EP1004199A1 - Kameraaufbau zur aufnahme und verfahren zur auswertung von bildern - Google Patents
Kameraaufbau zur aufnahme und verfahren zur auswertung von bildernInfo
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- H04N13/204—Image signal generators using stereoscopic image cameras
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- H04N13/221—Image signal generators using stereoscopic image cameras using a single 2D image sensor using the relative movement between cameras and objects
Definitions
- the invention is based on a camera structure for recording and a method for evaluating images according to the category of the independent claims.
- the automatic image evaluation is conquering new application fields and larger market shares in classic application fields for image processing systems at high speed.
- the reasons for this are on the one hand the increasing maturity of algorithms for automatic image interpretation in natural environments, and on the other hand the increasing computing power of microprocessors.
- DE 1 96 27 938 which has not yet been published, discloses the use of a camera system for video-based tracking.
- CCD image sensors are used for image acquisition. These have a very low brightness dynamic range. In natural and many artificial environments, it is therefore necessary to use a camera aperture and an exposure time control in order to map the ambient brightness as well as possible to the dynamic range of the sensor used.
- the camera structure according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that, when using logarithmic CMOS image sensors, an aperture control or exposure time control can be completely dispensed with. If several cameras that have such a sensor record a scene synchronized, the resulting image signals represent an absolute brightness signal that is not influenced by any aperture or exposure time control. The image signals of different cameras are therefore absolutely comparable and do not require any brightness correction, even if the images cut out different areas of a scene, so that an image-based control would set these sections differently in conventional cameras.
- CMOS image sensor it is also advantageous to use a logarithmic CMOS image sensor in a moving camera if the camera is used to measure the movement of image sequences. If the camera moves, conventional cameras can
- Cameras change the aperture or exposure time because the image content changes when moving.
- the camera control can be omitted. Pictures taken at different times are absolutely comparable.
- CMOS image sensors also have the advantage that additional elements for further processing of the image data such as A / D converters can be implemented on the same component.
- the CMOS image sensors then have digital outputs. No analog circuit parts are necessary.
- CMOS image sensors have no CCD-typical image impairments such as smear and fade effects (smear and blooming).
- the method according to the invention for evaluating images with the characterizing features of the independent claim has the advantage that, by using CMOS image sensors, images can be recorded in a simple manner, which are then used for the three-dimensional evaluation of the recorded scene and for the determination of data serve.
- FIG. 1 shows a camera setup with two cameras and
- FIG. 2 shows a camera setup with a flexible camera position.
- FIG. 1 shows two cameras 1, each of which overlooks an image section 6.
- the cameras 1 are connected to the evaluation unit 4 via control lines 2.
- the cameras are connected to one another and also to the evaluation unit 4 via the synchronization lines 3.
- An object to be observed is in the overlapping field of view of the cameras.
- Such a camera structure or device can be supplemented by further cameras 1.
- the camera structure is used to observe any object 5 in the area surrounding the camera structure.
- the cameras each take a picture of the surroundings, with the picture taken via the synchronization line device is synchronized.
- the captured image is sent via control line 2 to evaluation unit 4.
- the processing of the images or the partial images takes place in the evaluation unit with the aim of determining the position, size, etc. of the object 5 in the environment.
- Logarithmic CMOS image sensors are used to record the images from the cameras.
- the comparison of the images can take place directly between two images as well as between images that have been processed on the basis of an evaluation algorithm.
- the CMOS image sensor Due to the logarithmic mapping of the incident light signal into an electronically processable voltage or current signal, the sensor can cover a very large brightness dynamic range, so that it can do without exposure or aperture control or regulation even in a natural environment.
- the voltage or current signal generated by the CMOS image sensor is forwarded directly to the evaluation unit via a digital interface.
- Vehicle e.g. for dynamic lane tracking, automatic obstacle detection, level control, etc.
- Figure 2 shows an embodiment in which the camera 1 is moved to record the scene. Arrow 7 indicates a possible movement.
- the camera 1 is connected to the evaluation unit 4 via a control line 2.
- the object 5 to be recorded is in the field of view 6 of the camera.
- the camera first records a first image in a first recording position, is moved into a second position and takes a second image in this second position. By moving the camera and recording the object from different recording positions, it is possible to determine three-dimensional parameters of the object 5 again.
- the CMOS image sensors which are a non-linear wall Having characteristic curve and a decreasing characteristic curve with increasing light intensity (brightness), it is possible to directly compare images that were recorded in succession.
- the image sensor can be designed with a logarithmic characteristic.
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Abstract
Es wird eine Vorrichtung zur Aufnahme sowie ein Verfahren zur Auswertung von Bildern vorgeschlagen, wobei wenigstens eine Kamera durch Einsatz nichtlinearer, vorzugsweise logarithmierender CMOS-Bildsensoren vereinfacht aufgebaut ist.
