EP3724676A1 - Sensorsystem zum dreidimensionalen erfassen einer szene mit verschiedenen photonenakkumulationen - Google Patents

Sensorsystem zum dreidimensionalen erfassen einer szene mit verschiedenen photonenakkumulationen

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EP3724676A1
EP3724676A1 EP18825924.6A EP18825924A EP3724676A1 EP 3724676 A1 EP3724676 A1 EP 3724676A1 EP 18825924 A EP18825924 A EP 18825924A EP 3724676 A1 EP3724676 A1 EP 3724676A1
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EP
European Patent Office
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scene
sensor
sensor system
light
illumination
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18825924.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Urs Hunziker
Johannes Eckstein
Christian Seiler
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Bircher Reglomat AG
Original Assignee
Bircher Reglomat AG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3724676A1 publication Critical patent/EP3724676A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present invention relates to a sensor system and a method for three-dimensional acquisition of a scene based on transit time measurements. Furthermore, the present invention relates to several uses of such
  • Actuators operated closing body used, which facilitate the handling of the respective closure body for operators or operated fully automatically without any action, for example, when an object to be passed the opening passes into the region of the opening.
  • Such an opening may, for example, be a passageway in a building.
  • Closing body may for example be a door or a gate.
  • such a sensor system cause automatic opening of the closing body or the opening.
  • a sensor system or a data processing device connected downstream of such a sensor system uses known methods of image processing
  • a face recognition for example, a face recognition.
  • a 3D sensor system for the field of application of the monitoring of automatically opening doors and / or gates, which is based on the principle of transit time measurement of light beams emitted by illumination sources and after an at least partial reflection or 180 ° Backscatter be detected by a light receiver.
  • Such sensor systems are commonly referred to as "time-of-flight” (TOF) sensor systems.
  • TOF sensor systems have the disadvantage that with
  • the intensity of the (backscattered) measuring light to be detected by a light receiver of the TOF sensor is weakened in two respects. In the case of a punctiform illumination light source without a special focus, it scales
  • Attenuation of the illumination light emitted by the illumination sources with l / d / 2, where d is the distance to the illumination light source.
  • d is the distance to the illumination light source.
  • Illumination light is scattered isotropically, perceived as a point light source. As a result, this leads to a l / d 'scaling of the intensity of the received measurement light.
  • beamforming realized in any manner, for example focusing, of the illumination light, of the measuring light and / or in the case of non-isotropic scattering of the illumination light with a preferred beam
  • the described sensor system includes (a) a sensor for measuring distances based on a light transit time; (b) a control unit for controlling the operation of the sensor such that (bl) accumulates a first number of photons upon a first acquisition of the scene per pixel of the sensor and (b2) a second acquisition of the scene per pixel of the sensor amount of
  • Photons is accumulated, the second number being greater than the first number; and (c) a downstream of the sensor
  • a data processing device configured to evaluate the scene based on a first result of the first capture of the scene and / or a second result of the second capture of the scene.
  • the sensor system described is based on the knowledge that two different (image) data sets can be made available for energy-efficient three-dimensional detection and evaluation of a scene of a data processing device, in which case at least in one sub-region a light receiver of the sensor per pixel a different number of photons were accumulated or collected. Since a relative pixel error caused by an ever-present statistical (photon) noise is smaller with a larger number of photons accumulated per pixel, the statistical accuracy of scene detection becomes larger when a larger number of photons per pixel are accumulated.
  • the data processing device can decide, depending on a respectively detected characteristic of the scene, whether the first result or the second result is used for a (sufficiently accurate) scene evaluation. A combination of the two results in terms of the most accurate scene evaluation is possible.
  • the respectively required accuracy of the scene evaluation may depend on the current and / or on an earlier determined optical characteristic of the scene.
  • an evaluation of the first result of the first detection of the scene which does not have sufficient accuracy for at least a partial area of the scene, can
  • control unit may be made to cause the second capture of the scene with a second number of photons accumulated per pixel. Also, the control unit can
  • the "different number of photons accumulated per pixel” may refer to a fixed predetermined period of time, which is determined, for example, by the repetition rate of a repetitive reading of the pixels. This may in particular mean that the time voltage is determined by the time difference between two consecutive pixel readings. In this case, the absolute number of accumulated photons available for one pixel of an image or result is different for both acquisitions. The image with the higher number of photons accumulated per pixel is then the more accurate image, which in particular has a lower (photon) noise.
  • the periods of time during which the respective photons are accumulated may be different for the two acquisitions.
  • this "difference" may be chosen such that the absolute number of photons accumulated per pixel is the same in both acquisitions.
  • the image associated with the shorter amount of time may be used for scene detection with a higher temporal resolution, which may be particularly advantageous in fast moving objects.
  • control unit may provide that of a total number of first acquisitions and second acquisitions, one of the two types of acquisitions that requires more energy will only account for a certain percentage. In this case, the energetically more complex observations can be used for a more accurate scene capture.
  • the term "scene” may in particular be understood to mean that spatial area which is optically detected by the sensor system. Objects in the scene are recognized by a suitable image analysis.
  • the data processing device can make use of known methods for image evaluation and / or image analysis.
  • the Data processing device may accordingly be an image processing processor configured to apply known methods for image evaluation and / or image processing.
  • characteristic of a scene can be understood as the entirety of all spatial structures which are detected by the sensor. In this case, some structures can be recognized as being relevant and other structures as being less or even irrelevant by the data processing device by means of image processing and / or image recognition.
  • the term "result" may in particular be an analysis of an image captured by the sensor or of a part of an image.
  • the result may also be at least one piece of information about an object in the scene.
  • Such information may be the type of object that (optical)
  • the "measurement light” are the electromagnetic waves scattered back and forth from the object, which are received by the light receiver of the sensor and used for the three-dimensional evaluation of the scene, together with the corresponding TOF distance information.
  • optical and / or “light” may refer to electromagnetic waves having a particular wavelength or frequency or a particular spectrum of wavelengths or frequencies.
  • the electromagnetic waves used can be assigned to the spectral range visible to the human eye.
  • electromagnetic waves associated with the ultraviolet (UV) or infrared (IR) spectral regions may also be used.
  • the IR spectral range can extend into the long-wave IR range with wavelengths between 3.5 pm to 15 pm, which are determined by means of the
  • Light receiver of the sensor can be detected.
  • the sensor system further has a holder which is mechanically coupled to the sensor, wherein the holder is designed such that the sensor system can be attached to a stationary holding structure with respect to the scene to be detected.
  • the holder ensures that the described sensor system can be a stationary system which has a certain spatially fixed detection range and thus always monitors the same scene.
  • spatially stationary objects that are present in the scene can be detected in an image analysis and hidden in a further image analysis with respect to movement profiles.
  • computing power can be saved and the energy efficiency of the described sensor system can be improved.
  • the stationary support structure may be directly or indirectly mechanically coupled to a device for controlling a coverage characteristic of an opening to be passed through the object by at least one closure body.
  • this device in addition to a suitable guide or
  • the opening may be an entrance, for example for a person or a vehicle
  • the closure body may be a door, for example a front door or a garage door.
  • Holding structure may be, for example, the stationary frame structure of an entrance, such as the frame of a door.
  • Data processing device is further configured such that a
  • Covering characteristic of an opening to be passed by an object by at least one closing body is controllable.
  • the opening which is, for example, an entrance (or an exit) of a building
  • the closing body can be moved automatically between an open position and a closed position.
  • control unit has an interface and the control unit is further configured such that the accumulation of the first number of photons and / or the accumulation of the second number of photons is controllable by an external control signal.
  • the described interface allows external control of the operation of the sensor device.
  • the accuracy of at least one of the two scene captures can be adapted to the respective requirements.
  • an external trigger signal simply between the two types of detection with different
  • the external control signal may be indicative of the state of a system attached to the sensor system, for example, a
  • Monitoring system an automatic door opening system, etc. Further, e.g. be detected by another sensor that an object in
  • Movement is, which can be reliably detected even with "little accumulated photons". In this case, it is sufficient if an energy-consuming, more complex second acquisition of the scene is not carried out so frequently in comparison with the less energy-consuming first acquisition of the scene. Possibly. For example, after a one-time scene capture of the second type, the scene can only be performed with first acquisitions (of the first type).
  • the interface is connected to a manually operated button for activating an automatic door.
  • the control signal transmitted via the interface may then cause the scene to be detected in a room area located near the relevant door opening with a raised area
  • Accuracy is performed.
  • Such a different accuracy for different subregions of the scene can, for example, be achieved by a targeted combination of pixels by means of so-called binning, which
  • the first capture of the scene takes place with a first one Exposure time and the second detection of the scene takes place with a second exposure time, which is longer than the first exposure time.
