EP2013642A1 - Device and method for recording distance images - Google Patents

Device and method for recording distance images

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Publication number
EP2013642A1
EP2013642A1 EP06806866A EP06806866A EP2013642A1 EP 2013642 A1 EP2013642 A1 EP 2013642A1 EP 06806866 A EP06806866 A EP 06806866A EP 06806866 A EP06806866 A EP 06806866A EP 2013642 A1 EP2013642 A1 EP 2013642A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
light
image
distance
detector elements
processing unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06806866A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Günter DOEMENS
Peter Mengel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2013642A1 publication Critical patent/EP2013642A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G01S17/10—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/89—Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S17/894—3D imaging with simultaneous measurement of time-of-flight at a 2D array of receiver pixels, e.g. time-of-flight cameras or flash lidar
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4816—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of receivers alone
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    • G01S17/86—Combinations of lidar systems with systems other than lidar, radar or sonar, e.g. with direction finders

Definitions

  • the invention relates to a device for recording distance images with a light pulse emitting light source, with a plurality of light receivers and with the light receivers downstream evaluation, which determines the light transit time of the light pulses and creates a distance image based on the light transit times.
  • the invention further relates to methods for processing images of spatial objects.
  • Such a device and such methods are known from DE 198 33 207 Al.
  • the known device and the known methods are used to generate three-dimensional distance images of spatial objects.
  • a short-time exposure of the spatial object is performed by means of laser diodes.
  • Light receivers receive the reflected light pulses from the spatial object. By evaluating the reflected light pulses in two integration windows with different integration times and by averaging over several light pulses, three-dimensional distance images can be recorded with high reliability.
  • a disadvantage of the known device and the known methods is that distance images can be recorded only with a relatively low resolution in comparison to digital camera systems for taking two-dimensional images.
  • distance images can be recorded only with a relatively low resolution in comparison to digital camera systems for taking two-dimensional images.
  • two-dimensional intensity images often have the problem that object-oriented image segmentation can not be performed due to disturbing light effects. For example, a shadow cast on a spatial object may cause an image processing unit to no longer recognize the fully illuminated area and the shadowed area of the spatial object as belonging to an object and divide it into different image segments.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a device for recording distance images with increased resolution.
  • the invention is further based on the object of specifying methods for processing images of spatial objects with which the spatial resolution of distance images can be improved and with which intensity images of spatial objects can be safely segmented in an object-oriented manner.
  • the device for recording distance images has a large number of light receivers with which a determination of the time of flight of light can be carried out.
  • these photoreceivers are assigned a plurality of detector elements with which an intensity image of the spatial object can be created. Since the intensity image can usually be recorded at a much higher resolution than the distance image, additional information about the spatial object is available with which the resolution of the distance image can be refined. For example, it can be assumed that an area with a uniform gray value in the figure has the same distance. Even if there is only a single distance measuring point in this gray area, an area can be created in the distance image that contains the contours the corresponding area and the distance of the distance measuring point shown in the figure. The resolution of the distance image can thus be increased by interpolation and smoothing methods.
  • intensity images of a spatial object taken with such a device can be segmented object-oriented with great certainty. Because the additional distance information contained in the distance image can be used to recognize surfaces that are the same distance, and therefore usually belonging to the same object as such, even if the areas in the image have different colors or gray levels.
  • the detector elements for recording the intensity image between the light receivers for receiving the distance image are distributed.
  • the detector elements for recording the intensity image between the light receivers for receiving the distance image are distributed.
  • the light receivers and the detector elements are integrated in a common component. With such an integrated component, it is possible to provide a compact, cost-effective device for taking distance images, it being possible to use any optics present for both the light receivers and the detector elements.
  • a lighting unit can also be used both for the light receiver and for the detector elements. In addition, eliminates the need to adjust the detector elements with respect to the light receiver or the relative position of the Detecting detector elements for the light receivers by a calibration.
  • the light receivers have a lower spatial resolution than the detector elements. This makes it possible to use the higher resolution available for detector elements of camera systems.
  • the light pulses emitted by the light source are concentrated onto a grid of light spots, which are imaged onto the light receivers by an optical system arranged in front of the light receivers.
  • the light emitted from the light source is concentrated to a few points of light and increases the intensity of the light received by the light receivers.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a device for taking distance images and two-dimensional images of a spatial object
  • FIG. 2 shows a plan view of the detector of the device of Figure 1.
  • FIG. 1 shows a monitoring device 1 which serves to monitor a room area 2.
  • the monitoring device 1 can serve to monitor a danger area or else the access guard.
  • the monitoring device In the space area 2, there may be objects 3 whose presence is to be detected by the monitoring device 1.
  • the monitoring device has a pulsed light source 4, which may be, for example, a single laser diode. It should be noted that under the term light the entire electromagnetic wavelength spectrum should be understood.
  • the light emanating from the pulsed light source 4 is collimated by an optics 5 arranged in front of the pulsed light source 4 and directed onto a diffraction grating 6.
