DE69633524T2 - Verfahren und Gerät zur Objekterfassung - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen eines Objekts und insbesondere eines menschlichen Körpers.
  • Auf dem Gebiet von Klimaanlagen-, Beleuchtungs- und Sicherheitssystemen wächst der Bedarf nach Einrichtungen zum Erfassen von menschlichen Körpern ohne Kontakt.
  • Für das Erfassen von menschlichen Körpern in einem Raum wurden bisher verschiedene Verfahren vorgeschlagen, so etwa ein Verfahren zum Verwenden einer CCD-Kamera und zum Extrahieren eines menschlichen Körpers aus dem aufgenommenen Bild, ein Verfahren zum Erfassen eines menschlichen Körpers durch das Erfassen eines Infrarotstrahls unter Verwendung einer Infrarotkamera des Quantentyps, und ein Verfahren zum Feststellen einer Spannungsausgabe, die erzeugt wird, während sich ein thermisches Objekt bewegt, indem eine Fresnellinse vor dem Sensor installiert wird und ein kostengünstiger Infrarotsensor des pyroelektrischen Typs verwendet wird.
  • Bei dem oben genannten Verfahren unter Verwendung einer CCD-Kamera ist jedoch der Algorithmus zur Extraktion eines menschlichen Körpers aus dem Bild sehr kompliziert, ist die Vorrichtung sehr groß, ist die Verarbeitungszeit lang und ist das System sehr kostspielig. Bei dem Verfahren unter Verwendung eines Infrarotsensors des Quanten-Typs muss der Sensor während des Betriebs gekühlt werden, wobei die Vorrichtung groß und kostspielig ist und nicht für die allgemeine Verwendung geeignet ist. Das Verfahren unter Verwendung eines Sensors des pyroelektrischen Typs löst die Probleme hinsichtlich von Größe und Preis des Sensors des Quanten-Typs, wobei aber kein menschlicher Körper erfasst werden kann und Fehler durch Wind oder ähnliches verursacht werden. Indem eine Schwingblende vor dem Sensor installiert wird, kann ein stillstehender menschlicher Körper gemessen werden, wobei aber eine andere Wärmequelle mit einer ähnlichen Strahlungstemperatur versehentlich als menschlicher Körper interpretiert werden kann.
  • Für den Distanzsensor zum Messen der Distanz zu dem Objekt sind Verfahren unter Verwendung von Ultraschallwellen, Millimeterwellen und Laserradar bekannt. Das Verfahren unter Verwendung von Ultraschallwellen ist bei einer Distanz von ungefähr 5 m praktisch, während bei größeren Distanzen die Gerichtetheit kaum bis zu einer Präzision zur Erfassung eine menschlichen Körpers verbessert werden kann. Die Verfahren unter Verwendung von Millimeterwellen und Laserradar werden in der Praxis verwendet, um die Stoßstange-zu-Stoßstange-Distanz zwischen Fahrzeugen zu messen, wobei die Vorrichtung sehr groß und kostspielig ist, schädlich für die Augen ist und viele Einschränkungen für ihre Nutzung bestehen.
  • US-A-4 914 734 beschreibt ein Map-Abgleichungs-Radarnavigationssystem für ein Flugzeug. Um eine unabhängige Form von Navigation vorzusehen, die nicht von externen Informationsquellen abhängig ist, beschreibt dieses US-Patent eine Kombination von verschiedenen Erfassungsmodus-Maps, um eine genaue Positionsbestimmung für eine Navigationsaktualisierung vorzusehen. Das beschriebene Map-Abgleichungs-Navigationssystem mit drei Modi kombiniert eine Intensitätsbereichs-Korrelation mit einem Terrainhöhen-Radar und Infrarotsystemen.
  • H.D. Arlowe und D.E. Coleman beschreiben in dem Artikel „The mobile intrusion detection and assessment system (MIDAS)" in International Carnahan Conference on Security-Technology Crime Countermeasures, 1999, ein Sicherheitssystem zum Erfassen von Eindringlingen in einem Außenbereich, das insbesondere für mobile militärische Anwendungen gedacht ist. Das Sicherheitssystem umfasst mehrere Erfassungssensoren und insbesondere einen Infrarotbilderzeuger mit hoher Auflösung und einen Laserentfernungsmesser. Weiterhin umfasst das System eine Restlicht-Fernsehkamera. Die Bilder aus dem Infrarotbilderzeuger und der Restlicht-Fernsehkamera werden auf Monitoren angezeigt. Indem ein aktuelles Bild mit einem entsprechenden Bild aus einer vorausgehenden Abtastung verglichen wird, werden Eindringlinge auf der Basis von Unterschieden in den Bildern erfasst. Die Distanz des Eindringlings kann unter Verwendung des Laserentfernungsmessers bestimmt werden.
  • GB-A-2 250 117 beschreibt eine Vorrichtung zum Erfassen von Zuschauern, die in einem Haushalt fernsehen. Das Erfassungsergebnis wird über eine Telefonleitung zu einem Host-Computer gemeldet. Die Zuschauer müssen sich zuerst identifizieren, indem sie bestimmte Tasten auf einer Fernbedienung betätigen. Für eine Bestätigung der manuellen Eingabe wird ein Sensor verwendet, um die Anzahl der Personen festzustellen, die vor dem Fernseher sitzen. Der Sensor umfasst einen Ultraschallsensor und außerdem einen Wärmesensor. Der Ultraschallsensor wird zuerst betätigt, um ein erstes Echo zu erhalten, das einen Zustand ohne Personen im Raum wiedergibt. Der Zustand ohne Personen gibt die Distanzeigenschaften des Raums ohne Zuschauer vor dem Fernseher wieder. Ein zweites Echo wird während des Betriebs erhalten, um die Anzahl der Personen festzustellen. Auf der Basis von beiden Erfassungsergebnissen, wird der Zuschauerzustand berechnet, indem der Zustand ohne Personen von dem zweiten Echo subtrahiert wird. Das Ultraschallerfassungsergebnis des Zuschauerzustands wird mit einem Wärmesensor-Erfassungsergebnis kombiniert. Diese Erfassungsergebnisse werden mit dem Zuschauerzustandsergebnis aus den Ultraschallsensoren verglichen.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein zuverlässiges Verfahren und eine zuverlässige Vorrichtung für die Objekterfassung anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 für ein Objekterfassungsverfahren und durch die Merkmale von Anspruch 4 für eine Objekterfassungsvorrichtung gelöst.