  • Sensor systems can determine configuration and / or
  • Measurement parameters are, for example, (a) the (expected) distance to an object to be detected, (b) an energy available for the operation of the sensor system, in particular for a (pulsed or temporally modulated) illumination of the scene, which illumination is required for a TOF measurement is, (c) an optical reflection and / or scattering behavior of the surface of a
  • Data processing device coupled to the control unit and the
  • Data processing device is further configured, depending on the first result and / or the second result via the control unit
  • the (different) photon accumulation can be adapted dynamically to the characteristic of the three-dimensional scene to be detected.
  • the characteristic of the scene depends on the actual (and not the expected) optical properties of at least one object of the scene. Therefore, the scene evaluation dependent control of photon accumulation provides a control mechanism for the
  • a suitable photon accumulation can also be found by a learning process in which one and the same scene is recorded and evaluated multiple times or in which scenes are similarly recorded and evaluated. It is further pointed out that a repetition rate or frequency with which subsequently the scene with first acquisitions and / or with second acquisitions is detected and evaluated can also depend on the first result and / or on the second result. For example, one can
  • scene capture and scene evaluation can be performed at a comparatively high repetition rate.
  • the high repetition rate may be based on first scene acquisitions with a first photon accumulation and / or on second scene captures with a second photon accumulation
  • control unit and the sensor are configured in such a way that the second number of accumulated photons, which is higher in comparison to the first number, is realized by combining adjacent single pixels into one pixel.
  • Summing up pixels which is also known as binning, has the advantage of being uncomplicated and also fast or dynamic
  • Binning can also be performed locally in only at least a portion of the active surfaces of the light receiver. Although this leads to an inhomogeneous spatial resolution, which is not necessarily desired. The disadvantage of such inhomogeneous spatial resolution However, it is overcompensated in many applications by the advantages of different photon accumulation described above.
  • a local "binning" can, at least in some known sensors without special electronic or apparatus elements simply by a
  • control determines the "binning" and thus the operating mode of the sensor.
  • the binning described also responds to at least one previously detected and evaluated
  • Scene characteristic (automatically) can be activated.
  • the senor has an illuminating device for emitting illuminating light onto an object to be detected in the scene and a light receiver for receiving measuring light, which is illuminating light scattered at least partially on an object of the scene and impinging on the light receiver.
  • the sensor is configured to measure the light propagation time based on (a) a measurement of the time between emitting a pulse of the illumination light and receiving the measurement light or measurement light pulse associated with the pulse and / or (b) measuring a phase shift between a temporal modulation of the illumination light and an associated modulation of the
  • the described sensor system can be realized in a suitable manner depending on the particular application.
  • the sensor is configured such that it is possible to switch between the two different measurement principles "pulse mode" and “phase measurement” flexibly or, if necessary, between the two different measurement principles.
  • Lighting device configured to provide the illumination light with a deviating beam cross section of a circular shape. This has the advantage that in scenes which are "not round", insufficient illumination of Corner areas of the scene can be avoided. Although insufficient illumination of the corner regions could possibly be prevented by an overall increased intensity of the illumination light, in this case the middle regions of the scene would be overexposed, which would be very disadvantageous, at least from an energetic point of view.
  • the illumination light has a rectangular beam cross section.
  • the beam cross-section is adapted to achieve as homogeneous as possible illumination of the shape he scene to be detected.
  • Suitable shaping of the beam cross section can not only be achieved by a corresponding shaping of the luminous area of the illumination device, but also the beam cross section can be suitably adapted by optical components such as mirrors and refractive optical elements (for example lens system). Diffractive optical elements (DOEs) can also be used, which optionally even allow a dynamic and / or scene-dependent shaping of the beam cross-section.
  • DOEs diffractive optical elements
  • Lighting device configured to emit for the first detection of the scene, the illumination light with a first illumination intensity and for the second detection of the scene, the illumination light with a second
  • Emitting illumination intensity wherein the second intensity is greater than the first intensity.
  • the first illumination intensity and / or the second illumination intensity may be homogeneous or alternatively inhomogeneous over the entire scene.
  • an inhomogeneous lighting Intensity preferably those portions of the scene are illuminated with a higher illumination intensity, which are particularly relevant for object detection or in which are relevant objects of the scene.
  • the characteristic of the illumination in particular the illumination intensity, depending on the ambient light and / or the ambient conditions can be adjusted. So, for example, at an intense illumination
  • the sunlight has to be "drowned out”.
  • An adaptive control or regulation of the operation of the illumination device with, if possible, a reduction of the intensity of the illumination light thus enables an energetically efficient operation of the sensor system.
  • Sunlight and / or external disturbance can significantly degrade TOF measurement conditions.
  • the described sensor system can still work (with a reduced range of functions). For example, by a reduced frequency or
  • Lighting device (i) at least indirectly coupled to the data processing device and (ii) configured to control a lighting characteristic of the emitted illumination light in response to the first result and / or the second result.
  • At least one of the two results is a controlled variable for adjusting the characteristic of the lighting.
  • a dynamic adaptation of the illumination to a previously detected and expected scene characteristic of the scene can advantageously be carried out, and a scene-dependent, at least approximately optimal illumination can be realized.
  • the control of the lighting device can be of current
  • Ambient conditions may be weather conditions such as the presence of rain, snow, hail, fog, smoke, suspended particles, etc. in the scene.
  • Lighting device configured, the lighting characteristic of the emitted illumination light in response to an external
  • the control signals can via a corresponding data input of the
  • Sensor system in particular a data input of the control unit, are received.
  • the control of the illumination device can be carried out by the control unit of the sensor system described above become.
  • a control or adaptation of the lighting characteristic can therefore not (only) of those generated in the context of the TOF measurement
  • a suitable adaptation of the illumination characteristic takes place externally.
  • external control signals can be indicative of all features and / or states which have an influence on the backscattering behavior of the
  • Such a feature is, for example, a (color) change of an object to be detected and / or an object newly entering or leaving the scene, which object
  • Lighting characteristic determined by at least one of the following features: (a) illumination intensity for at least a portion of the scene, (b) differences in illumination intensity between different
  • Illumination light and (f) intensity distribution for different
  • the objects to be recognized can be illuminated particularly well and recognized as a result with particularly high accuracy and reliability.
  • a partial area can be assigned to exactly one pixel of the sensor.
  • the wavelength, frequency or color of the illumination light and the spectral distribution of the illumination light can by a suitable control of spectrally different light-emitting elements, in particular LEDs with
  • the selected wavelength or spectral distribution of the illumination light may depend on the color and thus on the optical backscattering behavior of the object.
  • the polarization direction of the illumination light can be adjusted in a known manner, for example by the use of polarization filters.
  • All mentioned characteristic features can optionally be adapted dynamically to changing scenes, so that the best possible illumination of the scene can always be achieved. This can be an optimal
  • Lighting characteristic can also be determined according to the principle of "try-and-error” or by other statistical optimization procedures. This can be done dynamically during a real operation of the sensor system or as part of a calibration by means of a detection of suitable reference objects.
  • the method includes (a) providing a sensor for measuring distances based on a light transit time; (b) controlling the operation of the sensor such that (bl) accumulates a first number of photons upon a first detection of the scene per pixel of the sensor and (b2) on a second detection of the scene per pixel of the sensor a second number Photons is accumulated, the second number being greater than the first number; and (c) a
  • Data processing device based on a first result of the first detection of the scene and / or a second result of the second detection of Scene.
  • the method described is based on the knowledge that the scene can be detected and evaluated in an energy-efficient manner by three-dimensional recording and evaluation of a scene based on two different (image) data sets. In order to achieve a certain degree of accuracy, it is not always necessary to carry out that scene detection and scene evaluation, which is the more complex from the energy point of view.
  • the method further comprises (d) detecting an object in the scene; (e) comparing the detected object with at least one comparison object; and,
  • the approved action may, for example, be an authorized passage through an opening in a building, which opening is closed by a closure body prior to identification as an approved object and is opened only after successful identification by a corresponding movement of the closure body.
  • the objects to be identified may preferably be persons and / or vehicles. Successful identification may be to control or activate a closure mechanism for a closure body prior to opening a building.
  • Embodiments is merely determined by a (very simple) object recognition that it is a living object to a human and not an animal, such as a bird or a bat, is. An opening of the passage can then take place only if a human was recognized.
  • 3D TOF (depth) information of the sensor can at Persons, for example, a reliable face recognition can be realized, which can be used to activate a shutter mechanism.
  • certain areas of the scene for example, by a
  • Covering characteristic of an opening to be passed by an object by at least one closing body is
  • Covering characteristic which is controlled by the described sensor system or at least co-controlled. Because such sensor systems
  • Sensor system can be monitored in an energetically efficient manner and larger distances, which naturally leads to an earlier detection of an opening requirement of the closure body, which can be of great advantage, especially in fast-moving objects. Furthermore, the scene can be detected with a wider detection angle, which, for example, leads to an early detection of itself transversely to the opening
  • the opening is an entrance or an exit, in particular an emergency exit in a building.