  • the diffraction orders of the light diffracted at the diffraction grating 6 form illumination points 7 which are distributed over the entire space region 2.
  • the illumination points 7 are imaged by an entrance optics 8 onto a detector 9.
  • the monitoring device has a continuous light source 10, which illuminates the entire space area 2 via an optical system 11.
  • the detector 9 is followed by an evaluation unit 12.
  • the evaluation unit 12 controls the detector 9 and reads out the detector 9. Furthermore, the evaluation unit 12 also controls the pulsed light source 4 and the continuous light source 10.
  • an image processing unit 13 Downstream of the evaluation unit 12 is an image processing unit 13, which processes the distance images and two-dimensional intensity images of the spatial region 2 generated by the evaluation unit 12.
  • FIG. 2 shows a plan view of the detector 9 of the monitoring device 1 from FIG. 1.
  • the sensitive surface of the detector 9 has light receivers 14 which are produced, for example, in CMOS technology. With the aid of the light receivers 14, a light transit time measurement can be performed.
  • the light pulses emitted by the pulsed light source 4 scan the spatial region 2 in the illumination points 7.
  • Light reflected back at an object 3 in the spatial region 2 reaches the light receivers 14, which have short integration times in the nanosecond range.
  • the light transit time from the pulsed light source 4 to the object 3 can be determined and back to the respective light receiver 14.
  • the distance of the illumination point 7 on the object 3 can then be determined directly from the light transit time.
  • the detector 9 depicted in FIG. 2 comprises 3 ⁇ 3 light receivers 14.
  • the intermediate space between the light receivers 14 is covered in each case with 5 ⁇ 5 detector elements 15.
  • the detector elements 15 as well as the light receivers 14 are manufactured in CMOS technology. While the light receivers 14 are used to record a distance image, an intensity image is recorded with the detector elements 15.
  • Undertenstatschan should be understood in this context, both the brightness of the object 3 reproducing image, for example, a gray scale image, as well as a color image of the object 3.
  • a grid of approximately 50 ⁇ 50 light receivers 14 is superimposed on a grid of approximately 1000 ⁇ 1000 detector elements 15. In such an embodiment, every twentieth column and row of the grid of the detector elements 15 is occupied by light receivers 14.
  • the monitoring device 1 can be recorded high-resolution distance images.
  • the information contained in the intensity image is used to interpolate between the pixels of the distance image.
  • a uniform distance value can also be assigned to a segment of the intensity image with homogeneous brightness. If a distance pixel now lies in the respective segment, a region of the distance image corresponding to the segment of the intensity image can be filled with distance values which correspond to the distance value of the distance pixel in the respective segment.
  • an object-oriented segmentation can be performed on the intensity image.
  • the segmentation of intensity images often involves the problem that object areas with different brightness or color are assigned to different segments. For example, a shadow cast on an object may cause the shaded area to be assigned to a particular segment while the fully illuminated area is treated as a separate segment. However, if the two segments have the same distance value, the two segments can be associated.
  • the monitoring device 1 offers a number of advantages.
  • the monitoring device 1 In contrast to light curtains, which consist of several light barriers, each with a transmitter and a receiver, the monitoring device 1 requires only little installation effort and is also not prone to Storeinflus- sen due to contamination and foreign particles.
  • the monitoring device 1 is also less error-prone otherwise and can be operated with low maintenance, in contrast to laser scanners that monitor a spatial area with a rotating laser beam.
  • the monitoring device 1 is much more reliable, since the reliable function of the monitoring device 1 does not depend on the illumination of the spatial area 2 and the monitoring device 1 not by unwanted surface reflection on the object to be detected. 3 is limited in terms of their reliability.
  • the integration of the light receivers 14 and the detector elements in the detector 9 also offers the advantage that the monitoring device 1 can be constructed compact and inexpensive, since the optics 11 for the detector 9 can be used by both the light receivers 14 and the detector elements 15.
  • the fixed spatial relationship between the light receivers 14 and detector elements 15 also eliminates the need to determine the position of the light receivers 14 relative to the detector elements 15 by calibrations.
  • the monitoring device 1 can also be used for driver assistant systems in automotive technology for detecting traffic-relevant objects, for example vehicles, pedestrians or obstacles.
  • the monitoring device 1 can also be used to record image sequences.

Abstract

A monitoring device (1) is provided with a detector (9), by means of which both intensity images and distance images can be recorded. The resolution of the distance image can be increased with the aid of the intensity image. Conversely, the intensity image can be segmented in object-oriented fashion on the basis of the distance image.

Description

Beschreibungdescription
Vorrichtung und Verfahren zur Aufnahme von EntfernungsbildernApparatus and method for taking distance images
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme von Entfernungsbildern mit einer Lichtpulse aussendenden Lichtquelle, mit einer Vielzahl von Lichtempfängern und mit einer den Lichtempfängern nachgeschalteten Auswerteeinheit, die die Lichtlaufzeit der Lichtpulse bestimmt und anhand der Licht- laufzeiten ein Entfernungsbild erstellt.The invention relates to a device for recording distance images with a light pulse emitting light source, with a plurality of light receivers and with the light receivers downstream evaluation, which determines the light transit time of the light pulses and creates a distance image based on the light transit times.
