DE60313429T2

DE60313429T2 - Dreidimensionales Bilderzeugungssytem

Info

Publication number: DE60313429T2
Application number: DE60313429T
Authority: DE
Inventors: Luca c/o C.R.F. Societa Consortile p Liotti; Pier Mario c/o C.R.F. Società Consor Repetto; Marie Marguerite C.R.F. Soc. Consort Dugand; Elena c/o C.R.F. Società Consortile Borello; Elena c/o C.R.F. Società Consortile Balocco; Piero c/o C.R.F. Società Consortile Perlo
Original assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Current assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Priority date: 2003-03-19
Filing date: 2003-03-19
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2023-03-20
Also published as: EP1460453B1; EP1460453A1; DE60313429D1; ATE360827T1; ES2285000T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet dreidimensionaler Bilderzeugungssysteme des in dem Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Typs.
Aus dem Dokument WO-A-03016944 , nach welchem der Oberbegriff des Anspruchs 1 entworfen ist, ist eine Vorrichtung bekannt zum Aufnehmen dreidimensionaler abstandsmessender Bilder einer Objektoberfläche durch Messen der Lichtausbreitungszeit unter Verwendung eines kurzzeitintegrierten Photodetektors. Auf die erlangten Daten in den Integrationsfenstern wird eine Interpolationsoperation ausgeführt.
Dokument US 6 057 909 offenbart ein System, welches eine Szene detektiert durch Aussenden von Lichtpulsen einer bestimmten Dauer T und Integrieren der empfangenen Signale in einem Zeitfenster derselben Dauer T und um eine bestimmte Zeit τ verschoben. Die Auswahl einer solchen Dauer und Verschiebungszeit τ bestimmt die Tiefenschärfe des Systems. Ein Feld von linearen Blenden wird bereitgestellt, welches nur ein Stück der Szene pro Zeiteinheit für den Sensor detektierbar macht, in einer sequentiellen Abtastung, welche auf jede Reihe von Photodetektoren ausgeführt wird.
Dokument US2001/0024271 offenbart eine Abstandsmessvorrichtung unter Verwendung von Photodetektoren zum Detektieren von Echosignalen, welche sich damit befasst, das Problem des Schrotrauschens zu lösen, d.h. die quantentheoretische Fluktuation der photogenerierten Elektronen, durch Wiegen der Anzahl an Elektronen, welche in angrenzenden Integrationsfenstern angesammelt sind, entsprechend der ersten und zweiten aufeinanderfolgenden Sequenz.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein dreidimensionales Bilderzeugungssystem des oben spezifizierten Typs bereitzustellen, welches geeignet sein wird, eine Szene zu rekonstruieren, welche innerhalb eines Sichtfeldes FOV [Field of View] enthalten ist und mit einer Tiefenschärfe, die zwischen einem Wert d_min und einem Wert d_max begrenzt ist.
Um die oben genannte Aufgabe zu erfüllen, beinhaltet das System entsprechend der Erfindung die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das dreidimensionale Bilderzeugungssystem ausgelegt, um eine Dauer Δt des Pulses aufzuweisen gleich: Δt = 2(dmax – dmin)/(n – 1)cwobei c die Lichtgeschwindigkeit und n die Anzahl der Sequenzen ist.
Noch einmal entsprechend der vorliegenden Erfindung ist die Dauer Δt_f jedes Fensters gleich der Dauer des Pulses Δt der Quelle.
Das zuvor genannte Übertragungsmodul kann auf einem einzelnen Laser oder einem Laserfeld, auf einer einzelnen LED oder einem LED-Feld oder auf einer anderen Lichtquelle basieren, vorzugsweise mit einer Emission in dem nahen IR (0,78 μm bis 1,1 μm) oder sonst im Infrarotbereich.
Das Empfängermodul ist vorzugsweise ein CCD-Sensorfeld oder ein CMOS-Sensorfeld.