  • an input or output monitors in particular a blocked emergency exit detected, and the corresponding information to an affiliated system, for example, to a monitoring system, transmitted.
  • the object is a person or a vehicle.
  • the building may in particular be a house or a garage.
  • a sensor system described above for detecting and / or controlling traffic flows of objects moving through a scene of the sensor system, the scene being represented by a spatial
  • Detection range of the sensor system is determined. This described use is based on the finding that it is in a traffic detection and / or traffic flow control on a
  • Energy-efficient sensor technology arrives, since this sensor is typically constantly in operation.
  • the objects relevant to the traffic flow in question can be, for example, persons, vehicles, products such as e.g. Be packages, suitcases, etc. Since a plurality or even a multiplicity of 3D sensors are usually used for such applications, energy savings have a particularly positive effect here.
  • TOF-based sensor systems can be subdivided into two fundamentally different classes both with regard to the illumination light and with regard to the measurement light, which can be combined as desired.
  • Bl The first alternative (Bl) for the lighting is characterized by the fact that the scene by means of a single illumination light beam high
  • Focusing and low divergence ie high collimation is scanned sequentially. For each position of the illumination light beam in the scene, a measurement of the duration of the illumination light and the measurement light
  • the scanning can be realized using movable optical components, in particular mirrors. Alternatively or in
  • Combination can be used for sequential scanning of the scene with the
  • Illuminating light beam can be used a solid body, which manages without mechanically moving parts and has integrated photonic structures or circuits. With a suitable control of these structures, the illumination light beam is then directed to the desired location of the scene.
  • a solid is known for example from US 2015/293224 Al.
  • B2 The second alternative (B2) for lighting is characterized by the fact that the entire scene is illuminated (all at once and flatly). If necessary, the intensity of the illumination light in selected subregions of the scene can be (selectively) increased in order to enable improved 3D object detection at these locations. Such spatially uneven distribution of the illumination light can be done without moving optical components
  • DOE Diffractive optical element
  • Ml A first alternative (Ml) for the measurement is based on pulsed
  • Illumination light beams In this case, a "travel time" of a light pulse is detected on the receiver side for each pixel within a time window, and the distance is derived therefrom.
  • M2 The second alternative (M2) for the measurement is based on a temporal, preferably sinusoidal, modulation of the illumination light with a predetermined frequency, with appropriate values for this frequency depending on the expected transit time or the maximum detection distance.
  • the phase difference is measured for each pixel and derived therefrom the distance information.
  • Both measuring principles Ml and M2 are based on an integration of the number of photons or the photoelectrons generated in the light receiver, which arrive on each pixel to be measured.
  • an ever-present light or photon noise depends on the number of photons accumulated in a pixel. Therefore, the higher the number of accumulated photons, the more accurate the distance information obtained from the TOF measurement becomes.
  • Figure 1 shows the use of a sensor system for controlling a
  • Figure 2 shows the use of a sensor system for detecting a
  • FIGS. 3a and 3b illustrate a collection of single pixels of a light receiver.
  • FIGS. 4a to 4c show different beam cross sections of an illumination light for adapting the illumination to the shape of the illumination
  • Embodiment are the same or at least functionally identical, are provided with the same reference numerals or reference numerals, which are identical in the last two digits with the reference numerals of corresponding same or at least functionally identical features or components.
  • reference numerals or reference numerals which are identical in the last two digits with the reference numerals of corresponding same or at least functionally identical features or components.
  • the light receiver can optimize the optical energy of the measuring light by illuminating the scene differently, depending on the nature of the scene.
  • monitored zone can easily be done with a "wake-up delay", which allows monitoring with a less powerful inside
  • illumination light This can be realized by a function-dependent illumination in which an energy optimization can be achieved by controlling the radiation-beam-dependent illumination energy over a time average. Different strategies can be used.
  • the illumination intensity of at least one individual element can be varied with respect to the other elements. This variation can already be constructive in the construction of the corresponding
  • Lighting device can be realized, for example by the use of light emitting diodes of different intensity. Alternatively or in combination, this can also be achieved by the type of control of the LEDs, each with an individually adjustable current.
  • individual power control can also be performed dynamically during operation of the sensor system. So can
  • Lighting beam scanning the entire scene sequentially or scan is typically at any time the current solid angle of the
  • Illuminating beam By varying the intensity of the
  • illumination light can thus be controlled or regulated in a controlled manner depending on the optical characteristic of the detected scene (and optionally with dynamic control or regulation depending on the intensity of the measurement light scattered back from the respective solid angle).
  • illumination light ray
  • a static scene can be measured, with the appropriate intensity for each solid angle being taught to illuminating light.
  • An optional dynamic adjustment of the illuminating light intensity can be carried out both in real time, in that those solid angle ranges from which only a small intensity of measuring light is received, directly, i. without delay, be more illuminated.
  • Such a variation may also be adaptive from one scene capture to the next
  • the frequency or repetition rate of entire scene acquisitions can also be adjusted if necessary reduce (and turn off the lighting between the scene captures), which also contributes to a (further) energy savings.
  • the frequency or the repetition rate of scene captures to reduce. With only halving the frequency, this results in a nearly 50% saving in energy consumed by the sensor system.
  • the illumination intensity in a portion of the scene can be selectively focused by appropriate focusing of the scene
  • Illumination light can be increased. Although the lateral resolution of the scene detection decreases, because such a focusing part of the
  • Subarea is supplied with less illumination light than another part of this subarea. However, if such a measure still provides a sufficient spatial resolution for the particular application
  • FIG. 1 shows the use of a sensor system 100 for controlling a coverage characteristic of an opening 184 depending on the characteristic of a scene 190 monitored by the sensor system 100.
  • the opening 184 is a passenger entry into a building or garage entrance for motor vehicles a garage.
  • the corresponding input structure is provided with the reference numeral 180.
  • the input structure 180 includes a stationary support structure 182 which includes a frame and a guide for two sliding doors
  • Closing 186 represents.
  • the sliding doors 186 can each be represented by means of a motor 187 along the two thick double arrows
  • Move instructions are moved.
  • the actuation of the motors 187 takes place, as explained below, by means of the sensor system 100 described in this document.
  • the sensor system 100 has a TOF sensor 110, a control unit 140, a data processing device 150 and a database 160.
  • the TOF sensor 110 contains all the optical components of the sensor system 100
  • the sensor system 100 (as opposed to the representation of FIG. 1) is preferably constructed as a module which, in addition to the TOF sensor 110, also has the control unit 140, the data processing device 150 and the database 160 within a compact design.
  • control unit 140 has an interface 142 via which an external control signal 142a can be received.
  • the external control signal may be from an attached system (not shown), such as a
  • Monitoring system which controls the operation of the sensor device 100 depending on external parameters.
  • an external parameter may, for example, be a previously known object property.
  • Signaling data transmitted via the interface 142 may also include information about the detected and evaluated scene 190.
  • Such information may be, for example, the information that a license plate advertised for search was recognized, that a parking lot was illegally occupied, that a suspicious object is in the monitored scene 190, etc.
  • a corresponding flow of information is provided by the sensor system 100 More specifically, from the control unit 140 to the attached system.
  • the data processing device 150 is also provided with an interface 152, which can also receive an external control signal, which is provided with the reference numeral 152a.
  • This control signal 152a can be used to make the operation of the data processing device 150 at least partially dependent on external information.
  • an a priori knowledge about an object 195 can be transmitted via the control signal 152a for an improved evaluation of the detected scene 190.
  • the scene detection is done by a "two-stage detection" with different ones
  • the TOF sensor 110 comprises an illumination device 130, for example an array of light-emitting diodes, which illuminates the scene 190 and thus also the object 195 in the scene 190 with a pulsed and temporally modulated illumination light 131. Further, the TOF sensor 110 includes a Light receiver 120, which receives illumination light 131 backscattered from the object 195, which is referred to as measuring light 196 in this document.
  • the spatial detection of the scene 195 takes place on the basis of the principles explained in detail above of a transit time measurement, which is also referred to as Time Of Flight (TOF) measurement.
  • TOF Time Of Flight
  • the corresponding TOF data is transferred to the data processing device 150. This can be done directly or indirectly via the control unit 140.
  • the illumination device 130 in addition to the illumination units shown in Figure 1 can also have other lighting units that illuminate the scene 190 from a different angle. Likewise, the two lighting units can also be arranged outside the housing of the TOF sensor 110 and thus of the
  • Light receiver 120 further spaced.
  • the detected optical scene 190 is identified by means of suitable methods
  • first data are obtained from the above-described first scene capture with the first photon accumulation and / or second data from the second one described above
  • an image of the scene 190 with the first is within certain time intervals
  • the data processing device 150 is capable of determining not only its velocity as an absolute value but as a motion vector (with direction information) based on respective positional shifts of the object 195.