Die Erfindung betrifft ferner Verfahren zur Verarbeitung von Bildern räumlicher Objekte.The invention further relates to methods for processing images of spatial objects.
Eine derartige Vorrichtung und derartige Verfahren sind aus der DE 198 33 207 Al bekannt. Die bekannte Vorrichtung und die bekannten Verfahren dienen der Erzeugung dreidimensionaler Entfernungsbilder von räumlichen Objekten. Dabei wird mit Hilfe von Laserdioden eine Kurzzeitbelichtung des räumlichen Objekts durchgeführt. Ein Sensor mit einer Vielzahl vonSuch a device and such methods are known from DE 198 33 207 Al. The known device and the known methods are used to generate three-dimensional distance images of spatial objects. In this case, a short-time exposure of the spatial object is performed by means of laser diodes. A sensor with a variety of
Lichtempfängern empfängt die vom räumlichen Objekt zurückgeworfenen Lichtpulse. Durch Auswertung der zurückgeworfenen Lichtpulse in zwei Integrationsfenstern mit unterschiedlichen Integrationszeiten und durch Mittelung über mehrere Lichtpul- se lassen sich dreidimensionale Entfernungsbilder mit hoher Zuverlässigkeit aufnehmen.Light receivers receive the reflected light pulses from the spatial object. By evaluating the reflected light pulses in two integration windows with different integration times and by averaging over several light pulses, three-dimensional distance images can be recorded with high reliability.
Ein Nachteil der bekannten Vorrichtung und der bekannten Verfahren ist, dass sich Entfernungsbilder im Vergleich zu digi- talen Kamerasystemen zur Aufnahme zweidimensionaler Abbildungen nur mit einer verhältnismäßig geringen Auflösung aufnehmen lassen. Mit den derzeit verfügbaren Bauelementen lassen sich lediglich Entfernungsbildern mit etwa 50 x 50 Bildpunkten aufnehmen, im Vergleich zu digitalen Kamerasystemen für Intensitätsbilder, die Bilder in der Größenordnung von 1000 x 1000 Bildpunkten erzeugen. Umgekehrt besteht bei zweidimensionalen Intensitätsbildern häufig das Problem, dass die objektorientierte Bildsegmentierung auf Grund von störenden Lichteffekten nicht durchgeführt werden kann. Beispielsweise kann ein Schattenwurf auf ein räumliches Objekt dazu führen, dass eine Bildverarbeitungseinheit den voll beleuchteten Bereich und den abgeschatteten Bereich des räumlichen Objekts nicht mehr als zu einem Objekt gehörig erkennt und in verschiedene Bildsegmente aufteilt.A disadvantage of the known device and the known methods is that distance images can be recorded only with a relatively low resolution in comparison to digital camera systems for taking two-dimensional images. With the currently available components, it is only possible to record distance images with approximately 50 × 50 pixels, in comparison to digital camera systems for intensity images, which generate images in the order of 1000 × 1000 pixels. Conversely, two-dimensional intensity images often have the problem that object-oriented image segmentation can not be performed due to disturbing light effects. For example, a shadow cast on a spatial object may cause an image processing unit to no longer recognize the fully illuminated area and the shadowed area of the spatial object as belonging to an object and divide it into different image segments.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt die Erfindung daher der Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Aufnahme von Entfernungsbildern mit erhöhter Auflösung zu schaffen. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, Verfahren zur Verarbeitung von Bildern räumlicher Objekte anzugeben, mit denen sich die räumliche Auflösung von Entfernungsbildern verbessern lässt und mit denen sich Intensitätsbilder räumlicher Objekte sicher objektorientiert segmentieren lassen.Based on this prior art, the invention is therefore an object of the invention to provide a device for recording distance images with increased resolution. The invention is further based on the object of specifying methods for processing images of spatial objects with which the spatial resolution of distance images can be improved and with which intensity images of spatial objects can be safely segmented in an object-oriented manner.
Diese Aufgaben werden durch die Vorrichtung und die Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.These objects are achieved by the device and the methods having the features of the independent claims. In dependent claims advantageous embodiments and developments are given.
