DE4426515A1

DE4426515A1 - Intensitätscodiertes 3D-Bilderkennungsverfahren

Info

Publication number: DE4426515A1
Application number: DE4426515A
Authority: DE
Inventors: Erwin Dr Rer Nat Rojewski; Eberhard Dipl Phys Tuengler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-07-27
Filing date: 1994-07-27
Publication date: 1996-02-01

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein intensitätscodiertes 3D-Bilderkennungsverfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur dreidimensionalen Bilderkennung sind zahlreiche Systeme bekannt, wie zum Beispiel stereographische Verfahren mit Triangulation, Moir´ Verfahren zur drei dimensionalen Formerfassung und insbesondere das Laser-Radar-Verfahren. Das heute oft verwendete Laser-Radar-Verfahren hat den Nachteil, die Bildpunkte ein zeln abtasten zu müssen und daher nur Meßtaktraten von der Größenordnung 1-2 Hz erreichen zu können.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein 3D-Bilderkennungsverfahren anzugeben, das eine schnellere und effektivere Datenauswertung durch simultane Erfassung des gan zen Kamerabildes erreicht. Es sollen die zur Auswertung der Meßdaten nötigen Rechenoperationen für jeden Bildpunkt unabhängig vorgenommen werden können; dann ist durch eine speziell konstruierte und programmierte Signalverarbeitungs stufe mit paralleler Struktur prinzipiell eine fast beliebig hohe Verarbeitungsge schwindigkeit (Echtzeit!) erreichbar.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung enthält eine schematische Anordnung der Einzelelemente.

Die Lichtquelle (1) muß eine genügend starke Intensität in denjenigen Wel lenlängenbereich besitzen, der durch die Lichtschalter oder Lichtintensitätsmodu latoren (3; 5), beispielsweise Kerrzellen, gut gesteuert werden kann.

Z.B. kann eine leistungsstarke Blitzlampe mit Farb- oder Interferenzfilter (2) oder ein Laser mit einer für die Kerrzellen (3; 5) geeigneten Wellenlänge verwendet werden; ebenso kann eine starke permanent strahlende Lichtquelle (1) mit Farb- oder Interferenzfilter (2) verwendet werden.

Die Intensität des von der Quelle (1) ausgestrahlten Lichtes wird von dem nachge schalteten Lichtschalter oder Lichtintensitätsmodulator (3) gesteuert. Sodann trifft es auf das Objekt (4) und wird von diesem gestreut. Bevor es die Kamera (7; 8), bei spielsweise eine CCD-Kamera, erreicht, durchläuft es eine weitere Kerrzelle (5), die wiederum die hindurchtretende Intensität, gesteuert durch die elektronische Schal tung, vermindern kann und einen weiteren Farb- oder Interferenzfilter (6). Letzterer vermindert Störungen des Umgebungslichtes.

Falls die Intensität des Umgebungslichtes in dem verwendeten Wellenlängenbe reich zu stark ist, muß dieser Anteil von der Gesamtintensität subtrahiert werden.

Die Funktionsweise wird nun schematisch erläutert:

Als Lichtschalter oder Lichtintensitätsmodulatoren (3; 5) werden im folgenden Kerrzellen verwendet.

Die zweite Kerrzelle (5) wird freigeschaltet. Die erste Kerrzelle (3) gibt einen Lichtpuls ab. Dadurch ist die Aufnahme eines ersten Kamerabildes möglich.

Zur Aufnahme des zweiten Kamerabildes gibt die Kerrzelle (3) wieder einen glei chen Lichtpuls ab. Das Licht, das von verschiedenen Objektpunkten (4) gestreut wird, hat zur Bildebene (8) verschiedene Wege zurückzulegen. Das Verdunkeln der Kerrzelle (5) wird begonnen, wenn das vom nächstgelegenen Objektpunkt re flektierte Licht bei ihr eintrifft. Dabei nimmt das Verdunkeln der Kerrzelle (5) kontinuierlich zu und ist dann beendet, wenn das vom weitestgelegenen erfaßbaren Objektpunkt reflektierte Licht eintrifft.

Auf diese Weise haben die nahegelegenen Objektpunkte eine hohe Intensität, die weiter entfernten Objektpunkte eine geringere. Die nachgeschaltete Signalverarbei tungsstufe errechnet aus den beiden Bildern für jeden Bildpunkt aus dem Verhältnis der Intensitäten die Entfernung des zugehörigen Objektpunktes. Die Richtung des Objektpunktes ist durch die Lage des Bildpunktes gegeben. Damit ist die dreidi mensionale Position jedes sichtbaren Objektpunktes zu erhalten. Da die Rechen operationen für jeden Bildpunkt einzeln durchgeführt werden, liegt ein parallel ver arbeitbares Problem vor und damit ist Echtzeitverarbeitung möglich.