  • Mit der Erfindung kann zum Beispiel ein menschlicher Körper mit hoher Präzision erfasst werden, indem die Größe und der Temperaturpegel eines thermischen Objekts, das aus einem zweidimensionalen thermischen Bild erfasst wird, sowie Positionsinformationen zu dem Objekt spezifiziert werden.
  • 1 ist ein Strukturdiagramm, das den Aufbau einer Vorrichtung zum Messen von thermischen Objekten gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
  • 2 ist ein Zeitdiagramm eines Sensorsignals aus dem Distanzsensor in der ersten Ausführungsform.
  • 3 ist ein Diagramm, das eine Ausgabewellenform des Infrarotsensors und eine durch den Distanzsensor gemessene Distanzverteilung in der ersten Ausführungsform zeigt.
  • 4 ist eine teilweise ausgeschnittene perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Messen eines thermischen Objekts in einer zweiten Ausführungsform.
  • 5 ist ein Diagramm, das eine Sichtfeldverteilung des Infrarotsensors in der zweiten Ausführungsform zeigt.
  • 6 ist ein Diagramm, das eine Sichtfeldverteilung des Distanzsensors in der zweiten Ausführungsform zeigt.
  • 7 ist eine teilweise ausgeschnittene perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Messen eines thermischen Objekts in einer dritten Ausführungsform.
  • 8 ist ein Zeitdiagramm eines Sensorsignals aus dem Distanzsensor in der dritten Ausführungsform.
  • 9 ist eine teilweise ausgeschnittene perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Messen eines thermischen Objekts in einer vierten Ausführungsform.
  • 10 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Messen eines thermischen Objekts in einer fünften Ausführungsform.
  • 11 ist eine perspektivische Ansicht eines Messzustands in der fünften Ausführungsform.
  • 12 ist ein Musterdiagramm, das die Messergebnisse in der fünften Ausführungsform zeigt.
  • 13(A) ist ein schematisches Strukturdiagramm eines Distanzsensors in einer achten Ausführungsform, und (B) ist ein schematisches Diagramm von dessen Erfassungs-Sichtfeldverteilung.
  • 14 ist eine Draufsicht auf eine sechste Ausführungsform.
  • 15 ist ein Blockdiagramm einer siebten Ausführungsform.
  • 16 ist ein Blockdiagramm einer neunten Ausführungsform.
  • 17 ist ein schematisches Diagramm eines Messraums in einer zehnten Ausführungsform.
  • 18 ist ein zweidimensionales thermisches Bild in einem Messraum von 17.
  • 19 ist ein Kurvendiagramm, das die Beziehung zwischen der Erfassungsfläche (a) in dem thermischen Bild und der Sensor-Objekt-Distanz (r) zeigt.
  • 20 ist ein Kurvendiagramm, das die Beziehung zwischen der Infrarotsensorausgabe (b) und der Sensor-Objekt-Distanz (r) zeigt.
  • 21 zeigt den Modus nach der Korrektur des thermischen Bilds in 18 durch einen Distanzfaktor.
  • 22 ist ein schematisches Diagramm des Messraums in einer elften Ausführungsform.
  • 23 zeigt ein thermisches Bild nach der Korrektur durch den Distanzfaktor in dem Messraum von 22.
  • 24 ist ein schematisches Diagramm des Messraums in einer zwölften Ausführungsform.
  • 25 ist ein Echomuster (a) eines Ultraschallsensors in dem Messraum von 24.
  • 26 ist ein zweidimensionales thermisches Bild (b) eines Infrarotsensors in dem Messraum von 24.
  • 27 ist ein schematisches Diagramm des Messraums in einer dreizehnten Ausführungsform.
  • 28 ist ein zweidimensionales thermisches Bild in dem Messraum von 27.
  • 29 zeigt die Beziehung zwischen der erfassten Fläche pro menschlichem Körper in dem zweidimensionalen thermischen Bild und der Sensor-Mensch-Distanz.
  • 30 ist ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung zum Erfassen von menschlichen Körpern in einer vierzehnten Ausführungsform.
  • 31 ist eine perspektivische Ansicht einer zweidimensionalen Infrarot-LED und einer zweidimensionalen Fotodiode.
  • BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Mit Bezug auf die Zeichnungen werden im Folgenden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.
  • (Ausführungsform 1)
  • 1 ist ein Strukturdiagramm einer Vorrichtung zum Messen von thermischen Objekten in einer ersten Ausführungsform. In 1 ist auf der Vorderseite eines als Infrarot-Erfassungseinrichtung dienenden Infrarotsensors 1 des pyroelektrischen Typs eine Schwingblende 6 vorgesehen, um den in einen Fotosensor eintretenden Infrarotstrahl durchzulassen oder zu unterbrechen. Ein als Distanz-Erfassungseinrichtung dienender Distanzsensor 4 umfasst eine Infrarot-LED 2 als Infrarotstrahl-Emissionseinrichtung und eine Fotodiode 3 als Lichtempfangseinrichtung. Der Infrarotsensor 1 und der Distanzsensor 4 sind mit einem Motor 7 verbunden, um eine Drehabtastungseinrichtung zu bilden, die sich frei nach rechts und links um eine Drehwelle 5 drehen kann. Dabei sind der Infrarotsensor 1 und der Distanzsensor 4 jeweils gleich ausgerichtet.