Die Vorrichtung zur Aufnahme von Entfernungsbildern weist ei- nerseits eine Vielzahl von Lichtempfängern auf, mit denen eine Lichtlaufzeitbestimmung durchgeführt werden kann. Diesen Lichtempfängern ist andererseits eine Vielzahl von Detektorelementen zugeordnet, mit denen ein Intensitätsbild des räumlichen Objekts erstellt werden kann. Da das Intensitätsbild in der Regel mit einer wesentlich höheren Auflösung aufgenommen werden kann als das Entfernungsbild, steht zusätzliche Information über das räumliche Objekt zur Verfügung, mit der die Auflösung des Entfernungsbildes verfeinert werden kann. Beispielsweise kann davon ausgegangen werden, dass eine Flä- che mit einem einheitlichen Grauwert in der Abbildung die gleiche Entfernung aufweisen. Selbst wenn nur ein einzelner Entfernungsmesspunkt in dieser Graufläche vorliegt, kann im Entfernungsbild eine Fläche erzeugt werden, die die Konturen der zugehörigen Fläche und die Entfernung des Entfernungsmesspunkts in der Abbildung aufweist. Durch Interpolationsund Glättungsverfahren kann somit die Auflösung des Entfernungsbild erhöht werden.On the one hand, the device for recording distance images has a large number of light receivers with which a determination of the time of flight of light can be carried out. On the other hand, these photoreceivers are assigned a plurality of detector elements with which an intensity image of the spatial object can be created. Since the intensity image can usually be recorded at a much higher resolution than the distance image, additional information about the spatial object is available with which the resolution of the distance image can be refined. For example, it can be assumed that an area with a uniform gray value in the figure has the same distance. Even if there is only a single distance measuring point in this gray area, an area can be created in the distance image that contains the contours the corresponding area and the distance of the distance measuring point shown in the figure. The resolution of the distance image can thus be increased by interpolation and smoothing methods.
Umgekehrt können mit einer derartigen Vorrichtung aufgenommene Intensitätsbilder eines räumlichen Objekts mit großer Sicherheit objektorientiert segmentiert werden. Denn die im Entfernungsbild enthaltene zusätzliche Entfernungsinformation kann dazu verwendet werden, Flächen die im gleichen Abstand liegen, und die daher in der Regel zum gleichen Objekt gehören, als solche zu erkennen, selbst wenn die Flächen im Bild unterschiedliche Einfärbungen oder Grauwerte aufweisen.Conversely, intensity images of a spatial object taken with such a device can be segmented object-oriented with great certainty. Because the additional distance information contained in the distance image can be used to recognize surfaces that are the same distance, and therefore usually belonging to the same object as such, even if the areas in the image have different colors or gray levels.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Detektorelemente zur Aufnahme des Intensitätsbildes zwischen den Lichtempfängern zur Aufnahme des Entfernungsbilds verteilt. Bei einer derartigen Anordnung brauchen bei der nachfolgenden Bildverarbeitung, bei der die im Entfernungsbild und in dem Intensitätsbild enthaltenen Informationen miteinander verknüpft werden, keine Effekte berücksichtigt werden, die durch unterschiedliche Perspektiven hervorgerufen werden. Vielmehr kann davon ausgegangen werden, dass das Entfernungsbild und das Intensitätsbild aus der gleichen Perspektive aufgenommen worden sind.In a preferred embodiment, the detector elements for recording the intensity image between the light receivers for receiving the distance image are distributed. In such an arrangement, in the subsequent image processing in which the information contained in the distance image and in the intensity image are linked together, no effects caused by different perspectives need to be considered. Rather, it can be assumed that the distance image and the intensity image have been taken from the same perspective.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Lichtempfänger und die Detektorelemente in ein gemeinsames Bauelement integriert. Mit einem derartigen integrierten Bau- element lässt sich eine kompakte kostengünstige Vorrichtung zur Aufnahme von Entfernungsbildern schaffen, wobei eine eventuell vorhandene Optik sowohl für die Lichtempfänger als auch die Detektorelemente verwendet werden kann. Auch eine Beleuchtungseinheit kann sowohl für die Lichtempfänger als auch für die Detektorelemente eingesetzt werden. Außerdem entfällt die Notwendigkeit, die Detektorelemente bezüglich der Lichtempfänger zu justieren oder die relative Lage der Detektorelemente bezuglich der Lichtempfanger durch eine Kalibrierung festzustellen.In a further preferred embodiment, the light receivers and the detector elements are integrated in a common component. With such an integrated component, it is possible to provide a compact, cost-effective device for taking distance images, it being possible to use any optics present for both the light receivers and the detector elements. A lighting unit can also be used both for the light receiver and for the detector elements. In addition, eliminates the need to adjust the detector elements with respect to the light receiver or the relative position of the Detecting detector elements for the light receivers by a calibration.
Vorteilhafterweise weisen die Lichtempfanger eine geringere raumliche Auflosung als die Detektorelemente auf. Damit ist es möglich, die für Detektorelemente von Kamerasystemen verfugbare höhere Auflosung zu nutzen.Advantageously, the light receivers have a lower spatial resolution than the detector elements. This makes it possible to use the higher resolution available for detector elements of camera systems.