Beim Errechnen der Entfernung der Objektpunkte ist zu beachten, daß der op tische Weg nicht nur durch das abbildende Linsensystem der Kamera (7; 8) sondern auch durch die Kerrzelle (5) verlängert wird. Um solche systematischen Fehler zu beseitigen, ist es nützlich das Gerät zu eichen, indem man ein ebenes Objekt aus mißt und damit für jeden Bildpunkt bei beliebigem Objekt (4) die wahre Entfernung errechnen kann.

Die Genauigkeit in der Ortsauslösung ist begrenzt durch die Anzahl der Grau stufen, also durch die Diskretisierung der Meßwerte der Intensität, und die Wellen zuglänge des Lichtpulses, der auch die maximal erfaßbare Ausdehnung des Objektes bestimmt, und natürlich das Störlicht der Umgebung.

Störungen in Form von Schwingungen und Bewegung des Objektes während der Messung sollten kleiner sein als die Meßauflösung.

Im Rahmen der Erfindung sind mehrere Abwandlungen möglich:

Falls das Bild bei freigeschalteter Kerrzelle (3) nicht mit dem gleichen Lichtpuls aufgenommen wird, muß die so geänderte Intensität durch einen Korrekturfaktor berücksichtigt werden.

Die Aufnahme der Bilder kann auch im Dauerbetrieb der Kerrzellen (3; 5) erfol gen. Die Kerrzellen (3; 5) werden dabei periodisch betrieben. Die beiden benötigten Bilder werden einmal mit in Phase, - d. h., daß die Phasenverschiebung auf die opti sche Entfernung des vom Licht zurückgelegten Weges abgestimmt ist, - und einmal mit geeignet phasenverschoben betriebenen Kerrzellen (3; 5) aufgenommen.

Die Realisierung der Lichtschalter oder Lichtintensitätsmodulatoren ist nicht nur mit Kerrzellen möglich, sondern auch mit mechanisch bewegten Blenden oder mit magnetooptischen (Faraday-Effekt) Schaltern.

Die Funktion der beiden Lichtschalter oder Lichtintensitätsmodulatoren kann von einem einzigen Lichtschalter oder Lichtintensitätsmodulator übernommen wer den. Dabei läuft das Licht ausgehend von der Lichtquelle durch den gleichen Licht schalter oder Lichtintensitätsmodulator, den es nach Streuung am Objekt auf dem Weg zur Kamera durchläuft. Die elektronische Steuerung muß hierbei eine geeignete Zeitverzögerung im Pulsbetrieb oder eine geeignete Phasenverschiebung im periodi schen Betrieb liefern. Letzteres kann auch erreicht werden durch Verändern der Position der Kamera oder andere Anordnungen zur Änderung des optischen Weges.

Claims

1. Intensitätscodiertes 3D-Bilderkennungsverfahren bestehend aus einer Lichtquelle (1) mit einem dahinter positionierten Lichtschalter oder Lichtinten sitätsmodulator (3), einer Kamera (7; 8), beispielsweise mit CCD-Sensor, mit davor positioniertem Lichtschalter oder Lichtintensitätsmodulator (5) dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Lichtschalter oder Lichtintensitätsmodulatoren (3; 5) so verzögert geschal tet werden können, daß die Intensitätabschwächung des die Bildebene (8) erreichen den Lichtes eine Funktion der Laufzeitverzögerung des Lichtes ist, verursacht durch unterschiedliche Lichtwege von der Lichtquelle (1) über das Objekt (4) zur Bildebene (8).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem bei offenen Lichtschaltern oder Lichtintensitätsmodulatoren (3; 5) aufge nommenen Bild und einem mit geeignet zeitverzögerten Lichtschaltern oder Lichtin tensitätsmodulatoren (3; 5) aufgenommenen Bild nach Anspruch 1 mit einer nachge schalteten Signalverarbeitungsstufe die Richtung und die Entfernung jedes Objekt punktes (4) errechnet werden kann.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtschalter oder Lichtintensitätsmodulatoren (3; 5) für jedes aufgenommene Bild nur einmal geschaltet werden oder mehrfach periodisch geschaltet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das bei offenen Lichtschaltern oder Lichtintensitätsmodulatoren (3; 5) aufgenom mene Bild im periodischen Betrieb ersetzt werden kann durch ein bei einer geeignet gewählten Phasenverschiebung der Lichtschalter oder Lichtintensitätsmodulatoren (3; 5) aufgenommenes Bild.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Schaltung die beiden Lichtschalter oder Lichtintensitätsmodula toren (3; 5) mit der geeigneten Zeitverzögerung steuert.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktion der beiden Lichtschalter oder Lichtintensitätsmodulatoren (3; 5) von einem einzigen Lichtschalter oder Lichtintensitätsmodulator übernommen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtschalter als Kerrzellen, mechanisch bewegte Blenden oder als magnetoop tische Lichtschalter oder Lichtintensitätsmodulatoren ausgeführt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Farb- oder Interferenzfilter (2; 6) zur Einstellung des optimalen Arbeitspunktes der Lichtschalter oder zur Unterdrückung des störenden Umgebungslichtes verwen det werden.