Description
Kameraaufbau zur Aufnahme und Verfahren zur Auswertung von Bildern
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Kameraaufbau zur Aufnahme und einem Verfahren zur Auswertung von Bildern nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche. Die automatische Bildaus- wertung erobert mit großer Geschwindigkeit neue Anwendungs- felder und größere Marktanteile in klassischen Anwendungsfeldern für Bildverarbeitungssysteme. Ursache sind zum einen die zunehmende Reife von Algorithmen für die automatische Bildinterpretation in natürlichen Umgebungen, zum anderen die zunehmende Rechenleistung von Mikroprozessoren. Aus der noch nicht veröffentlichten DE 1 96 27 938 ist der Einsatz eines Kamerasystems zur videobasierten Spurverfolgung bekannt. Hierfür werden CCD-Bildsensoren für die Bildaufnahme eingesetzt. Diese weisen einen sehr geringen Helligkeitsdy- namikbereich auf. In natürlichen und vielen künstlichen Umgebungen ist daher der Einsatz einer Kamerablende und einer Belichtungszeitsteuerung nötig, um die Umgebungshelligkeit möglichst gut auf den Dynamikbereich des eingesetzten Sensors abzubilden. Für eine optimale automatische Auswertung von Bildinformationen besitzen Kameras, in denen große zeitliche Helligkeitsänderungen vorkommen können, daher eine Belichtungszeitregelung oder eine Blendenregelung. Die Regelung erfolgt in Abhängigkeit des Bildsignals. Werden mehrere Kameras synchron mit dem Ziel der automatischen Bildauswer- tung betrieben kann die automatische Kameraregelung zu gro-
ßen Problemen führen, da Bilder durch die von Kamera zu Kamera verschiedene Kamerablenden- oder Belichtungszeiteinstellungen nicht vergleichbar sind.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Kameraaufbau mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß bei Einsatz von logarithmierenden CMOS-Bildsensoren auf eine Blendenregelung oder Belichtungszeitregelung vollkommen verzichtet werden kann. Nehmen mehrere Kameras, die einen solchen Sensor besitzen, synchronisiert eine Szene auf, so stellen die resultierenden Bildsignale ein absolutes Helligkeitssignal dar, das durch keine Blenden- oder Belichtungs- zeit-Steuerung beeinflußt ist. Daher sind die Bildsignale verschiedener Kameras absolut vergleichbar und bedürfen keiner Helligkeitskorrektur, auch wenn die Bilder verschiedene Bereiche einer Szene ausschneiden, so daß eine bildbasierte Regelung bei herkömmlichen Kameras diese Ausschnitte ver- schieden einstellen würde.
Ebenso vorteilhaft ist der Einsatz eines logarithmierenden CMOS-Bildsensors in einer bewegten Kamera, wenn die Kamera zur Messung von Bewegung von Bildsequenzen herangezogen wird. Bewegt sich die Kamera, so kann bei konventionellen
Kameras eine Blenden- oder Belichtungszeitänderung erfolgen, da sich der Bildinhalt bei der Bewegung ändert. Durch Einsatz des logarithmierenden Bildsensors kann die Kameraregelung entfallen. Bilder, die zu unterschiedlichen Zeiten auf- genommen wurden, sind absolut vergleichbar.
CMOS-Bildsensoren haben weiterhin den Vorteil, daß zusätzliche Elemente für die weitere Verarbeitung der Bilddaten wie A/D-Wandler auf dem gleichen Bauteil realisiert werden kön- nen. Die CMOS-Bildsensoren besitzen dann digitale Ausgänge.
Es sind keine analogen Schaltungsteile nötig. Weiterhin weisen CMOS-Bildsensoren keine CCD-typischen Bildbeeinträchtigungen wie Verschmierungs- und Überblendeffekte (smear und blooming) .
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Auswertung von Bildern mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat den Vorteil, daß durch den Einsatz von CMOS-Bildsensoren auf einfache Weise Bilder aufgenommen werden können, die an- schließend für die dreidimensionale Auswertung der aufgenommenen Szene und zur Ermittlung von Daten dienen.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Figur 1 einen Kameraaufbau mit zwei Kameras und Figur 2 einen Kameraaufbau mit flexibler Kameraposition.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Figur 1 zeigt zwei Kameras 1, die jeweils einen Bildausschnitt 6 überblicken. Die Kameras 1 sind über Steuerleitun- gen 2 mit der Auswerteeinheit 4 verbunden. Über die Synchronisationsleitungen 3 sind die Kameras untereinander und ebenfalls mit der Auswerteeinheit 4 verbunden. Ein zu beobachtendes Objekt befindet sich im überlappenden Blickfeld der Kameras .