Um den Lichtempfangern ein ausreichendes Maß an Lichtintensi- tat zur Verfugung zu stellen, werden die von der Lichtquelle ausgesandten Lichtpulse auf ein Raster von Lichtpunkten konzentriert, die von einer vor den Lichtempfangern angeordneten Optik auf die Lichtempfanger abgebildet werden. Durch dies Maßnahme wird das von der Lichtquelle ausgesandte Licht auf wenige Lichtpunkte konzentriert und die Intensität des von den Lichtempfangern aufgenommenen Lichts erhöht.In order to provide the light receivers with a sufficient amount of light intensity, the light pulses emitted by the light source are concentrated onto a grid of light spots, which are imaged onto the light receivers by an optical system arranged in front of the light receivers. By this measure, the light emitted from the light source is concentrated to a few points of light and increases the intensity of the light received by the light receivers.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der Ausfuhrungsbei- spiele der Erfindung anhand der beigefugten Zeichnung im Einzelnen erläutert werden. Es zeigen:Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description in which Ausfuhrungsbei- games of the invention with reference to the accompanying drawings are explained in detail. Show it:
Figur 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Aufnahme von Entfernungsbildern und zweidimensionalen Ab- bildungen eines raumlichen Objekts;FIG. 1 shows a block diagram of a device for taking distance images and two-dimensional images of a spatial object;
Figur 2 eine Aufsicht auf den Detektor der Vorrichtung aus Figur 1.2 shows a plan view of the detector of the device of Figure 1.
Figur 1 zeigt eine Uberwachungsvorrichtung 1, die der Überwachung eines Raumbereichs 2 dient. Die Uberwachungsvorrichtung 1 kann der Überwachung eines Gefahrenbereichs oder auch der Zugangssicherung dienen. In dem Raumbereich 2 können sich Objekte 3 befinden, deren Anwesenheit von der Uberwachungsvor- richtung 1 detektiert werden soll. Zu diesem Zweck verfugt die Uberwachungsvorrichtung über eine gepulste Lichtquelle 4, bei der es sich beispielsweise um eine einzelne Laserdiode handeln kann. Es sei angemerkt, dass unter dem Begriff Licht das gesamte elektromagnetische Wellenlangenspektrum verstanden werden soll. Das von der gepulsten Lichtquelle 4 ausgehende Licht wird von einer vor der gepulsten Lichtquelle 4 angeordneten Optik 5 kollimiert und auf ein Beugungsgitter 6 gelenkt. Die Beugungsordnungen des am Beugungsgitter 6 gebeugten Lichts bilden Beleuchtungspunkte 7, die über den gesamten Raumbereich 2 verteilt sind. Die Beleuchtungspunkte 7 werden durch eine Eintrittsoptik 8 auf einen Detektor 9 abgebildet.FIG. 1 shows a monitoring device 1 which serves to monitor a room area 2. The monitoring device 1 can serve to monitor a danger area or else the access guard. In the space area 2, there may be objects 3 whose presence is to be detected by the monitoring device 1. For this purpose, the monitoring device has a pulsed light source 4, which may be, for example, a single laser diode. It should be noted that under the term light the entire electromagnetic wavelength spectrum should be understood. The light emanating from the pulsed light source 4 is collimated by an optics 5 arranged in front of the pulsed light source 4 and directed onto a diffraction grating 6. The diffraction orders of the light diffracted at the diffraction grating 6 form illumination points 7 which are distributed over the entire space region 2. The illumination points 7 are imaged by an entrance optics 8 onto a detector 9.
Ferner verfugt die Uberwachungsvorrichtung über eine kontinuierliche Lichtquelle 10, die über eine Optik 11 den gesamten Raumbereich 2 beleuchtet.Furthermore, the monitoring device has a continuous light source 10, which illuminates the entire space area 2 via an optical system 11.
Dem Detektor 9 ist eine Auswerteeinheit 12 nachgeordnet. Die Auswerteeinheit 12 steuert den Detektor 9 und liest den Detektor 9 aus. Ferner steuert die Auswerteeinheit 12 auch die gepulste Lichtquelle 4 und die kontinuierliche Lichtquelle 10.The detector 9 is followed by an evaluation unit 12. The evaluation unit 12 controls the detector 9 and reads out the detector 9. Furthermore, the evaluation unit 12 also controls the pulsed light source 4 and the continuous light source 10.
Der Auswerteeinheit 12 nachgeschaltet ist eine Bildverarbeitungseinheit 13, die die von der Auswerteeinheit 12 erzeugten Entfernungsbilder und zweidimensionalen Intensitatsbilder des Raumbereichs 2 verarbeitet.Downstream of the evaluation unit 12 is an image processing unit 13, which processes the distance images and two-dimensional intensity images of the spatial region 2 generated by the evaluation unit 12.