  • a knowledge of the exact position and / or the movement profile of the object 195 can then be advantageously used to both motors 187 in a suitable manner by the data processing device 150 to control.
  • the sliding doors 186 are only opened when the object 195 actually moves in the direction of the opening 184. If the object 195 is a vehicle of so-called cross-traffic, which essentially moves past the opening 184, then the corresponding motion vector of the
  • Data processing device 150 is detected and there is no opening of the sliding doors 186th
  • the sensor system 100 is also capable of performing object recognition. This is what the
  • Data processing device 150 to a stored in the database 160 record of reference objects corresponding to selected objects that are authorized to pass through the opening 184.
  • the sliding doors 186 are opened only when the detected object 195 at least approximately coincides with one of the stored reference objects.
  • the coverage characteristic of the opening 184 depends not only on the motion profile of the object 195, but also that object-based access control still takes place.
  • FIG. 2 shows a further use or a further use of the invention
  • the TOF sensor 110 detects a traffic flow of (different) objects 295a, 295b, 295c, 295d, and 295e that are on a conveyor belt 298 and move through a scene 290 along the direction of movement represented by an arrow.
  • Reliable knowledge of the number and / or type of objects 295a-295e may be used in the field of logistics for traffic flow control. Merely an example of such control of a
  • Traffic flow is the control of luggage transport in an airport.
  • labels on the relevant objects 295a - 295e can also determine the type of the respective object. It should be noted, however, that use in an airport is just one example of a variety of other traffic control applications.
  • FIGS. 3a and 3b illustrate a combination of individual pixels of a light receiver 320a designed as a semiconductor or CCD chip
  • the light receiver 320a has a plurality of light-sensitive or
  • the pixels 322a are associated with the full spatial resolution of the light receiver 320a, which resolution is predetermined by the semiconductor architecture of the chip 320a.
  • the light receiver 320b four of the light-sensitive pixels (for a full resolution) are respectively added to a higher-level pixel 322b (for an increased resolution)
  • a pixel 322b accumulates four times as much light as compared to a single pixel 322a.
  • Such a “binning” reduces the required (minimum) intensity of the detected measuring light, which is needed to evaluate the corresponding image area of the scene. Since the intensity of the measurement light depends directly on the intensity of the illumination light, binning reduces the intensity of the illumination light and thus reduces the energy consumption of the sensor system.
  • the described "binning" can also be realized dynamically by a corresponding control of one and the same light receiver 320a or 320b.
  • the light receiver is either in a first operating mode (with full resolution) or in a second operating mode (with
  • Switching between different modes of operation may be controlled by external control signals. Alternatively or in combination, such switching may also depend on the result of a scene evaluation, so that the "binning" mode of operation is regulated for a next scene capture.
  • Portions of the scene with a higher spatial resolution (and less photon accumulation) and other portions of the scene with a lower spatial resolution (and higher photon accumulation) be recorded.
  • the described local and differently strong grouping of pixels can be dynamic or adaptive in exactly those
  • Subareas can be performed in which there is currently a specific object.
  • Figures 4a to 4c show different beam cross sections of a
  • a first illumination light 431a illustrated in FIG. 4a has a substantially circular beam cross section and is preferably suitable for "round scenes". However, for most applications which do not detect (and evaluate) a "round scene", a beam cross section deviating from a circular shape is suitable.
  • FIG. 4b shows an illumination light 431b with an elliptical beam cross section.
  • FIG. 4c shows
  • Illumination light 431c with a rectangular beam cross section.
  • optical components such as mirrors and refractive optical elements (e.g.
  • Lens system are suitably adapted to the scene to be detected.
  • Diffractive optical elements DOEs
  • DOEs can also be used, which optionally even allow a dynamic and / or scene-dependent shaping of the beam cross-section.
  • 322b parent pixel / pooled pixel a Round cross-section illumination lightb
  • Elliptical cross-section illumination lightc Illuminating light of rectangular cross-section

Landscapes

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Abstract

Beschrieben wird ein Sensorsystem (100) sowie ein Verfahren zum dreidimensionalen optischen Erfassen einer Szene (190). Das Sensorsystem (100) weist auf (a) einen Sensor (110) zum Messen von Distanzen basierend auf einer Lichtlaufzeit; (b) eine Steuereinheit (140) zum Steuern des Betriebs des Sensors (110) derart, dass bei einer ersten Erfassung der Szene (190) pro Pixel (322a) des Sensors (110) eine erste Anzahl an Photonen akkumuliert wird und bei einer zweiten Erfassung der Szene (190) pro Pixel (322b) des Sensors (110) eine zweite Anzahl an Photonen akkumuliert wird, wobei die zweite Anzahl größer ist als die erste Anzahl; und (c) eine dem Sensor (110) nachgeschaltete Datenverarbeitungseinrichtung (150), welche konfiguriert ist, die Szene (190) auszuwerten basierend auf einem ersten Ergebnis der ersten Erfassung der Szene (190) und/oder einem zweiten Ergebnis der zweiten Erfassung der Szene (190). Ferner werden verschiedene Verwendungen eines solchen Sensorsystems (100) beschrieben.

Description

Sensorsystem zum dreidimensionalen Erfassen einer Szene mit verschiedenen
Photonenakkumulationen
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorsystem sowie ein Verfahren zum dreidimensionalen Erfassen einer Szene basierend auf Laufzeitmessungen. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung mehrere Verwendungen eines solchen
Sensorsystems.
Hintergrund der Erfindung
Zum Öffnen und/oder Verschließen von Öffnungen werden häufig mittels
Aktuatoren betriebene Verschließkörper verwendet, welche für Bedienpersonen die Handhabung des betreffenden Verschließkörpers erleichtern oder ohne jede Bedienaktion vollautomatisch betrieben werden, wenn beispielsweise ein die Öffnung zu passierendes Objekt in der Bereich der Öffnung gelangt. Eine solche Öffnung kann beispielsweise ein Durchgang in einem Gebäude sein. Ein
Verschließkörper kann beispielsweise eine Tür oder ein Tor sein.
Um eine hohe Betriebssicherheit von automatisch zu öffnenden und zu
schließenden Verschließkörpern zu erreichen, ist es bekannt, den Bereich vor oder innerhalb einer mit einem Verschließkörper bedeckbaren Öffnung mittels eines optischen Sensorsystems zu erfassen. Damit kann zum einen sichergestellt werden, dass beim Verschießen der Öffnung nicht versehentlich ein Objekt, beispielsweise eine Person, von dem Verschließkörper eingeklemmt wird.
Außerdem kann bei manchen Applikationen ein solches Sensorsystem ein automatisches Öffnen des Verschließkörpers bzw. der Öffnung veranlassen. In diesem Zusammenhang ist es auch bekannt, dass ein solches Sensorsystem bzw. eine einem solchen Sensorsystem nachgeschaltete Datenverarbeitungs- einrichtung mittels bekannter Methoden der Bildverarbeitung eine
Objekterkennung durchführt und die Öffnung nur dann freigibt, wenn sich ein zum Passieren der Öffnungen befugtes Objekt dem Bereich der (noch
verschlossenen Öffnung) nähert. Eine solche Objekterkennung kann
beispielsweise eine Gesichtserkennung sein.