  • Im Folgenden wird der Betrieb der Vorrichtung zum Messen von thermischen Objekten der ersten Ausführungsform beschrieben.
  • Es soll angenommen werden, dass der Motor 7 betrieben wird, um den Infrarotsensor 1 um die Drehwelle 5 zu drehen, wobei dann eine Sensorausgabe in Entsprechung zu der Temperaturdifferenz zwischen der Schwingblende 6 und einem Objekt erhalten wird, wenn der Infrarotsensor 1 dem Objekt zugewandt ist, dessen Strahlungstemperatur sich von derjenigen der Schwingblende 6 unterscheidet. Der Distanzsensor 4 projiziert wie in dem Zeitdiagramm von 2 gezeigt ein in der Amplitude moduliertes Licht (mittleres Infrarot) aus der Infrarot-LED 2, wobei das durch das Objekt reflektierte und zurückkehrende Licht durch die Fotodiode 3 empfangen wird, sodass die Distanz zwischen dem Sensor und dem Objekt auf der Basis der Zeitdifferenz zwischen der projizierten Wellenform und der empfangenen Wellenform sowie auf der Basis der Lichtgeschwindigkeit bestimmt werden kann.
  • 3 zeigt die Ausgabewellenform (oben) des Infrarotsensors 1, wenn eine Person gemessen wird, die vor der Vorrichtung steht, sowie die Distanzverteilung (unten, durchgehender Kreis) vom Sensor zu der durch den Distanzsensor 4 gemessenen Person. Dabei sind die optischen Achsen des Infrarotsensor 1 und des Distanzsensors 5 parallel zum Boden. Wenn die Drehung des Motors 1 beginnt, wird eine Sensorausgabe in Entsprechung zu der Temperaturdifferenz zwischen dem Sichtfeld und der Schwingblende 6 in dem Infrarotsensor 1 erzeugt. Der Distanzsensor 4 emittiert Licht aus der Infrarot-LED 2 zu dem Sichtfeld, empfängt das reflektierte Licht von dem Objekt in der Fotodiode 3 und berechnet die Distanz aus der Zeitdifferenz. Der Motor 7 wird betätigt und in dem nächsten Sichtfeld gestoppt, wobei die Emission aus der Infrarot-LED 2, der Empfang durch die Fotodiode 7 und die Distanzberechnung wiederholt werden. Aus 3 wird deutlich, dass ein Objekt mit hoher Temperatur in dem neunten Sichtfeld nach dem Start der Drehung des Motors 7 vorhanden ist und sich zwischen der Wand und der Vorrichtung befindet.
  • (Ausführungsform 2)
  • 4 ist eine teilweise ausgeschnittene perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Messen von thermischen Objekten in einer zweiten Ausführungsform. In 4 wird der von dem thermischen Objekt ausgestrahlte Infrarotstrahl intermittierend in seinem optischen Pfad durch eine zylindrische Schwingblende 9 unterbrochen. Das Licht wird außerdem durch eine Infrarot-Kondensorlinse 11 verdichtet und durch einen Schlitz 13 eines Infrarot-Matrixsensors 8 auf den Fotosensor in dem Infrarot-Matrixsensor fokussiert. Die Infrarot-Kondensorlinse 11 und der Infrarot-Matrixsensor 8 werden durch eine Sensor-Fixierungseinheit 12 gehalten.
  • In dieser Ausführungsform umfasst der Infrarot-Matrixsensor 8 acht Fotosensoren, wobei die Sichtfeldverteilung in der vertikalen Richtung des in einer Höhe von 1,2 m installierten Sensors in 5 gezeigt ist. Das Sichtfeld, das durch einen Fotosensor erfasst werden kann, liegt in einem Bereich zwischen einer durchgezogenen Linie und einer weiteren durchgezogenen Linie mit 6 Grad in der vertikalen Richtung. Die acht Fotosensoren erfassen also insgesamt 48 Grad. Weiterhin ist der Distanzsensor 5 unter dem Infrarotsensor 10 installiert, wobei die optischen Achsen in der horizontalen Richtung gleich ausgerichtet sind. Der aus der Infrarot-LED 2 emittierte Infrarotstrahl wird durch eine Linse 15 der Infrarot-LED zu einem Strahl mit einem Winkel von 1 Grad verdichtet und auf das Objekt projiziert. Der durch das Objekt reflektierte und zurückkehrende Strahl wird durch eine Linse 14 für die Fotodiode verdichtet und tritt in die Fotodiode 3 ein. In dieser Ausführungsform sind jeweils vier Infrarot-LEDs 2 und vier Fotodioden 3 vorgesehen, wobei die Sichtfeldverteilung in der vertikalen Richtung für den in einer Höhe von 1,2 m installierten Sensor in 6 gezeigt ist. Die eingepunktete Linie gibt die optischen Achsen der Infrarotstrahlen an, die in der vertikalen Richtung derart angeordnet sind, dass sie eine auf dem Boden liegende Person, eine sitzende Person und eine am Fenster stehende Person erfassen können. Natürlich fallen die optischen Achsen in der vertikalen Richtung jedes Paares aus einer Infrarot-LED 2 und einer Fotodiode 3 zusammen.
