkmale umfaßt:
erste und zweite optische Systeme mit optischen Achsen, die voneinander um einen zu einer Symmetrieachse des Objekts im wesentlichen senkrechten lateralen Abstand getrennt sind, wobei die ersten und zweiten optischen Systeme ein erstes bzw. ein zweites Abbild bilden, wobei jedes eine laterale Breite aufweist, die sich in eine Richtung senkrecht zur Symmetrieachse des Objekts erstreckt;
eine Symmetrieachsen-Berechnungseinrichtung, die mit den ersten und zweiten optischen Systemen verbunden ist, um laterale Positionen der ersten und zweiten Symmetrieachsen des Objekts des ersten bzw. zweiten Abbildes zu bestimmen;
eine Verschiebe-Berechnungseinrichtung, die mit der Symmetrieachsen-Berechnungseinrichtung verbunden ist, um einen Abstand zwischen den lateralen Positionen der ersten und zweiten Symmetrieachsen zu berechnen; und
eine Entfernungsberechnungseinrichtung, die mit der Verschiebe- Berechnungseinrichtung verbunden ist, um eine Entfernung zu dem Objekt aus dem Abstand zwischen den lateralen Positionen der ersten und zweiten Symmetrieachsen zu berechnen.

Vorzugsweise umfaßt die Symmetrieachsen-Berechnungseinrichtung folgende Merkmale:
eine Einrichtung zur Bildung eines Fensters innerhalb der ersten und zweiten Abbilder, wobei das Fenster eine laterale Breite aufweist, die im wesentlichen einer Breite des Objektes entspricht;
eine Einrichtung, um das Fenster innerhalb der ersten und zweiten Abbilder umherzubewegen;
eine Auswerteeinrichtung zum Auswerten eines Symmetriegrades eines Abbildes innerhalb des Fensters bezüglich einer Zentralachse davon; und
eine Einrichtung, die mit der Auswerteeinrichtung verbunden ist, um eine Position der Zentralachse des Fensters innerhalb der ersten und zweiten Abbilder zu bestimmen, an der der durch die Auswerteeinrichtung ausgewertete Symmetriegrad maximal ist, wobei die Positionen der Zentralachsen innerhalb der ersten und zweiten Abbilder die lateralen Positionen von Symmetrieachsen innerhalb der ersten und zweiten Abbilder bilden.

Vorzugsweise umfassen die ersten und zweiten optischen Systeme Bildsensoren, auf denen die ersten und zweiten Abbilder gebildet werden. Ferner ist es vorteilhaft, daß die Entfernungsberechnungseinrichtung die Entfernung zu dem Objekt auf Grundlage des Abstands zwischen den lateralen Positionen der ersten und zweiten Symmetrieachsen und auf Grundlage eines trigonometrischen Prinzips berechnet.

Die Merkmale, die als charakteristisch für die Erfindung angesehen werden, sind insbesondere in den beigefügten Ansprüchen aufgeführt. Der Aufbau und das Verfahren eines Betriebs der Erfindung selbst wird jedoch am besten aus der folgenden eingehenden Beschreibung in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild, das den Aufbau einer optischen Entfernungsmeßeinrichtung gemäß dieser Erfindung zeigt;

Fig. 2 ein Flußdiagramm, das die Entfernungsmeßroutine zeigt, die der Mikrocomputer aus Fig. 1 durchläuft;

Fig. 3 ein in dem Speicher 8 gespeichertes zweidimensionales Abbild 11 (in dem oberen Rechteck) zusammen mit der Veränderung der Funktion A_K, die die bilaterale Symmetrie des Abbildes innerhalb des Grenzbereichs 11a bezüglich der Zentralachse C bei K auswertet (untere Kurvendarstellung);

Fig. 4a das in dem Speicher 8 gespeicherte linke Abbild 11, zusammen mit der Position X₁ der Symmetrieachse;

Fig. 4b das in dem Speicher 9 gespeicherte rechte Abbild 12, zusammen mit den Positionen X₁ und X₂ der Symmetrieachsen der linken und der rechten Abbilder, wobei der Verschiebebetrag zwischen den zwei Symmetrieachsen mit a bezeichnet ist; und

Fig. 5 ein Diagramm, welches das Prinzip einer herkömmlichen optischen Entfernungsmeßeinrichtung unter Verwendung von Sensoren zeigt.