Das Übertragungsmodul kann entweder mechanisch oder elektronisch abgetastet werden.
Alternativ besteht das Empfängermodul aus einem einzigen Sensor, welcher entweder mechanisch oder elektrooptisch abgetastet wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden klar hervorgehen aus der folgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, welche nur als nichtbegrenzendes Beispiel bereitgestellt werden und in welchen:
1 ein Blockschaltbild des dreidimensionalen Bilderzeugungssystems entsprechend der Erfindung ist; und
2, 3 und 4 Diagramme sind, welche die Grundprinzipien des Bilderzeugungssystems entsprechend der Erfindung darstellen.
Mit Bezug auf 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 als Ganzes das Übertragungsmodul des Systems entsprechend der Erfindung, während das Bezugszeichen 2 das Empfängermodul bezeichnet, welches das Signal empfängt, welches von einem Hindernis reflektiert wird, das einen Teil der Szene bildet, auf die die von dem Übertragungsmodul 1 emittierte Strahlung auftrifft. Mit dem Übertragungsmodul 1 und dem Empfängermodul 2 sind elektronische Verarbeitungs-Synchronisations-Mittel 3 verbunden.
Im Folgenden wird das theoretische Prinzip, welches dem System gemäß der Erfindung zugrunde liegt, kurz beschrieben.
Angenommen es besteht die Notwendigkeit den Abstand von Objekten in einer Entfernung D zu messen, dann
ist die Zeit, welche ein Lichtsignal benötigt, um eine Entfernung 2D zu erfassen: T0 = 2D/cwobei c die Lichtgeschwindigkeit ist.
Die Zeit T₀ ist auch die maximale Zeit, welche von dem Lichtpuls benötigt wird, um detektiert zu werden, wenn er von Objekten in einem Abstand nicht größer als D reflektiert wurde.
In dem System gemäß der Erfindung emittiert das Übertragungsmodul 1 zu einem Zeitpunkt t₀ = 0 einen ersten Lichtpuls der Dauer Δt. Es besteht die Notwendigkeit, dass Δt ein ganzzahliger Teiler von T₀ ist, d.h. um die Beziehung (k – 1) Δt = T₀ zu erfüllen, wobei k eine Ganzzahl ist. Diese Situation ist in dem Diagramm der 2 dargestellt.
Der ausgesendete Impuls trifft auf ein Hindernis auf, wird reflektiert, und ein Anteil des Pulses (welcher von der Entfernung, dem Reflexionsgrad etc.) abhängt, prallt zurück und wird durch den Empfänger 2 detektiert. Zu dem gleichen Zeitpunkt t₀ = 0 beginnt der Empfänger die Signale zu integrieren, welche in k aufeinanderfolgenden Zeitfenstern der Länge Δt empfangen werden, in welchen eine Anzahl n_j (j = 1, ..., k) von Elektronen angesammelt sind (siehe 3).
Auf diese Art und Weise werden in den k Fenstern (der Gesamtamplitude T₀ + Δt) alle Pulse und nur die Pulse integriert, welche von Objekten reflektiert werden in einer zwischen 0 und D enthaltenen Entfernung, welche in das erste bzw. in das letzte Fenster fallen. Pulse, welche von Hindernissen in einer Entfernung größer als D reflektiert werden, werden nicht detektiert. Der Echopuls, welcher von dem Objekt reflektiert wird, fällt in ein oder zwei Integrationsfenster. Im Allgemeinen wird ein erster Bruchteil der Länge Δt₁ des Echopulses in das i-te Fenster fallen, und der verbleibende Teilbereich mit einer Länge Δt₂ wird in das i + 1-te Fenster fallen (Δt₂ + Δt₁ = Δt). Wenn der Echopuls ganz in das einzelne Fenster fällt, dann ist Δt₂ = 0.