Aus EP 2 453 252 Bl ist für den Anwendungsbereich der Überwachung von automatisch zu öffnenden Türen und/oder Toren ein 3D-Sensorsystem bekannt, welches auf dem Prinzip der Laufzeitmessung von Lichtstrahlen beruht, die von Beleuchtungsquellen ausgesandt und nach einer zumindest teilweisen Reflexion bzw. 180° Rückstreuung von einem Lichtempfänger detektiert werden. Solche Sensorsysteme werden allgemein als "Time-of-Flight" (TOF) Sensorsysteme bezeichnet. TOF Sensorsysteme haben jedoch den Nachteil, dass mit
zunehmendem Abstand d des zu erfassenden Objekts die Intensität des von einem Lichtempfänger des TOF Sensors zu erfassenden (zurückgestreuten) Messlichts in zweifacher Hinsicht geschwächt ist. Im Falle einer punktförmigen Beleuchtungslichtquelle ohne eine spezielle Fokussierung skaliert diese
Schwächung des von den Beleuchtungsquellen ausgesandten Beleuchtungslichts mit l/d/ 2, wobei d der Abstand zu der Beleuchtungslichtquelle ist. Gleiches gilt für das Messlicht, wenn man eine Stelle des Objekts, an welcher das
Beleuchtungslicht isotrop gestreut wird, als Punktlichtquelle auffasst. Im Ergebnis führt dies zu einer l/d' Skalierung der Intensität des empfangenen Messlichts. Bei einer auf irgendeine Art und Weise realisierten Strahlformung, beispielsweise einer Fokussierung, des Beleuchtungslichts, des Messlichts und/oder bei einer nicht isotropen Streuung des Beleuchtungslichts mit einer bevorzugten
Aussendung des Messlichts in Richtung des Lichtempfängers, ist die
Intensitätsschwächung entsprechend geringer, trägt jedoch trotzdem zu einem signifikanten Verlust an Lichtleistung bei. Dies wiederum führt zu einer
entsprechend schlechten Energieeffizienz eines TOF Sensorsystems.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine aus energetischer Sicht effiziente und trotzdem zuverlässige dreidimensionale Erfassung einer Szene, welche auch relativ weit entfernte Objekte umfasst, zu ermöglichen.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen
Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Sensorsystem zum
dreidimensionalen optischen Erfassen einer Szene beschrieben. Das beschriebene Sensorsystem weist auf (a) einen Sensor zum Messen von Distanzen basierend auf einer Lichtlaufzeit; (b) eine Steuereinheit zum Steuern des Betriebs des Sensors derart, dass (bl) bei einer ersten Erfassung der Szene pro Pixel des Sensors eine erste Anzahl an Photonen akkumuliert wird und (b2) bei einer zweiten Erfassung der Szene pro Pixel des Sensors eine zweite Anzahl an
Photonen akkumuliert wird, wobei die zweite Anzahl größer ist als die erste Anzahl; und (c) eine dem Sensor nachgeschaltete
Datenverarbeitungseinrichtung, welche konfiguriert ist, die Szene auszuwerten basierend auf einem ersten Ergebnis der ersten Erfassung der Szene und/oder einem zweiten Ergebnis der zweiten Erfassung der Szene.
Dem beschriebenen Sensorsystem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für eine energieeffiziente dreidimensionale Erfassung und Auswertung einer Szene einer Datenverarbeitungseinrichtung zwei unterschiedliche (Bild)Datensätze zur Verfügung gestellt werden können, bei denen zumindest in einem Teilbereich eines Lichtempfängers des Sensors pro Pixel eine unterschiedliche Anzahl an Photonen akkumuliert bzw. gesammelt wurden. Da ein relativer Pixelfehler, verursacht durch ein stets vorhandenes statistisches (Photonen)Rauschen, bei einer höheren Anzahl an pro Pixel akkumulierten Photonen geringer ist, wird die statistische Genauigkeit der Szenenerfassung größer, wenn pro Pixel eine höhere Anzahl an Photonen akkumuliert wurde.
Bei dem erfindungsgemäßen Sensorsystem kann die Datenverarbeitungs- einrichtung abhängig von einer jeweils erfassten Charakteristik der Szene entscheiden, ob für eine (ausreichend genaue) Szenenauswertung das erste Ergebnis oder das zweite Ergebnis verwendet wird. Auch eine Kombination der beiden Ergebnisse in Hinblick auf eine möglichst genaue Szenenauswertung ist möglich.
Die jeweils erforderliche Genauigkeit der Szenenauswertung kann von der aktuellen und/oder von einer zu einem früheren Zeitpunkt bestimmten optischen Charakteristik der Szene abhängen. So kann zum Beispiel eine Auswertung des ersten Ergebnisses der ersten Erfassung der Szene, welche zumindest für einen Teilbereich der Szene keine ausreichende Genauigkeit hat, die
Datenverarbeitungseinrichtung dazu veranlassen, für eine gemeinsame
Szenenauswertung (alleine oder zusätzlich) das zweite Ergebnis der zweiten Erfassung der Szene heranzuziehen. Ferner kann, was aus energetischen
Gründen besonders effizient sein kann, die Steuereinheit dazu veranlasst werden, die zweite Erfassung der Szene mit einer zweiten Anzahl an pro Pixel akkumulierten Photonen zu veranlassen. Auch kann die Steuereinheit ein
Verhältnis zwischen einer ersten Anzahl an ersten Erfassungen und einer zweiten Anzahl an zweiten Erfassungen innerhalb einer bestimmten Zeitspanne auf geeignete Weise einstellen, so dass von denjenigen Erfassungen, welche einen höheren Energieaufwand erfordern, nur so viele (und nicht mehr) vorgenommen werden, wie es für eine geforderte Genauigkeit der Szenenerfassung und
Szenenauswertung erforderlich ist. Die "unterschiedliche Anzahl von pro Pixel akkumulierten Photonen" kann sich auf eine feste vorgegebene Zeitspanne beziehen, welche beispielsweise durch die Wiederholrate einer repetitiven Auslesung der Pixel bestimmt ist. Dies kann insbesondere bedeuten, dass die Zeitspannung durch die Zeitdifferenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pixelauslesungen bestimmt ist. In diesem Fall ist die absolute Anzahl der akkumulierten Photonen, die für ein Pixel eines Bildes bzw. Ergebnisses zur Verfügung steht, bei beiden Erfassungen unterschiedlich. Das Bild mit der höheren Anzahl an pro Pixel akkumulierten Photonen ist dann das genauere Bild, welches insbesondere ein geringeres (Photonen)Rauschen aufweist.
Alternativ können die Zeitspannen, in denen die betreffenden Photonen akkumuliert werden, für die beiden Erfassungen unterschiedlich sein. Diese "Unterschiedlichkeit" kann beispielsweise derart gewählt sein, dass die absolute Anzahl an pro Pixel akkumulierten Photonen in beiden Erfassungen gleich ist. Dann kann das Bild, welches der kürzeren Zeitspanne zugeordnet ist, für eine Szenenerfassung mit einer höheren zeitlichen Auflösung verwendet werden, was insbesondere bei schnell bewegten Objekten von großem Vorteil sein kann.
Die Steuereinheit kann beispielsweise dafür sorgen, dass von einer Gesamtzahl an ersten Erfassungen und zweiten Erfassungen eine der beiden Arten von Erfassungen, welche einen höheren Energieaufwand erfordert, lediglich einen gewissen Prozentsatz ausmacht. Dabei können die energetisch aufwändigeren Erfassungen für eine genauere Szenenerfassung herangezogen werden.
Unter dem Begriff "Szene" kann insbesondere derjenige räumliche Bereich verstanden werden, welcher von dem Sensorsystem optisch erfasst wird. In der Szene befindliche Objekte werden durch eine geeignete Bildauswertung erkannt. Dazu kann von der Datenverarbeitungseinrichtung auf bekannte Methoden zur Bildauswertung und/oder Bildanalyse zurückgegriffen werden. Die Datenverarbeitungseinrichtung kann demzufolge ein Bildverarbeitungsprozessor sein, der konfiguriert ist, bekannte Verfahren zur Bildauswertung und/oder Bildverarbeitung anzuwenden bzw. durchzuführen.
Unter dem Begriff "Charakteristik einer Szene" kann die Gesamtheit aller räumlichen Strukturen verstanden werden, welche von dem Sensor erfasst werden. Dabei können von der Datenverarbeitungseinrichtung mittels einer Bildverarbeitung und/oder Bilderkennung manche Strukturen als relevant und andere Strukturen als weniger oder sogar irrelevant erkannt werden.
Unter dem Begriff "Ergebnis" kann insbesondere ein Analyse eines von dem Sensor erfassten Bildes oder eines Teils eines Bildes. Das Ergebnis kann auch lediglich zumindest eine Information über ein in der Szene befindliches Objekt sein. Eine solche Information kann die Art des Objekts, die (optische)
Beschaffenheit des Objekts, der aktuelle Ort des Objekts, eine Geschwindigkeit des Objekts, etc. sein.
In diesem Dokument werden die Begriffe "Beleuchtungslicht" und "Messlicht" verwendet. Unter dem Begriff "Beleuchtungslicht" sind diejenigen
elektromagnetischen Wellen zu verstehen, welche von einer Beleuchtungseinheit des Sensors ausgesandt werden und auf das betreffende Objekt der Szene treffen. Das "Messlicht" sind die von bzw. an dem Objekt zurückgestreuten elektromagnetischen Wellen, welche von dem Lichtempfänger des Sensors empfangen und für die dreidimensionale Auswertung der Szene, zusammen mit den entsprechenden TOF Distanzinformationen, verwendet werden.
Die Begriffe "optisch" und/oder "Licht" können sich auf elektromagnetische Wellen beziehen, die eine bestimmte Wellenlänge bzw. Frequenz oder ein bestimmtes Spektrum von Wellenlängen bzw. Frequenzen haben. Insbesondere können die zum Einsatz kommenden elektromagnetischen Wellen dem für das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereich zugeordnet werden. Alternativ oder in Kombination können auch elektromagnetische Wellen verwendet werden, die dem ultravioletten (UV) oder dem infraroten (IR) Spektralbereich zugeordnet sind . Der IR Spektralbereich kann sich bis in den langwelligen IR Bereich mit Wellenlängen zwischen 3,5 pm bis 15 pm erstrecken, welche mittels des
Lichtempfängers des Sensors erfasst werden können.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Sensorsystem ferner eine Halterung auf, welche mit dem Sensor mechanisch gekoppelt ist, wobei die Halterung derart ausgebildet ist, dass das Sensorsystem an einer in Bezug auf die zu erfassende Szene stationären Haltestruktur anbringbar ist.