  • Der Infrarotsensor 10 und der Distanzsensor 4 sind auf einem Sensor-Drehteller 20 befestigt. Wenn ein Schrittmotor 21 gedreht wird, wird seine Antriebskraft über ein Drehband 22 auf den Sensor-Drehteller 20 übertragen. In dem ersten Sichtfeld wird eine zylindrische Schwingblende 9 durch den Infrarotsensor 10 gedreht, wobei die eindimensionale Temperaturverteilung des Raums gemessen wird, während gleichzeitig die eindimensionale Distanzverteilung des Raums durch den Distanzsensor 4 gemessen wird. Indem der Schrittmotor 21 um einen bestimmten Winkel gedreht wird, wird der Sensor zu dem nächsten Sichtfeld gerichtet und dort angehalten. Dabei werden nach jeweils 3 Grad in der horizontalen Richtung die eindimensionale Temperaturverteilung und die Distanzverteilung des Raums wie oben beschrieben gemessen. Entsprechend werden kontinuierliche Sichtfelder gemessen, wobei durch eine Kombination der Informationen eine zweidimensionale Temperaturverteilung und eine Distanzverteilung des Raums erhalten werden.
  • (Ausführungsform 3)
  • 7 ist eine teilweise ausgeschnittene Ansicht einer dritten Ausführungsform, in der die Vorrichtung zum Messen von thermischen Objekten von Ausführungsform 2 modifiziert ist. Die Messprozedur ist dieselbe wie in der Ausführungsform 2, wobei aber in dieser Ausführungsform der Aufbau der Vorrichtung vereinfacht ist, indem nur eine Linse 14 für die Fotodiode und eine Fotodiode 3 verwendet werden. Damit die Präzision nicht beeinträchtigt wird, weist die Linse 14 für die Fotodiode eine größere Fläche auf. Es werden acht Infrarot-LEDs 2 verwendet.
  • Das Verfahren zum Messen der Distanz durch das Empfangen des Infrarotstrahls aus der Vielzahl von Infrarot-LEDs 2 durch eine Fotodiode 3 wird im Folgenden erläutert.
  • Ein Zeitdiagramm des Sensorsignals des Distanzsensors 4 ist in 8 gezeigt. Wenn die Emission durch die erste Infrarot-LED 2 und die Emission durch die zweite Infrarot-LED 2 (und nachfolgend die Emission durch die n-te Infrarot-LED 2 und die Emission durch die n+1-te Infrarot-LED 2) jeweils um 10 μs verzögert werden und die Distanz zu dem Objekt nicht größer als einige Meter ist, kommt das von dem Objekt reflektierte und zurückkehrende Licht mit einer Verzögerung von weniger als 100 ns an, sodass die Distanz einfach durch eine Zeitmessung bestimmt werden kann.
  • (Ausführungsform 4)
  • 9 ist eine teilweise ausgeschnittene perspektivische Ansicht einer vierten Ausführungsform, in der die Vorrichtung zum Messen von thermischen Objekten von Ausführungsform 3 modifiziert ist. Die Messprozedur ist dieselbe wie oben in den Ausführungsform 2 und 3 erläutert, wobei aber in dieser Ausführungsform der Aufbau der Vorrichtung vereinfacht ist, indem nur eine Linse 15 verwendet wird, die vor der Matrix der Infrarot-LEDs 2 angeordnet ist. Um die Präzision nicht zu beeinträchtigen, weist die Linse 15 für die Infrarot-LEDs eine größere Fläche auf. Natürlich sind die optischen Achsen der Infrarot-LEDs 2 in der Matrix entsprechend ausgerichtet. Bei diesem Verfahren können die Anzahl der Teile und die Größe reduziert werden, ohne dass deshalb die Präzision vermindert wird.
  • (Ausführungsform 5)
  • 10 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Messen von thermischen Objekten in einer fünften Ausführungsform. In 10 wird ein aus dem Infrarotsensor 10 erhaltenes analoges Signal in einem Infrarotsensor-Signalprozessor 25 A/D-gewandelt. Weiterhin wird das aus dem Distanzsensor 4 erhaltene Sensorsignal als Distanzinformation in einem Distanzsensor-Signalprozessor 26 gewandelt. Die aus dem Infrarotsensor-Signalprozessor 25 ausgegebene zweidimensionale Temperaturverteilungsinformation des Raums wird auf einer Thermobild-Anzeigeeinheit 27 angezeigt, wobei eine entsprechende Farbe für jede Temperatur verwendet wird. Die aus dem Distanzsensor-Signalprozessor 26 ausgegebene zweidimensionale Distanzverteilungsinformation wird auf einer Distanzverteilungs-Anzeigeeinheit 38 angezeigt, wobei eine entsprechende Farbe für jede Distanz verwendet wird. Der Infrarotsensor-Signalprozessor 25 und der Distanzsensor-Signalprozessor 26 bilden eine Sensorsignal-Verarbeitungseinrichtung, und die Thermobild-Anzeigeeinheit 27 und die Distanzverteilungs-Anzeigeeinheit 28 bilden eine Bildanzeigeeinrichtung. Als Infrarotsensor 10 und Distanzsensor 4 können beliebige der in Ausführungsform 1 bis Ausführungsform 4 beschriebenen Einheiten verwendet werden.
  • 11 ist ein Diagramm, das einen Messmodus unter Verwendung der Vorrichtung zum Messen eines thermischen Objekts in der fünften Ausführungsform zeigt. In dem in 11 gezeigten Raum befinden sich ein Schrank 33 und ein Sofa 32, wobei eine Sensoreinheit der Vorrichtung zum Messen von thermischen Objekten gemäß dieser Ausführungsform an der Wand installiert ist. Es soll angenommen werden, dass Sonnenlicht 35 von außen eindringt, sodass sich das Sofa 32 in dem Raum erwärmt.