Das Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt t₀ = 0 und der steigenden Flanke des Echopulses ist gleich der Laufzeit des Pulses und ermöglicht, die Entfernung des Objektes abzuleiten. Die Anzahl an Elektronen, welche in jedem einzelnen Fenster integriert werden, hängt von dem Hintergrundsignal und von der Intensität des empfangenen Echosignals ab, welches wiederum von dem Reflexionsgrad und von der Entfernung des Objektes abhängt (siehe 4).
Wenn für jedes einzelne Integrationsfenster N die Hintergrundelektronenanzahl und N_echo die Gesamtanzahl von Elektronen in dem empfangenen Signal ist, dann ist die Anzahl n_i der Elektronen, welche in dem i-ten Fenster integriert werden, gleich: nk = N, für jedes k außer {i, i + 1} ni = N + NechoΔt1/Δt ni+1 = N + NechoΔt2/Δt.
Durch Lösen der oben genannten Gleichungen wird das Folgende erhalten: Δt1 = (ni – N)/(ni+1 + ni – 2N)Δt
Es ist offensichtlich, dass es zur Berechnung von Δt₁ gemäß der vorliegenden Technik ausreichend ist, nur zwei Integrationsfenster n_i und n_i+1 zu verwenden, nur in dem Fall, in dem die Hintergrundelektronenanzahl N null ist oder jedenfalls sehr klein verglichen mit der Signalelektronenanzahl. Im Allgemeinen wird für N ungleich null (wie es auftritt, wenn die Technik in beleuchteten Innen- oder Außenumgebungen angewendet wird) die Verwendung von wenigstens einem dritten Integrationsfenster (n_k) benötigt, welches ermöglicht, den Berechnungsfehler der Entfernung signifikant zu reduzieren.
Das Integrationsfenster für die Erfassung des Hintergrunds kann auch zeitweise phasenverschoben sein in Bezug auf das vorhergehende, auf eine solche Art und Weise, dass keine Echostrahlung gesammelt wird, welche von Hindernissen kommt, die in der Entfernung des interessierenden Abstands gesetzt sind, und dass nur die Strahlung gesammelt wird, welche dem Hintergrund entspricht. In diesem Sinne kann, während jede Sequenz, welche dem Fenster zum Sammeln des Echosignals entspricht, notwendigerweise zeitweise phasenverschoben sein muss mit Bezug auf das vorhergehende, um ein Zeitintervall gleich der Dauer des Fensters selber, die Sequenz, welche dem Fenster zum Sammeln des Hintergrundsignals entspricht, um eine größere Menge phasenverschoben sein.
Der Abstand d des Objektes ist: d = [i – (Δt1/Δt)]/·D/k.
Die Formel für die Abstandsmessung enthält das Verhältnis zwischen der Anzahl an Elektronen, welche in den interessierenden Fenstern integriert werden: das Ergebnis ist daher bereits unabhängig vom Reflexionsgrad des Objektes und hängt nur von dessen Abstand zum Empfänger ab. Der Fehler der einzelnen Mengen n_j hängt von verschiedenen Faktoren ab: Schrotrauschen, schwarzes Rauschen, Zurücksetzungsrauschen etc. In dem Fall der Erfindung wird nur das Schrotrauschen der Signale berücksichtigt, welches unter Bedingungen normaler Lichtintensität der dominierende Beitrag ist. Der Fehler jeder Menge n_j wird sein: δnj = √nj.
Wenn der Fehler in der Formel zum Erhalten von Δt₁ sich unter der Gaußschen Hypothese fortpflanzt, wird der Fehler σ_d der Abstandsmessung erhalten: σd = D/k/(ni+1 + ni – 2N)√(2ni + ni+1 + 5N).
Wenn die Tatsache berücksichtigt wird, dass n_i+1 + n_i – 2N die Anzahl integrierter Elektronen ist, welche nur von dem übertragenen Signal erzeugt werden, ergibt sich, dass: σd ≤ σmax = D/k/Nsig√(2Nsig + 8N)σmax = Maximalfehler.