In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile oder Abschnitte.

Die bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung wird im folgenden, unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau einer optischen Entfernungsmeßeinrichtung gemäß der Erfindung zeigt. Die optische Entfernungsmeßeinrichtung umfaßt ein linkes und ein rechtes optisches System. Die Linsen 1 und 2 der jeweiligen Systeme sind durch eine Basislinienlänge L voneinander getrennt. Die Abbilder eines Objektes 5, zu dem die Entfernung durch die optische Entfernungsmeßeinrichtung gemessen werden soll, werden auf den an den Brennweiten f der jeweiligen Linsen 1 und 2 positionierten Bildsensoren 3 und 4 gebildet. Hierbei wird angenommen, daß es sich bei dem Objekt 5 um ein Automobil handelt, welches bezüglich einer vertikalen Achse eine bilaterale Symmetrie aufzeigt. Die Bildsensoren 3 und 4 bestehen jeweils aus einem zweidimensionalen Array von lichtempfindlichen Elementen. Die analogen Ausgangspegel der jeweiligen lichtempfindlichen Elemente der Bildsensoren 3 und 4 werden durch die A/D-Wandler 6 bzw. 7 in entsprechende digitale Pegel (z. B. Graupegel mit 256 Abstufungen, die mit 8 Bit dargestellt werden) umgewandelt und die resultierenden digitalen Graupegelabbilder werden in jeweiligen Speichern gespeichert. Der digitale Graupegel an dem (i, j)-ten Element des in dem Speicher 8 des linken optischen Systems gespeicherten zweidimensionalen Arrays wird durch S (i, j) dargestellt. In ähnlicher Weise wird der digitale Graupegel des (i, j)-ten Elements des in dem Speicher 8 des rechten optischen Systems gespeicherten zweidimensionalen Arrays durch S′ (i, j) dargestellt. Ein Mikrocomputer 10 liest die Werte S (i, j) und S′ (i, j) der jeweiligen Elemente der in den Speichern 8 und 9 gespeicherten zweidimensionalen Abbilder und bestimmt den Abstand R zu dem Objekt 5 wie im folgenden beschrieben.

Fig. 2 ist ein Flußdiagramm, welches die Entfernungsmeßroutine darstellt, die der Mikrocomputer aus Fig. 1 durchläuft. Zunächst wird im Schritt S101 die Position der symmetrischen Achse X₁ des auf dem Bildsensor 3 gebildeten und in dem Speicher 8 in Digitalform gespeicherten linken Abbildes bestimmt. Die Bestimmung der Position der Achse X₁ wird wie folgt durchgeführt.