  • Zuerst wird ein Distanzbild eines unbesetzten Raums durch den Distanzsensor gemessen. Wenn eine Person mit einer Tasche in den Raum eintritt, wird die Sensoreinheit 31 betätigt, um das zweidimensionale Thermobild unter Verwendung des Infrarotsensors und das Distanzbild des Objekts unter Verwendung des Distanzsensors zu messen. Das Distanzbild schneidet das Bild des neu auftretenden Objekts durch die Differenz zu dem Distanzbild des zuvor gemessenen Initialzustandes aus. Dabei ist das Sofa 32 zu Beginn vorhanden gewesen, sodass es nicht als Objektbild erzeugt wird. Das Ergebnis ist in 12 zusammen mit dem Thermobild aus dem Infrarotsensor gezeigt. Der dunkle Bereich gibt das Thermobild wieder, während der schraffierte Bereich das aus dem Distanzbild ausgeschnittene Objektmuster wiedergibt.
  • Das Thermobild wird an der Position des menschlichen Körpers 34 und in der Nähe des Sofas 32 erkannt, und in dem aus dem Distanzbild ausgeschnittene Objektmuster werden die Position des menschlichen Körpers 34 und die Position der Tasche 36 bestätigt. Wenn ein eindringender menschlicher Körper erfasst wird und nur von dem Thermobild ausgegangen wird, werden zwei Personen an der Position des tatsächlichen menschlichen Körpers 34 und an der Person des Sofas 32 bestimmt. Und wenn nur von den Daten aus dem Distanzsensor ausgegangen wird, werden zwei Personen an der Position des tatsächlichen menschlichen Körpers 34 und an der Position der Tasche 36 als eindringende Objekte bestimmt. Indem jedoch das Thermobild und die Objekterfassung kombiniert werden, überlappt von den neu eindringenden Objekten nur der menschliche Körper mit dem Thermobild, sodass nur ein menschlicher Körper bestimmt wird. Der menschliche Körper kann also präzise erfasst werden.
  • Es soll weiterhin angenommen werden, dass mehrere menschliche Körper vorhanden sind. Wenn sich eine Person in der Nähe befindet und sich mehrere Personen an einer entfernten Position befinden, kann dies nur anhand von einer gemessenen Temperaturverteilung schwer bestimmt werden, während es aus den Zeitverlauf-Änderungswerten der erfassten Temperaturverteilung empirisch bestimmt werden kann. Indem die Unschärfetheorie unter Verwendung einer Mengenfunktion in die Bestimmung eingeführt wird, kann eine Bestimmung mit höherer Präzision vorgenommen werden. Derartige Informationen können zum Beispiel für die Zuschauerzählung oder die Steuerung eines Klimaanlagen- und Beleuchtungssystems angewendet werden.
  • (Ausführungsform 6)
  • 14 ist eine Draufsicht auf eine sechste Ausführungsform. In der Vorrichtung der ersten Ausführungsform drehen sich der Infrarotsensor 1 und der Distanzsensor 4 auf derselben Drehwelle, wobei sie aber in dieser Ausführungsform am oberen Teil eines Sensorbefestigungstisches jeweils auf einer unabhängigen Drehwelle angebracht sind. Wenn sich ein Gleichstrom-Servomotor 21 dreht, wird seine Antriebskraft über ein Drehband 22 auf den Sensorbefestigungstisch 20 übertragen. Weil der Infrarotsensor 1 und der Distanzsensor 4 auf unabhängigen Drehwellen befestigt sind, wird der Infrarotsensor 1 weniger durch die Wärmeerzeugung des Distanzsensors 4 beeinträchtigt, wobei auch die Höhe der Vorrichtung vermindert werden kann. Diese Vorrichtung kann also einfach in ein Fernsehgerät oder in andere Geräte integriert werden. Die Einrichtung zum Übertragen der Antriebskraft des Gleichstrom-Servomotors 21 ist nicht auf ein Band beschränkt, sondern es kann auch ein Getriebe oder anderes verwendet werden.
  • (Ausführungsform 7)
  • 15 ist ein Diagramm, das eine siebte Ausführungsform zeigt, in der ein von dem Infrarotsensor 10 erhaltenes analoges Signal in dem Infrarotsensor-Signalprozessor 25 A/D-gewandelt wird. Weiterhin wird das von dem Distanzsensor 4 erhaltene Sensorsignal als Distanzinformation durch den Distanzsensor-Signalprozessor 26 A/D-gewandelt. Unter Verwendung eines Signals aus einem Temperaturdetektor 40 zum Messen der Temperatur des Distanzsensors 4 kompensiert eine in der Vorrichtung vorgesehene Temperatureigenschafts-Kompensationseinheit 41 die Temperatur des Distanzsensors 4. Das heißt, die Temperatureigenschafts-Kompensationseinheit 41 kompensiert die Distanzdaten in dem Distanzsensor-Signalprozessor 26. Durch diese Kompensation wird die Präzision erhöht. Ansonsten ist diese Ausführungsform mit den anderen Ausführungsformen identisch.
  • (Ausführungsform 8)
  • 13 ist ein Diagramm, das eine achte Ausführungsform erläutert, wobei (A) ein schematisches Diagramm des Distanzsensors in der Vorrichtung zum Messen von thermischen Objekten der Ausführungsform ist, und (B) ein schematisches Diagramm der erfassten Sichtfeldverteilung des Distanzsensors ist. Der Distanzsensor in dieser Ausführungsform umfasst eine Vielzahl (acht in diesem Beispiel) von Paaren aus jeweils einer Infrarot-LED 2 und einer Fotodiode 3, die in einer horizontalen Richtung angeordnet sind, wobei die Erfassungsrichtung jedes Paares aus einer Infrarot-LED 2 und einer Fotodiode 3 mit einem Intervall von beispielsweise 5 Grad in der horizontalen Ebene wie in 13(B) gezeigt gesetzt ist. Als Thermosensor kann einer der Infrarotsensoren der Ausführungsformen 1 bis 7 verwendet werden.