Figur 2 zeigt eine Aufsicht auf den Detektor 9 der Uberwachungsvorrichtung 1 aus Figur 1. Die sensitive Oberflache des Detektors 9 weist Lichtempfanger 14 auf, die beispielsweise in CMOS-Technik hergestellt sind. Mit Hilfe der Lichtempfan- ger 14 kann eine Lichtlaufzeitmessung durchgeführt werden. Die von der gepulsten Lichtquelle 4 ausgesandten Lichtpulse tasten den Raumbereich 2 in den Beleuchtungspunkten 7 ab. An einem Objekt 3 im Raumbereich 2 zurückgeworfenes Licht gelangt zu den Lichtempfangern 14, die kurze Integrationszeiten in Nanosekundenbereich aufweisen. Durch Integration des auf die Lichtempfanger 14 treffenden Lichts in zwei Integrationsfenstern mit unterschiedlicher Integrationsdauer kann die Lichtlaufzeit von der gepulsten Lichtquelle 4 zum Objekt 3 und zurück zum jeweiligen Lichtempfanger 14 bestimmt werden. Aus der Lichtlaufzeit kann dann unmittelbar die Entfernung des Beleuchtungspunkt 7 auf dem Objekt 3 ermittelt werden. Diese Art der Lichtlaufzeitmessung ist dem Fachmann unter an- derem unter der Bezeichnung MDSI (=multiple double short time Integration) bekannt. Daneben können für die Lichtlaufzeitbestimmung auch Verfahren wie PMD (=photonic mixing devi- ce) verwendet werden.FIG. 2 shows a plan view of the detector 9 of the monitoring device 1 from FIG. 1. The sensitive surface of the detector 9 has light receivers 14 which are produced, for example, in CMOS technology. With the aid of the light receivers 14, a light transit time measurement can be performed. The light pulses emitted by the pulsed light source 4 scan the spatial region 2 in the illumination points 7. Light reflected back at an object 3 in the spatial region 2 reaches the light receivers 14, which have short integration times in the nanosecond range. By integrating the light incident on the light receivers 14 into two integration windows having a different integration duration, the light transit time from the pulsed light source 4 to the object 3 can be determined and back to the respective light receiver 14. The distance of the illumination point 7 on the object 3 can then be determined directly from the light transit time. This type of light transit time measurement is known to the person skilled in the art, inter alia, under the name MDSI (= multiple double short time integration). In addition, methods such as PMD (= photonic mixing device) can also be used for the determination of the propagation time.
Der in Figur 2 abgebildete Detektor 9 umfasst 3 x 3 Lichtemp- fanger 14. Der Zwischenraum zwischen den Lichtempfangern 14 ist jeweils mit 5 x 5 Detektorelementen 15 abgedeckt. Die Detektorelemente 15 sind ebenso wie die Lichtempfanger 14 in CMOS-Technik gefertigt. Wahrend die Lichtempfanger 14 der Aufnahme eines Entfernungsbildes dienen, wird mit den Detektorelementen 15 ein Intensitatsbild aufgenommen. Unter Inten- sitatsbild soll in diesem Zusammenhang sowohl ein die Helligkeit des Objekts 3 wiedergebendes Bild, zum Beispiel ein Grauwertbild, als auch ein Farbbild des Objekts 3 verstanden werden.The detector 9 depicted in FIG. 2 comprises 3 × 3 light receivers 14. The intermediate space between the light receivers 14 is covered in each case with 5 × 5 detector elements 15. The detector elements 15 as well as the light receivers 14 are manufactured in CMOS technology. While the light receivers 14 are used to record a distance image, an intensity image is recorded with the detector elements 15. Undertenstatsbild should be understood in this context, both the brightness of the object 3 reproducing image, for example, a gray scale image, as well as a color image of the object 3.
Es wird darauf hingewiesen, dass bei einer typischen Ausgestaltung des Detektors 9 ein Raster von etwa 50 x 50 Lichtemp- fangern 14 einem Raster von etwa 1000 x 1000 Detektorelemen- ten 15 überlagert ist. Bei einer derartigen Ausgestaltung ist jede zwanzigste Spalte und Zeile des Rasters der Detektorelemente 15 mit Lichtempfangern 14 belegt.It should be noted that in a typical embodiment of the detector 9, a grid of approximately 50 × 50 light receivers 14 is superimposed on a grid of approximately 1000 × 1000 detector elements 15. In such an embodiment, every twentieth column and row of the grid of the detector elements 15 is occupied by light receivers 14.
Mit der Uberwachungsvorrichtung 1 lassen sich hoch aufgelöste Entfernungsbilder aufnehmen. Zu diesem Zweck wird die im Intensitatsbild enthaltene Information dazu verwendet, zwischen den Bildpunkten des Entfernungsbildes zu interpolieren. Beispielsweise kann davon ausgegangen werden, dass einem Segment des Intensitatsbildes mit homogener Helligkeit auch ein ein- heitlicher Entfernungswert zugeordnet werden kann. Wenn nun ein Entfernungsbildpunkt in dem jeweiligen Segment liegt, kann ein dem Segment des Intensitatsbildes entsprechender Bereich des Entfernungsbildes mit Entfernungswerten gefüllt werden, die dem Entfernungswert des Entfernungsbildpunktes im jeweiligen Segment entsprechen.With the monitoring device 1 can be recorded high-resolution distance images. For this purpose, the information contained in the intensity image is used to interpolate between the pixels of the distance image. For example, it can be assumed that a uniform distance value can also be assigned to a segment of the intensity image with homogeneous brightness. If a distance pixel now lies in the respective segment, a region of the distance image corresponding to the segment of the intensity image can be filled with distance values which correspond to the distance value of the distance pixel in the respective segment.