Fig. 3 zeigt (in dem oberen Rechteck) ein in dem Speicher 8 gespeichertes zweidimensionales Abbild 11 zusammen mit der Veränderung der Funktion Ak (die untere Kurvendarstellung), die die bilateral Symmetrie des Abbildes innerhalb des Teilbereichs 11a bezüglich der zentralen Achse C bei K auswertet. Wie oben diskutiert, besteht das in dem Speicher 8 gespeicherte Abbild 11 aus digitalen Grauwerten S (i, j), wobei die Indices i und j die Koordinaten in den Richtungen der Breite und der Höhe des Abbildes darstellen. Die Breite des Abbildes 11 wird mit W dargestellt und somit läuft der Index i von 0 bis (W-1). Die Höhe des Abbildes 11 wird durch N dargestellt und somit läuft der Index j von 0 bis (N-1). Die Auswertefunktion Ak wird für jeden Teilbereich 11a berechnet, indem das Abbild 11 innerhalb des Abbildes 11 von dem linken Ende zu dem rechten Ende aufeinanderfolgend verschoben wird. Der Teilbereich 11a ist ein innerhalb des Abbildes 11 gebildetes Fenster, welches eine Breite M aufweist, welche im wesentlichen der Breite des Objektes 5 entspricht, und eine Höhe N, die mit derjenigen des Abbildes 11 übereinstimmt. Die Position K der Zentralachse C des Teilbereichs 11a, auf den bei der Auswertung der bilateralen Symmetrie Bezug genommen wird, liegt im Bereich von (M-1)/2 bis (W-1)-(M-1)/2=W-(M/2)+(1/2). Hierbei wird angenommen, daß M eine ungerade Zahl ist, so daß der Teilbereich 11a eine Achse C in der Mitte (siehe Fig. 3) aufweist. Die Auswertefunktion Ak für den Teilbereich 11a mit der Auswerteachse bei K (K=M-1)/2, . . . , (W-1)-(M-1)/2) wird durch die folgende Gleichung berechnet:

In der obigen Gleichung (2) ist jeder Summand

| S (K-i, j) - S (K+i, j) |

die absolute Differenz der digitalen Graupegel an den Pixeln (K-i, j) und (K+i, j), die sich an der Höhe j befinden bzw. um ein linkes und ein rechtes Verschiebungs-i lateral von der Zentralachse C (Abszisse=K) versetzt sind. Somit zeigt ein kleinerer Wert der A_K einen größeren Grad einer bilateralen Symmetrie des Teilbereichs 11a bezüglich der Zentralachse C des Teilbereichs 11a an (je kleiner der Wert von A_K ist, desto größer ist nämlich der Symmetriegrad). In der unteren Kurvendarstellung in Fig. 3 ist die Veränderung der Auswertefunktion A_K bezüglich der Position K der Achse C des Teilbereichs 11a aufgetragen. Die Position X₁, an der die Funktion A_K ihr Minimum annimmt, wird als die Symmetrieachse des Abbildes S (i, j) bestimmt.

Im Schritt S102 wird die Position der Symmetrieachse X₂ des auf dem Bildsensor 4 gebildeten und in dem Speicher 9 in einer digitalen Form gespeicherten rechten Abbildes S′ (i, j) bestimmt. Die Position X₂ der Symmetrieachse wird in einer ähnlichen Vorgehensweise wie die oben beschriebene bestimmt, unter Verwendung von S′ (i, j) anstelle von S (i, j).

Im Schritt S103 wird der absolute Wert der Verschiebung a zwischen den zwei Abbildungen, nämlich der absolute Wert zwischen der Differenz zwischen X₁ und X₂ bestimmt. Fig. 4a zeigt das in dem Speicher 8 gespeicherte linke Abbild 11 zusammen mit der Position X₁ der Symmetrieachse. Fig. 4b zeigt das in dem Speicher 9 gespeicherte rechte Abbild 12 zusammen mit den Positionen X₁ und X₂ der Symmetrieachsen der linken und rechten Abbilder, wobei der Verschiebebetrag zwischen den zwei Symmetrieachsen mit a bezeichnet ist. Die absolute Differenz oder der Verschiebebetrag a zwischen den zwei Achsen stellt die Parallaxe des Objekts 5 bezüglich der linken und rechten Linse 1 und 2 der beiden optischen Systeme dar. Somit wird die Entfernung R auf Grundlage des trigonometrischen Prinzips durch die Gleichung (1) berechnet:

R=fxL/a (1).

Die Entfernung zu dem Objekt 5 wird in Echtzeit kontinuierlich bestimmt, indem die Schritte S101 bis S104 wiederholt werden.