  • Diese Ausführungsform ist effektiv, wenn Informationen in einer bestimmten Höhe in der vertikalen Richtung erhalten werden können, wobei kein drehendes Abtasten des Distanzsensors erforderlich ist, wodurch die Messzeit verkürzt wird. Weil weiterhin Infrarotlicht für die Distanzerfassung verwendet wird, kann im Vergleich zu einem Distanzsensor mit Ultraschallwelle eine Distanzverteilung in einer horizontalen Ebene auch für weite Distanzen in extrem kurzer Zeit erhalten werden. Dabei liegt das Intervall in der Erfassungsrichtung bei 5 Grad, wobei es jedoch frei an das Drehabtastungsintervall des Infrarotsensors angepasst werden kann.
  • Weil also die Distanzverteilung auch für eine große Distanz in sehr kurzer Zeit erhalten werden kann, ist auch eine Anwendung als Distanzdetektor möglicht, wobei nur der Distanzsensor verwendet wird, um die Distanz von zum Beispiel mehreren sich bewegenden Objekten zu erfassen oder einzelne sich bewebende Objekte voneinander zu unterscheiden.
  • (Ausführungsform 9)
  • 16 ist ein Diagramm eines Zuschauer-Erfassungssystems in einer neunten Ausführungsform. Die Vorrichtung zum Erfassen von thermischen Objekten ist auf einem Fernsehgerät oder ähnlichem positioniert, und ein Personenzähler 42 zählt die Anzahl von menschlichen Körpern in dem Sensorerfassungsbereich auf der Basis der Signale aus dem Infrarotsensor 10 und dem Distanzsensor 4. Ein Fernsehdaten-Prozessor 44 gibt den Fernseh-Ein/Aus-Zustand, den Sender und die Zeitzone des derzeit gesendeten Programms aus. Die Personen vor dem Fernsehgerät treten in den Zuschauerstatus ein, indem sie individuelle Fernbedienungen über eine Dateneingabeeinheit 42 verwenden. Die Bestimmungseinrichtung 46 gibt die Ausgabe aus des Dateneingabeeinheit 43 und die Ausgabe aus dem Personenzähler 42 ein und bestimmt, ob diese übereinstimmen oder nicht. Wenn sie übereinstimmen, sendet ein Datensender 45 die Informationen aus dem Fernsehdaten-Prozessor 44 zu dem Zuschauer-Erfassungszentrum über eine Telefonverbindung oder ähnliches. Wenn sie nicht übereinstimmen, warnt die Bestimmungseinrichtung 46 die Personen vor dem Fernsehgerät über ein Geräusch aus einem Summer oder das Aufleuchten einer LED und fordert die Zuschauer zum Eintritt in den Zuschauerstatus auf. Der Zuschauer muss dann die Dateneingabeeinheit 43 in Reaktion auf die Warnung betätigen.
  • Indem der Infrarotsensor des pyroelektrischen Typs mit einer Schwingblende und der Distanzsensor mit einer Infrarot-LED und einer Fotodiode gedreht und geführt werden, kann eine zweidimensionale Temperaturverteilung und eine Distanzinformation für das Objekt in dem Raum erhalten werden, sodass der menschliche Körper mit hoher Präzision erfasst werden kann. Indem Infrarotlicht für die Distanzerfassung verwendet wird und die Gerichtetheit der Linse verbessert wird, können im Vergleich zu dem herkömmlichen Ultraschallverfahren einfach Objekte anhand der Distanzdifferenz auch bei großen Distanzen identifiziert werden. Wenn zum Beispiel mehrere Personen gezählt werden sollen, die sich in überlappenden Positionen bewegen, und eine geringfügige Abweichung zwischen den Personen besteht, können diese unter Umständen durch den Infrarotsensor als eine Person erkannt werden, wobei sie aber durch eine Erfassung der Distanzdifferenz von der Vorrichtung aus unterschieden werden können.
  • In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen werden Infrarot-LEDs als Infrarot-Emissionseinrichtungen verwendet, wobei jedoch auch Infrarot-Laserdioden oder andere Einrichtungen verwendet werden können.
  • In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen werden Fotodioden als Lichtempfangseinrichtungen verwendet, wobei jedoch auch Fototransistoren oder andere Einrichtungen verwendet werden können.
  • In de Ausführungsformen sind vier oder acht Infrarot-LEDs in dem Distanzsensor vorgesehen, wobei die Erfindung jedoch nicht auf eine bestimmte Anzahl von Infrarot-LEDs beschränkt ist.
  • 31 zeigt die Vorrichtung des zweidimensionalen Typs. Dabei ist 1' ein zweidimensionaler Infrarotsensor, ist 2' eine zweidimensionale Infrarot-LED und ist 3' eine zweidimensionale Fotodiode. Eine derartige Vorrichtung kann ein thermisches Bild ohne Drehung der Vorrichtung erhalten.
  • Weitere Ausführungsformen werden nachfolgend beschrieben.
  • (Ausführungsform 10)
  • 17 zeigt eine zehnte Ausführungsform, wobei der Messraum von oben gezeigt ist. Zwei thermische Objekte sind identische Objekte, deren Oberflächentemperatur gleich ist. Das für diesen Raum durch den zweidimensionalen Infrarotsensor des pyroelektrischen Typs erfasste Thermobild ist in 18 gezeigt. Dabei ist die Ausgabe des Infrarotsensors größer, wenn die Farbe tiefer ist. Ein thermisches Objekt A, das der Position des Sensors näher ist, wird als größer erfasst, während das entfernte thermische Objekt B als kleiner erfasst wird. Die Ausgabe bzw. der Temperaturpegel des Infrarotsensorelements ist bei dem thermischen Objekt A näher an dem Sensor größer und bei dem entfernten thermischen Objekt B kleiner.
  • Diese Beziehung ist in 19 gezeigt. Die Erfassungsfläche (a) des zweidimensionalen Thermobildes eines thermischen Objekts mit einer bestimmten Größe ist umgekehrt proportional zu dem Quadrat der Distanz (r) zu dem Sensor.