Umgekehrt kann am Intensitatsbild eine objektorientierte Seg- mentierung vorgenommen werden. Bei der Segmentierung von In- tensitatsbildern tritt nämlich häufig das Problem auf, dass Objektbereiche mit unterschiedlicher Helligkeit oder Einfar- bung unterschiedlichen Segmenten zugeordnet werden. Ein Schattenwurf auf einem Objekt kann beispielsweise dazu fuh- ren, dass der abgeschattete Bereich einem bestimmten Segment zugeordnet wird, wahrend der voll ausgeleuchtete Bereich als separates Segment behandelt wird. Wenn die beiden Segmente jedoch den gleichen Entfernungswert aufweisen, können die beiden Segmente in Verbindung gebracht werden.Conversely, an object-oriented segmentation can be performed on the intensity image. In fact, the segmentation of intensity images often involves the problem that object areas with different brightness or color are assigned to different segments. For example, a shadow cast on an object may cause the shaded area to be assigned to a particular segment while the fully illuminated area is treated as a separate segment. However, if the two segments have the same distance value, the two segments can be associated.
Gegenüber herkömmlichen Uberwachungsvorrichtungen bietet die Uberwachungsvorrichtung 1 eine Reihe von Vorteilen.Compared to conventional monitoring devices, the monitoring device 1 offers a number of advantages.
Im Gegensatz zu Lichtvorhangen, die aus mehreren Lichtschran- ken mit jeweils einem Sender und einem Empfanger bestehen, erfordert die Uberwachungsvorrichtung 1 nur einen geringen Montageaufwand und ist auch nicht anfallig gegen Storeinflus- sen auf Grund von Verschmutzung und Fremdpartikeln.In contrast to light curtains, which consist of several light barriers, each with a transmitter and a receiver, the monitoring device 1 requires only little installation effort and is also not prone to Storeinflus- sen due to contamination and foreign particles.
Die Uberwachungsvorrichtung 1 ist ferner auch sonst wenig fehleranfallig und kann mit einem geringen Wartungsaufwand betrieben werden, im Gegensatz zu Laserscannern, die einen Raumbereich mit einem rotierenden Laserstrahl überwachen.The monitoring device 1 is also less error-prone otherwise and can be operated with low maintenance, in contrast to laser scanners that monitor a spatial area with a rotating laser beam.
Gegenüber Uberwachungskameras, die lediglich eine zweidimensionale Verarbeitung von Grauwertbildern bieten, ist die Uberwachungsvorrichtung 1 wesentlich zuverlässiger, da die zuverlässige Funktion der Uberwachungsvorrichtung 1 nicht von der Beleuchtung des Raumbereichs 2 abhangt und die Uberwa- chungsvorrichtung 1 auch nicht durch unerwünschte Oberflachenreflexion am zu erfassenden Objekt 3 hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit beschrankt ist. Die Integration der Lichtempfanger 14 und der Detektorelemente im Detektor 9 bietet darüber hinaus den Vorteil, dass die Uberwachungsvorrichtung 1 kompakt und kostengünstig aufgebaut werden kann, da die Optik 11 für den Detektor 9 sowohl von den Lichtempfangern 14 als auch den Detektorelementen 15 verwendet werden kann. Durch die feste Raumbeziehung zwischen Lichtempfangern 14 und Detektorelementen 15 entfallt ferner die Notwendigkeit, die Position der Lichtempfanger 14 bezuglich der Detektorelemente 15 durch Kalibrierungen festzustel- len.Compared with surveillance cameras, which only provide a two-dimensional processing of gray scale images, the monitoring device 1 is much more reliable, since the reliable function of the monitoring device 1 does not depend on the illumination of the spatial area 2 and the monitoring device 1 not by unwanted surface reflection on the object to be detected. 3 is limited in terms of their reliability. The integration of the light receivers 14 and the detector elements in the detector 9 also offers the advantage that the monitoring device 1 can be constructed compact and inexpensive, since the optics 11 for the detector 9 can be used by both the light receivers 14 and the detector elements 15. The fixed spatial relationship between the light receivers 14 and detector elements 15 also eliminates the need to determine the position of the light receivers 14 relative to the detector elements 15 by calibrations.
Es sei angemerkt, dass die Uberwachungsvorrichtung 1 auch für Fahrerassistent-Systeme in der Automobiltechnik zur Erfassung von für den Verkehr relevanten Objekten, zum Beispiel von Fahrzeugen, Fußgängern oder Hindernissen verwendet werden kann .It should be noted that the monitoring device 1 can also be used for driver assistant systems in automotive technology for detecting traffic-relevant objects, for example vehicles, pedestrians or obstacles.