Ein solcher Kameraaufbau bzw. Vorrichtung kann noch durch weitere Kameras 1 ergänzt werden. Der Kameraaufbau dient zur Beobachtung eines beliebigen Objekts 5 im Umfeld des Kameraaufbaus. Die Kameras nehmen jeweils ein Bild der Umge- bung auf, wobei die Aufnahme über die Synchronisationslei-
tung synchronisiert wird. Das aufgenommene Bild wird über die Steuerleitung 2 zur Auswerteeinheit 4 gesendet . In der Auswerteeinheit erfolgt die Aufbereitung der Bilder oder der Teilbilder, mit dem Ziel die Lage, Größe usw. des Objekts 5 in der Umgebung festzustellen. Zur Aufnahme der Bilder der Kameras werden logarithmierende CMOS-Bildsensoren eingesetzt. Der Vergleich der Bilder kann sowohl direkt zwischen zwei Bildern als auch zwischen Bildern, die aufgrund eines Auswertealgorithmus aufbereitet wurden, erfolgen. Durch die logarithmische Abbildung des einfallenden Lichtsignals in ein elektronisch verarbeitbares Spannungs- oder Stromsignal kann der Sensor einen sehr großen Helligkeitsdynamikbereich abdecken, so daß er auch in natürlicher Umgebung ohne Belichtung oder Blendensteuerung bzw. -regelung auskommt. Das vom CMOS-Bildsensor erzeugte Spannungs- oder Stromsignal wird über eine digitale Schnittstelle direkt an die Auswerteeinheit weitergeleitet. Durch die Analyse der Bilder mit dem erfindungsgemäßen Kameraaufbau ist es möglich, verschiedene dreidimensionale Größen zu bestimmen. Beispielsweise dienen solche Kamerasystme zur Analyse der Umgebung eines
Fahrzeugs, z.B. zur dynamischen Spurverfolgung, zur automatischen Hinderniserkennung, zur Niveauregulierung usw.
Figur 2 zeigt eine Ausfuhrungsform, bei der die Kamera 1 zur Szenenaufnahme bewegt wird. Pfeil 7 zeigt eine mögliche Bewegung an. Die Kamera 1 ist über eine Steuerleitung 2 mit der Auswerteeinheit 4 verbunden. Im Blickfeld 6 der Kamera befindet sich das aufzunehmende Objekt 5. Die Kamera nimmt zunächst ein erstes Bild in einer ersten Aufnahmeposition auf, wird in eine zweite Position bewegt und nimmt in dieser zweiten Position ein zweites Bild auf. Durch die Bewegung der Kamera und die Aufnahme des Objekts aus verschiedenen Aufnahmepositionen heraus, ist es möglich, wiederum dreidimensionale Parameter des Objekts 5 zu ermitteln. Durch den Einsatz der CMOS-Bildsensoren, die eine nichtlineare Wand-
lerkennlinie aufweisen und eine abnehmende Kennliniensteie- rung bei zunehmender Lichtintensität (Helligkeit) bildet, ist es möglich, Bilder, die zeitlich aufeinanderfolgend aufgenommen wurden, direkt miteinander zu vergleichen. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Bildsensor mit einer logarithmierenden Kennlinie ausgebildet sein.
Claims
1. Vorrichtung zur Aufnahme von vergleichbaren Bildern, bestehend aus mindestens zwei Kameras (1) , die über Steuerleitungen (2) mit einer Steuer- und Auswerteeinrichtung (4) verbunden sind und über eine Synchronisationsleitung (3) aufeinander synchronisiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kameras CMOS-Bildsensoren enthalten, wobei die Bildsensoren eine nicht lineare Wandelkennlinie aufweisen, gekennzeichnet durch abnehmende Kennliniensteigung bei zunehmender Lichtintensität .
2. Vorrichtung zur Aufnahme von vergleichbaren Bildern, bestehend aus einer Kamera (1) , die über eine Steuerleitung (2) mit einer Steuer- und Auswerteeinrichtung (4) verbunden ist und die bewegbar bezüglich des aufzunehmenden Umfelds in mindestens zwei Aufnahmepositionen anbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera (1) einen logarithmierenden CMOS-Bildsensor enthält, wobei die Bildsensoren eine nichtlineare Wandelkennlinie aufweisen, gekennzeichnet durch abnehmende Kennliniensteigung bei zunehmender Lichtintensität.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Daten der Bilder und/oder Teilbilder der mindestens einen Kamera (1) über eine digitale Schnittstelle des CMOS- Bildsensors zur Auswerteinheit gelangen.
4. Verfahren zur Auswertung von Bildern, dadurch gekennzeichnet, daß die Bilder von mindestens einer Kamera (1) mit einem CMOS-Bildsensor aufgenommen werden, wobei die Bildsen- soren eine nichtlineare Wändelkennlinie aufweisen, gekennzeichnet durch abnehmende Kennliniensteigung bei zunehmender Lichtintensität und daß die Daten der Bilder an eine Auswerteinheit (4) übertragen werden, die aus den Bildern und/oder Teilbildern Informationen über die aufgenommene Szene ermit- telt.
5. Verfahren zur Auswertung von Bildern nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelten Informationen dreidimensionale Meßgrößen der Szene sind.
6. Verfahren zur Auswertung von Bildern nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Kamera (1) in einem Kraftfahrzeug eingebaut wird.
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