Anschaulich ausgedrückt sorgt die Halterung dafür, dass das beschriebene Sensorsystem ein stationäres System sein kann, welches einen bestimmten räumlich festen Erfassungsbereich hat und damit immer die gleiche Szene überwacht. Durch einen Vergleich von verschiedenen zeitlich voneinander beabstandeten Erfassungen der von der Orientierung des Sensorsystems abhängigen Szene können im Rahmen einer Bildauswertung räumlich stationäre Objekte, die in der Szene vorhanden sind, erkannt und bei einer weiteren Bildauswertung in Hinblick auf Bewegungsprofile ausgeblendet werden. Dadurch kann Rechenleistung eingespart werden und die energetische Effizienz des beschriebenen Sensorsystems verbessert werden.
Die stationäre Haltestruktur kann direkt oder indirekt mechanisch gekoppelt sein mit einer Vorrichtung zum Steuern einer Bedeckungscharakteristik einer von dem Objekt zu passierenden Öffnung durch zumindest einen Verschließkörper.
Bevorzugt weist diese Vorrichtung neben einer geeigneten Führung bzw.
Lagerung des Verschließkörpers einen Aktuator zum Bewegen des
Verschließkörpers auf, insbesondere zum Bewegen des Verschließkörpers zwischen einer geschlossenen Position und einer geöffneten Position (und umgekehrt). Im Bereich der Gebäudesicherheit kann die Öffnung ein Eingang, beispielsweise für eine Person oder ein Fahrzeug sein, der Verschließkörper kann eine Tür, beispielsweise eine Haustür bzw. ein Garagentor sein. Die stationäre
Haltestruktur kann beispielsweise die stationäre Rahmenstruktur eines Eingangs sein, beispielsweise der Rahmen einer Tür.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die
Datenverarbeitungseinrichtung ferner derart konfiguriert ist, dass eine
Bedeckungscharakteristik einer von einem Objekt zu passierenden Öffnung durch zumindest einen Verschließkörper steuerbar ist. Dadurch kann die Öffnung, welche beispielsweise ein Eingang (bzw. ein Ausgang) eines Gebäudes ist, auf energetisch günstige Weise automatisch überwacht werden und durch eine geeignete Ansteuerung eines Aktuators kann der Verschließkörper automatisch zwischen einer geöffneten Position und einer geschlossenen Position bewegt werden. Dazu kann die Datenverarbeitungseinrichtung des beschriebenen
Sensorsystems mit der Steuerung eines bekannten Steuersystems für einen Verschließkörper gekoppelt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Steuereinheit eine Schnittstelle auf und die Steuereinheit ist ferner derart konfiguriert, dass die Akkumulierung der ersten Anzahl von Photonen und/oder die Akkumulierung der zweiten Anzahl von Photonen von einem externen Steuersignal steuerbar ist.
Anschaulich ausgedrückt erlaubt die beschriebene Schnittstelle eine externe Steuerung des Betriebes der Sensorvorrichtung. Dabei kann, getriggert von einer in Bezug auf die Sensorvorrichtung externen Einrichtung, die Genauigkeit von zumindest einer der beiden Szenenerfassungen an die jeweiligen Bedürfnisse angepasst werden. Bei einfachen für die meisten Anwendungen aber sehr vorteilhaften Ausführungsformen wird durch ein solches externes Trigger-Signal einfach zwischen den beiden Erfassungsarten mit unterschiedlichen
Photonenakkumulation pro Pixel umgeschaltet. Das externe Steuersignal kann beispielsweise indikativ sein für den Zustand eines an das Sensorsystem angegliederten Systems, beispielsweise ein
Überwachungssystem, eine automatisches Türöffnungssystem, etc. Ferner kann z.B. mittels einer anderen Sensorik erkannt werden, dass ein Objekt in
Bewegung ist, welches auch mit "wenig akkumulierten Photonen" zuverlässig detektiert werden kann. In diesem Fall ist es ausreichend wenn eine energetische aufwändigere zweite Erfassung der Szene im Vergleich zu der energetisch weniger aufwändigen ersten Erfassung der Szene nicht so häufig vorgenommen wird. Ggf. kann nach einer einmaligen Szenenerfassung der zweiten Art die Szene nur noch mit ersten Erfassungen (der ersten Art) durchgeführt werden.
Bei einem anderen sehr konkreten Ausführungsbeispiel ist die Schnittstelle mit einem manuell zu betätigenden Taster zum Aktivieren einer automatischen Türe verbunden. Das über die Schnittstelle übertragene Steuersignal kann dann veranlassen, dass die Erfassung der Szene in einem Raumbereich, welcher sich in der Nähe der betreffenden Türöffnung befindet, mit einer erhöhten
Genauigkeit durchgeführt wird. Eine solche für unterschiedliche Teilbereiche der Szene unterschiedliche Genauigkeit kann beispielsweise durch ein gezieltes Zusammenfassen von Pixeln durch ein sog. Binning erfolgen, welches
nachstehend erläutert wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die erste
Erfassung der Szene mit einer ersten Messdauer und die zweite Erfassung der Szene mit einer zweiten Messdauer durchgeführt, wobei die zweite Messdauer länger ist als die erste Messdauer. Dies hat den Vorteil, dass die unterschiedliche Photonenakkumulation auf einfache Weise durch eine geeignete Anpassung der (unterschiedlichen) Integrationszeiten des Lichtempfängers des Sensors realisiert werden kann.
Anschaulich ausgedrückt erfolgt die erste Erfassung der Szene mit einer ersten Belichtungszeit und die zweite Erfassung der Szene erfolgt mit einer zweiten Belichtungszeit, welche länger ist als die erste Belichtungszeit. Die
Belichtungszeiten, welche naturgegebenen die zeitliche Auflösung des
Sensorsystems bestimmen, können von Konfigurations- und/oder
Messparametern des beschriebenen Sensorsystems abhängen. Solche
Messparameter sind beispielsweise (a) die (zu erwartende) Distanz zu einem zu erfassenden Objekt, (b) eine für den Betrieb des Sensorsystems verfügbare Energie, insbesondere für eine (gepulste oder zeitlich modulierte) Beleuchtung der Szene, welche Beleuchtung für eine TOF Messung erforderlich ist, (c) ein optisches Reflexions- und/oder Streuverhalten der Oberfläche eines zu
erfassenden Objekts in der Szene, etc.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die
Datenverarbeitungseinrichtung mit der Steuereinheit gekoppelt und die
Datenverarbeitungseinrichtung ist ferner konfiguriert, abhängig von dem ersten Ergebnis und/oder dem zweiten Ergebnis über die Steuereinheit ein
Akkumulieren der Anzahl von Photonen für zumindest eine nachfolgende erste Erfassung und/oder eine nachfolgende zweite Erfassung zu steuern.
Dies bedeutet, dass die (unterschiedliche) Photonenakkumulation dynamisch an die Charakteristik der dreidimensional zu erfassenden Szene angepasst werden kann. Dabei hängt die Charakteristik der Szene von den tatsächlichen (und nicht von den zu erwartenden) optischen Eigenschaften von zumindest einem Objekt der Szene ab. Deshalb stellt die von der Szenenauswertung abhängige Steuerung der Photonenakkumulation einen Regelungsmechanismus für die
Photonenakkumulation dar.
Es wird darauf hingewiesen, dass eine geeignete Photonenakkumulation auch durch einen Lernprozess herausgefunden werden kann, bei dem ein und dieselbe Szene mehrfach erfasst und ausgewertet wird oder bei der ähnlich Szenen erfasst und ausgewertet werden. Es wird ferner darauf hingewiesen, dass von dem ersten Ergebnis und/oder von dem zweiten Ergebnis auch eine Wiederholrate oder Häufigkeit abhängen kann, mit welcher nachfolgend die Szene mit ersten Erfassungen und/oder mit zweiten Erfassungen erfasst und ausgewertet wird. So kann zum Beispiel eine
energetisch effiziente Szenenauswertung dadurch erfolgen, dass zunächst mit einer vergleichsweise geringen Wiederholrate die Szene bzw. ein darin
befindliche Objekt erfasst wird. Falls festgestellt wird, dass sich dieses Objekt mit einer gewissen Dynamik verändert oder ein weiteres Objekt in die Szene eindringt, dann kann die Szenenerfassung und Szenenauswertung mit einer vergleichsweise hohen Wiederholrate durchgeführt werden. Dabei kann sich die hohe Wiederholrate auf erste Szenenerfassungen mit einer ersten Photonen- akkumulation und/oder auf zweite Szenenerfassungen mit einer zweiten
Photonenakkumulation beziehen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Steuereinheit und der Sensor derart konfiguriert, dass die im Vergleich zu der ersten Anzahl höhere zweite Anzahl von akkumulierten Photonen durch ein Zusammenfassen von benachbarten Einzelpixeln zu einem Pixel realisiert ist. Ein solches
Zusammenfassen von Pixeln, welches auch als "Binning" bezeichnet wird, hat den Vorteil, dass es unkompliziert und zudem schnell bzw. dynamisch
durchgeführt werden kann. Es ist insbesondere nicht erforderlich, den Sensor mit zwei unterschiedlichen Lichtempfängern auszustatten, welche anstelle der Zusammenfassung der Einzelpixel größere Pixel mit einer entsprechend reduzierten räumlichen Auflösung aufweisen.