  • Was die Ausgabetemperatur des Infrarotsensorelements betrifft, ist die Periode, während welcher sich der Teil mit einer bestimmten Oberflächentemperatur außerhalb des Sichtfelds des Sensors befindet, weil er wie in 20 gezeigt nahe am Sensor ist, aufgrund des Betriebs mit einer Lichtverdichtung durch die Linse konstant (linke Seite des Diagramms). Wenn jedoch (r) größer ist, wird es zu einer mittleren Ausgabe in dem gesamten Erfassungsbereich, sodass die Temperaturausgabe des Infrarotsensorelements vermindert wird (rechte Seite der Zeichnung).
  • Indem mit anderen Worten die Größe oder die Temperaturausgabe des Objektthermobildes in dem zweidimensionalen Thermobild der Infrarot-Erfassungseinrichtung durch die Positionsinformation des Objekts korrigiert wird, kann die Größe oder Oberflächentemperatur des thermischen Objekts genau spezifiziert werden.
  • 21 zeigt die Korrektur des Thermobildes in 18 anhand von Distanzinformation durch die Objekterfassungseinrichtung. Nach der Korrektur konnte bestimmt werden, dass beide Objekte dieselbe Größe und denselben Temperaturpegel aufweisen.
  • (Ausführungsform 11)
  • 23 zeigt ein Thermobild, das durch die Korrektur des zweidimensionalen Thermobildes der Infrarot-Erfassungsvorrichtung in dem Messraum von 22 unter Verwendung der Distanzinformation der Objektpositions-Erfassungsvorrichtung erhalten wird. Das Bezugszeichen 1 gibt eine Infrarot-Erfassungsvorrichtung an, das Bezugszeichen 62 gibt einen tragbaren Computer an, das Bezugszeichen 63 gibt einen menschlichen Körper an und das Bezugszeichen 64 gibt eine Heizung an. Das Objekt (a) weist einen ähnlichen Temperaturpegel auf wie der menschliche Körper, ist aber im Vergleich zu dem menschlichen Körper (b) sehr klein. Aufgrund der Korrektur wird bestimmt, dass (a) kein menschlicher Körper ist.
  • Indem außerdem der korrigierte Temperaturpegel eines thermischen Objekts berücksichtigt wird, kann zum Beispiel eine sehr heißes Objekt wie etwa eine Heizung 64 von dem menschlichen Körper (a) unterschieden werden, sodass der menschliche Körper mit höherer Präzision bestimmt werden kann. In diesem Verfahren kann ein Objekt mit einer Temperatur von über 50 Grad Celsius bestimmt werden.
  • (Ausführungsform 12)
  • In 24 wird als Infrarotsensor eine Vielzahl von in einer Matrix angeordneten Infrarotsensorelementen 81 des pyroelektrischen Typs verwendet, während ein Ultraschallsensor 82 zum Aussenden von Ultraschallwellen und zum Empfangen von reflektierten Ultraschallwellen als Objektpositions-Erfassungseinrichtung verwendet wird. Die Ausrichtungen der Infrarotsensorelemente 81 und des Ultraschallsensors 82 werden kontinuierlich gedreht. Die in dieser Vorrichtung erhaltenen zweidimensionalen Thermobilder und Ultraschallechomuster sind in 25 und 26 gezeigt. Das Bezugszeichen 83 gibt ein thermisches Objekt an.
  • Anhand des Ultraschallechomusters (25) kann die Position des thermischen Objekts in dem zweidimensionalen Thermobild identifiziert werden, und durch die Korrektur des thermischen Bildes (26) anhand der daraus erhaltenen Distanz zwischen dem Sensor 81 und dem Objekt 83 können die Größe und der Temperaturpegel des thermischen Objekts präzise bestimmt werden.
  • Indem alternativ hierzu zuerst die Hintergrundobjektposition in einem unbesetzten Messzustand durch ein Signal aus dem Ultraschallsensor 82 festgestellt wird und mit dem Signal aus der Erfassungseinrichtung während des Messens verglichen wird, kann das neu eintretende Objekt festgestellt werden, wobei Bestimmungsfehler reduziert werden können, die fälschlicherweise nicht-menschliche Objekte als menschliche Objekte erfassen.
  • (Ausführungsform 13)
  • 28 zeigt ein zweidimensionales Thermobild einer Infrarot-Erfassungseinrichtung in dem Messraum von 27. Es befinden sich mehrere menschliche Körper 47 nahe beieinander, wobei sie in dem Thermobild als ein großes Thermobild (Bereich A) erfasst werden. Als Gegenmaßnahme wird vorläufig die Beziehung der Distanz zwischen der Infrarot-Erfassungsvorrichtung 1 und dem menschlichen Körper 47 zur Erfassungsfläche (a) pro menschlichem Körper 47 untersucht, wobei eine Kurve wie in 29 gezeigt aufgetragen wird. Wenn die Anzahl der Personen in dem Raum gemessen wird, wird die erfasste Fläche pro menschlichem Körper 47 aus der durch die Objektpositions-Erfassungseinrichtung erhaltenen Distanz (r) erhalten, wobei die Fläche des erfassten Thermobildes dividiert wird (A/a), sodass die Anzahl der menschlichen Körper 47 in dem thermischen Bild berechnet werden kann.