In der obigen Beschreibung wird angenommen, daß es sich bei dem Objekt 5 um ein Automobil handelt. Jedoch kann es sich bei dem Objekt 5 um irgendeinen Körper handeln, der eine bilaterale Symmetrie aufzeigt, wie beispielsweise ein Flugzeug, in der Draufsicht von vorne oder hinten, oder ein symmetrisches Gebäude. Falls die Symmetrieachse nicht vertikal ist, muß die Position des optischen Systems so eingestellt werden, daß die laterale Richtung (die Richtung der Basislinien Länge L in Fig. 1) senkrecht zur Symmetrieachse des Objekts ist, zu dem die Entfernung gemessen werden soll. Außerdem werden in dem Fall der obigen Routine aus Fig. 2 die Positionen der symmetrischen Achsen der linken und der rechten Abbilder sukzessive in dieser Reihenfolge bestimmt. Jedoch kann die Reihenfolge einer Erfassung der Achsen umgedreht werden, oder die Positionen der Symmetrieachsen können gleichzeitig durchgeführt werden, falls die Hardware dies erlaubt.

Claims

1. Optische Entfernungsmeßeinrichtung zur Bestimmung einer Entfernung zu einem Objekt, welches eine bilaterale Symmetrie aufzeigt, umfassen:
erste und zweite optische Systeme mit optischen Achsen, die voneinander um einen zu einer Symmetrieachse des Objekts im wesentlichen senkrechten lateralen Abstand getrennt sind, wobei die ersten und zweiten optischen Systeme ein erstes bzw. ein zweites Abbild bilden, wobei jedes eine laterale Breite aufweist, die sich in eine Richtung senkrecht zur Symmetrieachse des Objekts erstreckt;
eine Symmetrieachsen-Berechnungseinrichtung, die mit den ersten und zweiten optischen Systemen verbunden ist, um laterale Positionen der ersten und zweiten Symmetrieachsen des Objekts des ersten bzw. zweiten Abbildes zu bestimmen;
eine Verschiebe-Berechnungseinrichtung, die mit der Symmetrieachsen-Berechnungseinrichtung verbunden ist, um einen Abstand zwischen den lateralen Positionen der ersten und zweiten Positionen der Symmetrieachsen zu berechnen; und
eine Entfernungsberechnungseinrichtung, die mit der Verschiebe-Berechnungseinrichtung verbunden ist, um eine Entfernung zu dem Objekt aus dem Abstand zwischen den lateralen Positionen der ersten und zweiten Symmetrieachsen zu berechnen.

2. Optische Entfernungsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrieachsen-Berechnungseinrichtung umfaßt:
eine Einrichtung zur Bildung eines Fensters innerhalb der ersten und zweiten Abbilder, wobei das Fenster eine laterale Breite aufweist, die im wesentlichen einer Breite des Objektes entspricht;
eine Einrichtung, um das Fenster innerhalb der ersten und zweiten Abbilder umherzubewegen;
eine Auswerteeinrichtung zum Auswerten eines Symmetriegrades eines Abbildes innerhalb des Fensters bezüglich einer Zentralachse davon; und
eine Einrichtung, die mit der Auswerteeinrichtung verbunden ist, um eine Position der Zentralachse des Fensters innerhalb der ersten und zweiten Abbilder zu bestimmen, an der der durch die Auswerteeinrichtung ausgewertete Symmetriegrad maximal ist, wobei die Positionen der Zentralachsen innerhalb der ersten und zweiten Abbilder die lateralen Positionen von Symmetrieachsen innerhalb der ersten und zweiten Abbilder bilden.

3. Optische Entfernungsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten optischen Systeme Bildsensoren umfassen, auf denen die ersten und zweiten Abbilder gebildet werden.

4. Optische Entfernungsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernungs- Berechnungseinrichtung die Entfernung zu dem Objekt auf der Grundlage des Abstands zwischen den lateralen Positionen der ersten und zweiten Symmetrieachsen und auf Grundlage eines trigonometrischen Prinzips berechnet.