Es wird darauf hingewiesen, dass über die Fläche des betreffenden
Lichtempfängers ein Binning auch lokal in lediglich zumindest einem Teilbereich der aktiven Flächen des Lichtempfängers durchgeführt werden kann. Dies führt dann zwar zu einer inhomogenen räumlichen Auflösung, welche nicht unbedingt gewünscht ist. Der Nachteil einer solchen inhomogenen räumlichen Auflösung wird aber in vielen Anwendungsfällen durch die vorstehend beschriebenen Vorteile der unterschiedlichen Photonenakkumulation überkompensiert. Ein lokales "Binning" kann zumindest bei einigen bekannten Sensoren ohne besondere elektronische oder apparative Elemente einfach durch eine
entsprechende Ansteuerung des Lichtempfängers erfolgen, welche Ansteuerung das "Binning" und damit den Betriebsmodus des Sensors bestimmt.
Es wird ferner darauf hingewiesen, dass das beschriebene Binning auch als Reaktion auf zumindest eine zuvor erfasste und ausgewertete
Szenencharakteristik (auf automatische Weise) aktiviert werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Sensor auf eine Beleuchtungseinrichtung zum Aussenden von Beleuchtungslicht auf ein zu erfassendes Objekt in der Szene und einen Lichtempfänger zum Empfangen von Messlicht, welches zumindest teilweise an einem Objekt der Szene gestreutes Beleuchtungslicht ist, das auf den Lichtempfänger auftrifft. Der Sensor ist konfiguriert die Lichtlaufzeit zu messen basierend auf (a) einer Messung der Zeitspanne zwischen einen Aussenden eines Pulses des Beleuchtungslichts und dem Empfang des zu dem Puls gehörigen Messlichts bzw. Messlichtpulses und/oder (b) einer Messung einer Phasenverschiebung zwischen einer zeitlichen Modulation des Beleuchtungslichts und einer zugehörigen Modulation des
Messlichts. Dies hat den Vorteil, dass das beschriebene Sensorsystem abhängig von dem jeweiligen Anwendungsfall auf eine geeignete Weise realisiert werden kann. Bei manchen Ausführungsformen ist der Sensor derart konfiguriert, dass flexibel bzw. bei Bedarf zwischen den beiden verschiedenen Messprinzipien "Pulsbetrieb" und "Phasenmessung" umgeschaltet werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die
Beleuchtungseinrichtung konfiguriert, das Beleuchtungslicht mit einem von einer Kreisform abweichenden Strahlquerschnitt bereitzustellen. Dies hat den Vorteil, dass bei Szenen, welche "nicht rund" sind, eine unzureichende Ausleuchtung von Eckbereichen der Szene vermieden werden kann. Eine unzureichende Ausleuchtung der Eckbereiche könnte zwar ggf. durch eine insgesamt erhöhte Intensität des Beleuchtungslichts verhindert werden, in diesem Fall würden jedoch die mittleren Bereiche der Szene überbelichtet, was zumindest aus energetischer Sicht sehr nachteilig wäre.
Bei vielen Ausführungsformen bzw. Anwendungen des Sensorsystems ist es vorteilhaft, wenn das Beleuchtungslicht einen rechteckigen Strahlquerschnitt hat. Bevorzugt ist der Strahlquerschnitt zur Erzielung einer möglichst homogegen Beleuchtung an die Form er zu erfassenden Szene angepasst. Eine geeignete Formgebung des Strahlquerschnitts kann nicht nur durch eine entsprechende Formung der Leuchtfläche der Beleuchtungseinrichtung realisiert werden, der Strahlquerschnitt kann auch durch optische Komponenten wie Spiegel und refraktive optische Elemente (z.B. Linsensystem) auf geeignete Weise angepasst werden. Auch Diffraktive Optische Elemente (DOE) können verwendet werden, welche optional sogar eine dynamische und/oder szenenabhängige Formung des Strahlquerschnitts ermöglichen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die
Beleuchtungseinrichtung konfiguriert, für die erste Erfassung der Szene das Beleuchtungslicht mit einer ersten Beleuchtungsintensität auszusenden und für die zweite Erfassung der Szene das Beleuchtungslicht mit einer zweiten
Beleuchtungsintensität auszusenden, wobei die zweite Intensität größer ist als die erste Intensität. Dies hat den Vorteil, dass die erfindungsgemäße
unterschiedliche Photonenakkumulation auf besonders einfache Art und Weise einfach durch eine entsprechende Ansteuerung der Beleuchtungseinrichtung realisiert werden kann.
Es wird darauf hingewiesen, dass die erste Beleuchtungsintensität und/oder die zweite Beleuchtungsintensität eine über die gesamte Szene homogen oder alternativ inhomogen sein kann. Im Falle einer inhomogenen Beleuchtungs- Intensität werden bevorzugt diejenigen Teilbereiche der Szene mit einer höheren Beleuchtungsintensität beleuchtet, welche für eine Objekterkennung besonders relevant sind bzw. in welchen sich relevante Objekte der Szene befinden.
Es wird ferner darauf hingewiesen, dass (unabhängig von einer unterschiedlichen Beleuchtung für beide Szenenerfassungen) in weiteren Ausführungsformen die Charakteristik der Beleuchtung, insbesondere die Beleuchtungsintensität, in Abhängigkeit vom Umgebungslicht und/oder den Umgebungsbedingungen eingestellt werden kann. So muss beispielsweise bei einer intensiven
Sonnenbestrahlung das für die Laufzeitmessung erforderliche Messlicht (und damit auch das Beleuchtungslicht) ausreichend hell sein. Anschaulich
ausgedrückt muss das Sonnenlicht "übertönt" werden. Eine adaptive Steuerung oder Regelung des Betriebs der Beleuchtungseinrichtung mit, sofern möglich, einer Reduzierung der Intensität des Beleuchtungslichts ermöglicht somit einen energetisch effizienten Betrieb des Sensorsystems. Ähnliches gilt bei Störungen durch äußere Einflüsse, insbesondere Wettereinflüsse wie Regen, Schnee
(Schneefall und/oder, in der Szene vorhandener liegender Schnee mit einer hohen Reflexion), Hagel, Nebel, Rauch, Schwebepartikeln, etc.
Durch Sonnenlicht und/oder solche Störungen durch äußere Einflüsse können sich die Bedingungen für eine TOF-Messung erheblich verschlechtern. Durch einen energieoptimierten Betrieb des Sensorsystems kann das beschriebene Sensorsystem jedoch immer noch (mit einem reduzierten Funktionsumfang) arbeiten. Beispielsweise kann durch eine reduzierte Häufigkeit bzw.
Wiederholrate der Szenenerfassungen eine Erkennung von bewegten Objekten nur langsamer bzw. mit einer gewissen Verzögerung erfolgen. Ferner kann in Situationen, welche pro Szenenerfassung (und Szenenauswertung), einen hohen Energieverbrauch haben, dadurch eine Grundfunktionalität des Sensors sichergestellt werden, dass zwar mit höherer Intensität beleuchtet wird, dafür aber zum Zwecke einer Energieeinsparung Pausen zwischen des verschiedenen Szenenerfassungen (automatisch) eingefügt werden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die
Beleuchtungseinrichtung (i) zumindest indirekt mit der Datenverarbeitungs- einrichtung gekoppelt und (ii) konfiguriert, eine Beleuchtungscharakteristik des ausgesandten Beleuchtungslichts in Abhängigkeit von dem ersten Ergebnis und/oder von dem zweiten Ergebnis zu steuern.
Dies bedeutet anschaulich, dass zumindest eines der beiden Ergebnisse eine Regelgröße für eine Einstellung der Charakteristik der Beleuchtung ist. Damit kann auf vorteilhafte Weise eine dynamische Anpassung der Beleuchtung an eine zuvor erfasste und zu erwartende Szenencharakteristik der Szene vorgenommen und eine szenenabhängige zumindest annähernd optimale Beleuchtung realisiert werden.