  • (Ausführungsform 14)
  • 30 zeigt ein System zur Erfassung der Anzahl und Position von Personen in einem Raum, das aus einer Infrarot-Erfassungsvorrichtung 91 als Infrarot-Erfassungseinrichtung und einer Ultraschall-Erfassungsvorrichtung als Objektpositions-Erfassungseinrichtung besteht. Die Ausgabesignale aus der Infrarot-Erfassungsvorrichtung 91 und der Ultraschall-Erfassungsvorrichtung 92 werden durch eine Signalverarbeitungsvorrichtung 93 in ein zweidimensionales Bild und ein Ultraschallechomuster zurückgeführt und zu einer Datenverarbeitungsvorrichtung 94 gesendet. In der als Korrektureinrichtung dienenden Datenverarbeitungsvorrichtung 94 wird das gesendete zweidimensionale Thermobild durch den Distanzfaktor korrigiert, wobei der menschliche Körper durch das Erfassungsverfahren aus dem korrigierten Thermobild extrahiert wird und die Anzahl der Personen im Raum berechnet wird. Das Ergebnis wird auf der Anzeigeeinrichtung 95 angezeigt und in einem stationären Speicher oder ähnlichem durch eine Aufzeichnungsvorrichtung 96 aufgezeichnet. Indem die Ausgabeinformationen von diesem System zu dem Kommunikationssystem gesendet werden, können diese zudem von Überwachungssystemen und ähnlichen Systemen verwendet werden.
  • Die Objektpositions-Erfassungseinrichtung der Erfindung kann eine Einrichtung zum Messen der Distanz durch das Aussenden von elektromagnetischen Wellen und das Empfangen von reflektierten Wellen sein. Natürlich kann es sich auch um eine Einrichtung zum Messen der Distanz unter Verwendung des Infrarotsensors handeln.
  • In den vorstehenden Ausführungsformen können die Sensorsignal-Verarbeitungseinrichtung, die Einrichtung zum Erfassen von thermischen Objekten und andere Einrichtungen aus exklusiver Hardware bestehen, wobei aber auch ähnliche Funktionen unter Verwendung von Computern durch Software vorgesehen werden können.
  • Aus der vorstehenden Beschreibung sollte deutlich werden, dass gemäß der vorliegenden Erfindung die Vorrichtung zum Erfassen von thermischen Objekten kostengünstig und in kleiner Größe hergestellt werden kann, wobei gleichzeitig auch die Erfassungspräzision erhöht werden kann.
  • Die Anzahl und die Position von menschlichen Körpern können also präzise erfasst werden.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Erfassung eines Objektes mit den Schritten: Erfassen von zweidimensionaler, thermischer Bildinformation zur Vermessung eines Raums, die von einer Erfassungseinrichtung (92) für ein thermisches Bild erzeugte Temperaturpegel darstellt, und Erfassen von Entfernungsdaten, die eine Distanz zwischen der Erfassungseinrichtung (92) für ein thermisches Bild und einem Objekt innerhalb des vermessenen Raums angibt, gekennzeichnet durch die Schritte Korrigieren entweder eines Temperaturpegels oder einer Objektgröße in der thermischen Bildinformation durch Verwendung der Entfernungsdaten als Korrekturfakor.
  2. Verfahren zur Erfassung eines menschlichen Körpers mit den Schritten nach Anspruch 1.
  3. Verfahren zur Erfassung eines menschlichen Körpers nach Anspruch 2, wobei eine Anzahl von Personen dadurch berechnet wird, dass eine Fläche des erfassten thermischen Bildes durch eine Fläche pro Person unter Verwendung einer erfassten Entfernung zwischen der Bilderfassungseinrichtung (92) und einem menschlichen Körper geteilt wird.
  4. Vorrichtung zur Erfassung eines Objektes umfassend: eine Bilderfassungseinrichtung (92, 93) zur Erfassung von zweidimensionaler, thermischer Bildinformation, die Temperaturpegel innerhalb eines vermessenen Raumes darstellt, und eine Entfernungserfassungseinrichtung (91, 93) zur Erfassung von Entfernungsdaten, die eine Distanz zwischen der Bilderfassungseinrichtung (92) und einem Objekt innerhalb des vermessenen Raumes angibt, gekennzeichnet durch eine Korrektureinrichtung (94) zur Korrektur eines Temperaturpegels oder einer Größe eines Objektes in der zweidimensionalen, thermischen Bildinformation durch Verwendung der Entfernungsdaten als Korrekturfaktor.
  5. Vorrichtung zur Erfassung eines Objektes nach Anspruch 4, wobei die Bilderfassungseinrichtung (92) eine Infrarotstrahlenerfassungseinrichtung (10) ist, die in der Lage ist, zweidimensionale, thermische Bildinformation durch kontinuierliche Rotation eines Infraroterrorsensorelementes (8) mit einer Mehrzahl von Detektoren, die in der Anordnung angeordnet sind, zu erhalten
  6. Vorrichtung zur Erfassung eines Objektes nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Entfernungserfassungseinrichtung (91) eine Ultraschallerfassungseinrichtung ist, die in der Lage ist, Entfernungsinformation durch kontinuierliche Rotation eines Ultraschallsensors zu erhalten, der zur Übertragung einer Ultraschallwelle und zum Empfang einer reflektierten Welle eingerichtet ist.
  7. Vorrichtung zur Erfassung eines Objekts nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Entfernungserfassungseinrichtung (91) eine Entfernung durch Ausstrahlung einer elektromagnetischen Welle und Empfang einer reflektierten Welle misst.
  8. Vorrichtung zur Erfassung eines menschlichen Körpers mit einer Vorrichtung zur Erfassung eines Objektes nach einem der Ansprüche 4 bis 7 und außerdem umfassend: eine Beurteilungseinrichtung (94) zur Beurteilung, basierend auf der korrigierten, thermischen Bildinformation, ob ein Objekt einen menschlichen Körper darstellt, und eine Berechnungseinrichtung (94) zur Berechnung einer Personenanzahl durch Teilen eines Bereichs der erfassten, zweidimensionalen thermischen Bildinformation durch einen Bereich pro Person unter Verwendung einer Entfernung zwischen der Bilderfassungseinrichtung (92, 93) und einem menschlichen Körper.
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