Die Erfassung von verschiedenen Mengen n_k findet durch serielle Integration des Signals in den einzelnen Fenstern zu vielen Zeiten statt. Das Näherungssymbol hängt von der Tatsache ab, dass manche Verzögerungsfaktoren, wie z.B. die Lesezeiten, vernachlässigt wurden.
Natürlich können, ohne Nachteil für das Prinzip der Erfindung, die Implementierungsdetails und die Ausführungsformen weitgehend variieren mit Bezug auf das, was hier rein beispielhaft beschrieben und dargestellt wurde, ohne dabei von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims

Dreidimensionales Bilderzeugungssystem, welches umfasst: – ein Übertragungsmodul (1), welches eine Strahlungsquelle beinhaltet, wobei das Übertragungsmodul gebildet wird durch eine gepulste Quelle, welche eine in drei Dimensionen aufzunehmende Szene beleuchtet, welche für jedes dreidimensionale Aufzeichnen Q = m × k Pulse einer Dauer Δt aussendet mit einer Wiederholfrequenz gleich f = dc/Δt, wobei dc das Tastverhältnis des Signals der gepulsten Quelle ist; – ein Empfängermodul (2), welches wenigstens ein photoempfindliches Element umfasst, welches in dem gleichen spektralen Fenster wie die Strahlungsquelle betreibbar ist, wobei das Empfängermodul angepasst ist, um Strahlung von der Strahlungsquelle und reflektiert von einem Objekt, welches sich in der Szene befindet, zu empfangen; und – elektronische Steuer- und Verarbeitungsmittel (3), welche mit dem Empfängermodul verbunden sind; – wobei die elektronischen Steuer- und Verarbeitungsmittel Verarbeitungssynchronisationsmittel umfassen, welche geeignet sind, für jede Sequenz k eine Integrationsoperation der m Echopulse, welche mit der Sequenz verbunden sind, auszuführen, wobei die Integrationsoperation benutzt wird, um eine Anzahl von Elektronen (nj) über m Integrationsfenster anzusammeln, wobei jedes der Integrationsfenster eine Dauer Δt_f und eine Wiederholfrequenz f hat und der Phasenunterschied zwischen dem ersten Fenster der ersten Sequenz von Integrationsfenstern und der steigenden Flanke des ersten übertragenen Pulses gleich τ ist; dadurch gekennzeichnet, dass jede der k Sequenzen von Integrationsfenstern zeitlich phasenverschoben ist in Bezug auf die vorherige Sequenz von Integrationsfenstern um ein Zeitintervall, welches gleich der Pulsdauer Δt ist, wobei die Zeitdauer Δt_f gleich Δt ist, wobei die Pulsdauer Δt ein ganzzahliger Teil der Maximallaufzeit (T₀) ist; und die elektronischen Steuer- und Verarbeitungsmittel (3) weiterhin Mittel umfassen, welche angepasst sind, um die von der Strahlung zurückgelegte Entfernung zu berechnen durch: a) Ermitteln, aus k Sequenzen von Integrationsfenstern, einer ersten und zweiten aufeinanderfolgenden Sequenz von Integrationsfenstern, welche an dem gleichen photoempfindlichen Element empfangen werden, in welchem der Echopuls integriert wird, und b) Ausführen einer Berechnung, welche ein Verhältnis der Anzahl (n_i; n_i+1) von Elektronen enthält, welche in den Fenstern angesammelt sind, welche der ersten und zweiten aufeinanderfolgenden Sequenz von Integrationsfenstern entsprechen, um die steigende Flanke des Echopulses zu bestimmen in Bezug auf die Sequenzen von Integrationsfenstern, und c) Extrapolieren, auf Basis der Position (i) der ersten Sequenz von Integrationsfenstern, welche aus den k Sequenzen von Integrationsfenstern ermittelt wurde, der Laufzeit des Pulses, wobei die Laufzeit gleich dem zeitlichen Abstand zwischen der steigenden Flanke des Pulses und der steigenden Flanke des empfangenen Echopulses ist.