Ferner kann die Uberwachungsvorrichtung 1 auch zur Aufnahme von Bildsequenzen dienen. Furthermore, the monitoring device 1 can also be used to record image sequences.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zur Aufnahme von Entfernungsbildern mit einer Lichtpulse aussendenden Lichtquelle (4), mit einer Viel- zahl von Lichtempfängern (14) und mit einer den Lichtempfängern (14) nachgeschalteten Auswerteeinheit (12), die die Lichtlaufzeit der Lichtpulse bestimmt und anhand der Lichtlaufzeiten ein Entfernungsbild erstellt, dadurch gekennzeichnet, dass den Lichtempfängern (14) eine Vielzahl von Detektorelementen (15) zugeordnet ist, die von der Auswerteeinheit (12) zum Erzeugen eines Intensitätsbilds auslesbar sind.1. A device for recording distance images with a light pulse emitting light source (4), with a plurality of light receivers (14) and with the light receivers (14) downstream evaluation unit (12) which determines the light transit time of the light pulses and based on the light transit times a distance image created, characterized in that the light receivers (14) is associated with a plurality of detector elements (15) which are readable by the evaluation unit (12) for generating an intensity image.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelemente (15) zwischen den Lichtempfängern (14) verteilt sind.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the detector elements (15) between the light receivers (14) are distributed.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelemente (15) zu den Lichtempfängern (14) in einer festen räumlichen Beziehung stehen.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the detector elements (15) to the light receivers (14) are in a fixed spatial relationship.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelemente (15) und die Lichtempfänger (14) in ein Bauelement integriert sind.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the detector elements (15) and the light receiver (14) are integrated in a component.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtempfänger (14) eine geringere räumliche Auflösung als die Detektorelemente (15) aufweisen.5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the light receiver (14) have a lower spatial resolution than the detector elements (15).
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe einer vor den Lichtempfängern (14) angeordneten Optik (8) jeweils ein von der Lichtpulse aussendenden Licht- quelle (4) mit Licht beaufschlagter Beleuchtungspunkt (7) auf einen Lichtempfänger (14) abgebildet sind.6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that with the aid of one in front of the light receivers (14) arranged optics (8) each one of the light pulses emitting light Source (4) acted upon by light illumination point (7) on a light receiver (14) are mapped.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungspunkte (7) von einem vor der Lichtpulse aussendenden Lichtquelle (4) angeordneten Beugungsgitter (6) erzeugt sind.7. Apparatus according to claim 6, characterized in that the illumination points (7) are arranged by a light source (4) emitting light source (4) arranged diffraction gratings (6).
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Belichtung der Detektorelemente (15) eine separate kontinuierliche Lichtquelle (10) vorgesehen ist.8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that for the exposure of the detector elements (15) a separate continuous light source (10) is provided.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Auswerteeinheit (12) eine Bildverarbeitungseinheit (13) nachgeschaltet ist, die der Verarbeitung des Entfernungsbildes und des Intensitätsbildes dient.9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the evaluation unit (12) an image processing unit (13) is connected downstream, which serves the processing of the distance image and the intensity image.
10. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildverarbeitungseinheit (13) das Intensitätsbild anhand des Entfernungsbildes segmentiert.10. The device according to claim 10, characterized in that the image processing unit (13) segments the intensity image based on the distance image.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildverarbeitungseinheit (13) die Auflösung des Entfernungsbild anhand des Intensitätsbildes erhöht.11. The device according to claim 9 or 10, characterized in that the image processing unit (13) increases the resolution of the distance image based on the intensity image.
12. Verfahren zur Verarbeitung von Bildern räumlicher Objekte (3) , bei dem mit Hilfe eine Lichtlaufzeitmessvorrichtung (4-9,14) mit nachgeschalteter Auswerteeinheit (12) ein Entfernungsbild erstellt wird, das von einer Bildverarbeitungs- einheit (13) verarbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass von der Bildverarbeitungseinheit (13) eine von Detektorelementen (15) aufgenommenes Intensitätsbild anhand des Entfernungsbildes segmentiert wird.12. A method for processing images of spatial objects (3), wherein by means of a light transit time measuring device (4-9,14) with downstream evaluation unit (12) a distance image is created, which is processed by an image processing unit (13), characterized marked that from the image processing unit (13) an intensity image taken by detector elements (15) is segmented on the basis of the distance image.
13. Verfahren zur Verarbeitung von Bilder räumlicher Objekte (3) , bei dem mit Hilfe einer Lichtlaufzeitmessvorrichtung (4- 9,14) mit nachgeschalteter Auswerteeinheit (12) ein Entfernungsbild erstellt wird, das von einem Bildverarbeitungseinheit verarbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass von der Bildverarbeitungseinheit (13) die räumliche Auflösung des Entfernungsbilds anhand des Intensitätsbildes erhöht wird. 13. A method for processing images of spatial objects (3), wherein by means of a light transit time measuring device (4- 9,14) with downstream evaluation unit (12) a distance image is created, which is processed by an image processing unit, characterized in that of Image processing unit (13), the spatial resolution of the distance image is increased based on the intensity image.
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