Dreidimensionales Bilderzeugungssystem gemäß Anspruch 1, in welchem der Phasenunterschied τ zwischen dem ersten Fenster der ersten Sequenz von Integrationsfenstern und der steigenden Flanke des ersten übertrage nen Pulses gleich der Laufzeit eines Pulses ist, welcher von einem Objekt bei minimalem Abstand reflektiert wird.
Dreidimensionales Bilderzeugungssystem gemäß Anspruch 1, in welchem die Dauer des Pulses Δt die Pulsdauer Δt ein ganzzahliger Teil der maximalen Laufzeit (T₀) ist durch die Beziehungen: Δt = 2 (d – dmin)/(k – 1)cund (k – 1)Δt = T0 wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist, d_max und d_min die Werte sind, welche die Tiefenschärfe begrenzen, und k die Anzahl der Sequenzen ist.
Dreidimensionales Bilderzeugungssystem gemäß Anspruch 1, in welchem der Sender auf einem einzelnen Laser oder einem Laserfeld basiert.
Dreidimensionales Bilderzeugungssystem gemäß Anspruch 1, in welchem der Sender Strahlung im nahen Infrarotbereich (0,7 bis 1,1 μm) aussendet.
Dreidimensionales Bilderzeugungssystem gemäß Anspruch 1, in welchem der Empfänger ein CCD-Sensorfeld ist.
Dreidimensionales Bilderzeugungssystem gemäß Anspruch 1, in welchem der Empfänger ein CMOS-Sensorfeld ist.
Dreidimensionales Bilderzeugungssystem gemäß Anspruch 1, in welchem der Sender entweder mechanisch oder elektronisch abgetastet wird.
Dreidimensionales Bilderzeugungssystem gemäß Anspruch 1, in welchem der Empfänger ein einzelner Sensor ist und entweder mechanisch oder elektrooptisch abgetastet wird.
Dreidimensionales Bilderzeugungssystem gemäß Anspruch 1, in welchem d_max = 15 m und d_min = 0,k = 3, m = 1500, dc = 0,1 % und Δt = 50 ns.
Dreidimensionales Bilderzeugungssystem gemäß Anspruch 1, in welchem d_max = 30 m und = 0, k = 3, m = 1500, dc = 0,1 % und Δt = 100 ns.
Dreidimensionales Bilderzeugungssystem gemäß Anspruch 1, in welchem d_max = 30 m und d_min = 0, k = 5, m = 900, dc = 0,1 % und Δt = 50 ns.
Dreidimensionales Bilderzeugungssystem gemäß Anspruch 1, in welchem die Integrationsfenster durch einen elektrooptischen Modulator erhalten werden.
Dreidimensionales Bilderzeugungssystem gemäß Anspruch 1, in welchem die Integrationsfenster durch einen elektromechanischen Modulator erhalten werden.
Dreidimensionales Bilderzeugungssystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass k größer oder gleich 3 ist, um eine Auswertung der Anzahl von Hintergrundelektronen N zu ermöglichen.
Dreidimensionales Bilderzeugungssystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass k gleich 2 ist und das System für Abstandsmessungen in Anwendungen benutzt wird, welche durch eine sehr geringe Anzahl von Hintergrundelektronen k gekennzeichnet sind, z.B. bei Nacht.
Dreidimensionales Bilderzeugungssystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass k gleich 2 ist und die Messung der Anzahl von Hintergrundelektronen N ausgeführt wird durch Verwenden einer dritten Sequenz von Integrationsfenstern, welche zeitlich phasenverschoben ist in Bezug auf die vorhergehende um ein Zeitintervall, welches größer als Δt_f ist.