Die Steuerung der Beleuchtungseinrichtung kann von aktuellen
Umgebungsbedingungen abhängen, welche sich in dem ersten Ergebnis und/oder in dem zweiten Ergebnis der Szenenauswertung widerspiegeln. Solche
Umgebungsbedingungen können Wetterbedingungen wie beispielsweise das Vorhandensein von Regen, Schnee, Hagel, Nebel, Rauch, Schwebepartikeln, etc. in der Szene sein.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die
Beleuchtungseinrichtung konfiguriert, die Beleuchtungscharakteristik des ausgesandten Beleuchtungslichts in Abhängigkeit von einem externen
Steuersignal zu steuern.
Die Steuersignale können über einen entsprechenden Dateneingang des
Sensorsystems, insbesondere einen Dateneingang der Steuereinheit, empfangen werden. Zur Realisierung einer geeigneten Anpassung der Beleuchtungs- Charakteristik kann die Steuerung der Beleuchtungseinrichtung von der vorstehend beschriebenen Steuereinheit des Sensorsystems vorgenommen werden. Eine Steuerung bzw. Anpassung der Beleuchtungscharakteristik kann also nicht (nur) von den im Rahmen der TOF Messung generierten
Empfangsdaten bzw. den Ergebnissen der Szenenauswertung abhängen. Gemäß dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgt eine geeignete Anpassung der Beleuchtungscharakteristik von extern.
Externe Steuersignale können prinzipiell für alle Merkmale und oder Zustände indikativ sein, welche einen Einfluss auf das Rückstreuverhalten des
Beleuchtungslichts haben. Ein solches Merkmal ist beispielsweise eine (farbliche) Veränderung eines zu erfassenden Objekts und/oder ein in die Szene neu eintretendes bzw. die Szene verlassendes Objekt, welches das
Rückstreuverhalten zumindest teilweise beeinflusst.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die
Beleuchtungscharakteristik durch zumindest eines der folgenden Merkmale bestimmt: (a) Beleuchtungsintensität für zumindest einen Teilbereich der Szene, (b) Unterschiede in der Beleuchtungsintensität zwischen verschiedenen
Teilbereichen der Szene, (c) Wellenlänge des Beleuchtungslichts, (d) spektrale Verteilung des Beleuchtungslichts, (e) Polarisationsrichtung des
Beleuchtungslichts, und (f) Intensitätsverteilung für unterschiedliche
Polarisationsrichtungen des Beleuchtungslichts.
Durch eine anwendungsspezifische Verwendung von einem dieser Merkmale oder durch eine geeignete Kombination von zumindest zwei dieser Merkmale können die zu erkennenden Objekte besonders gut beleuchtet und als Ergebnis mit besonders hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit erkannt werden.
Hinsichtlich der Größe der Teilbereiche der Szene bestehen keine besonderen Einschränkungen. Im Extremfall kann ein Teilbereich genau einem Pixel des Sensors zugeordnet sein. Die Wellenlänge, Frequenz bzw. Farbe des Beleuchtungslichts sowie die spektrale Verteilung des Beleuchtungslichts können durch eine geeignete Ansteuerung von spektral unterschiedlichen Leuchtelementen, insbesondere LEDs mit
unterschiedlicher Farbe, variiert bzw. an die zu erwartende Charakteristik der Szene angepasst werden. Insbesondere kann die ausgewählte Wellenlänge bzw. spektrale Verteilung des Beleuchtungslichts von der Farbe und damit von dem optischen Rückstreuverhalten des Objekts abhängen.
Die Polarisationsrichtung des Beleuchtungslichts kann auf bekannte Weise beispielsweise durch die Verwendung von Polarisationsfiltern eingestellt werden.
Alle genannten charakteristischen Merkmale können optional dynamisch an sich veränderliche Szenen angepasst werden, sodass stets eine möglichst optimale Beleuchtung der Szene erreicht werden kann. Dabei kann eine optimale
Beleuchtungscharakteristik auch nach dem Prinzip "Try-and-Error" oder durch andere statistische Optimierungsprozeduren ermittelt werden. Dies kann dynamisch während eines reellen Betriebs des Sensorsystems oder im Rahmen einer Kalibrierung mittels einer Erkennung von geeigneten Referenzobjekten erfolgen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum
dreidimensionalen optischen Erfassen einer Szene beschrieben. Das Verfahren weist auf (a) ein Bereitstellen eines Sensors zum Messen von Distanzen basierend auf einer Lichtlaufzeit; (b) ein Steuern des Betriebs des Sensors derart, dass (bl) bei einer ersten Erfassung der Szene pro Pixel des Sensors eine erste Anzahl an Photonen akkumuliert wird und (b2) bei einer zweiten Erfassung der Szene pro Pixel des Sensors eine zweite Anzahl an Photonen akkumuliert wird, wobei die zweite Anzahl größer ist als die erste Anzahl; und (c) ein
Auswerten der Szene mittels einer dem Sensor nachgeschalteten
Datenverarbeitungseinrichtung basierend auf einem ersten Ergebnis der ersten Erfassung der Szene und/oder einem zweiten Ergebnis der zweiten Erfassung der Szene.
Dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine dreidimensionale Erfassung und Auswertung einer Szene basierend auf zwei unterschiedlichen (Bild)Datensätzen die Szene auf energetisch effiziente Weise erfasst und ausgewertet werden kann. Zum Erzielen einer gewissen Genauigkeit muss nämlich nicht immer diejenige Szenenerfassung und Szenenauswertung durchgeführt werden, welche aus energetischer Sicht die aufwändigere ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner auf (d) ein Erfassen eines in der Szene befindlichen Objekts; (e) ein Vergleichen des erfassten Objekts mit zumindest einem Vergleichsobjekt; und,
wenn das Objekt innerhalb vorgegebener zulässiger Abweichungen mit einem Vergleichsobjekt übereinstimmt, (f) ein Identifizieren des Objekts als ein für eine bestimmte Aktion zugelassenes Objekt.
Die zugelassene Aktion kann beispielsweise eine erlaubte Passage durch eine Öffnung in einem Gebäude sein, welche Öffnung vor der Identifizierung als zugelassenes Objekt durch einen Verschließkörper verschlossen ist und erst nach der erfolgreichen Identifizierung durch eine entsprechende Bewegung des Verschließkörpers geöffnet wird. Die zu identifizierenden Objekte können bevorzugt Personen und/oder Fahrzeuge sein. Eine erfolgreiche Identifizierung kann zur Steuerung bzw. zur Aktivierung eines Verschlussmechanismus für einen Verschließkörper vor einer Öffnung eines Gebäudes sein. Bei manchen
Ausführungsbeispielen wird durch eine (besonders einfache) Objekterkennung lediglich festgestellt, dass es sich bei einem lebenden Objekt um einen Menschen und nicht um ein Tier, beispielsweise ein Vogel oder eine Fledermaus, handelt. Eine Öffnung der Passage kann dann lediglich dann erfolgen, wenn ein Mensch erkannt wurde.
Durch die Verwendung der 3D TOF (Tiefen-) Information des Sensors kann bei Personen beispielsweise eine zuverlässige Gesichtserkennung realisiert werden, welche zur Aktivierung eines Verschlussmechanismus verwendet werden kann. Dabei können bestimmte Bereiche der Szene beispielsweise durch eine
besonders starke Beleuchtung beleuchtet und mit eine erhöhten Genauigkeit erfasst werden, so dass dies wiederum zu einer Energiereduktion gegenüber der Überwachung der ganzen Szene in Hochauflösung oder bei voller Beleuchtung führt.
Anstelle von Personen können bei anderen Ausführungsformen auch geprägte Schilder, insbesondere Nummernschilder von Fahrzeugen, zuverlässig erfasst und erkannt werden. Durch die 3D Informationen kann nämlich die Prägung des Kennzeichens gut erkannt werden, was zu einer verbesserten Lesezuverlässigkeit führt. Insbesondere kann auf diese Weise eine allfällige Fälschung eines
Kennzeichens besser erkannt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird beschrieben eine Verwendung eines vorstehend beschriebenen Sensorsystems für ein Steuern einer
Bedeckungscharakteristik einer von einem Objekt zu passierenden Öffnung durch zumindest einen Verschließkörper.
Der beschriebenen Verwendung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine auf energetisch effiziente Weise vorgenommen Erfassung und Auswertung einer optischen Szene auf vorteilhafte Weise bei Durchgängen eingesetzt werden kann, welche von einem Verschließkörper verschlossen werden können. Dies gilt insbesondere für Durchgänge, welche eine Verschließ- bzw. eine
Bedeckungscharakteristik aufweisen, die von dem beschriebenen Sensorsystem gesteuert oder zumindest mitgesteuert wird. Da solche Sensorsysteme
üblicherweise durch die Verschlusssysteme für die Verschließkörper mit Energie versorgt werden, ist es besonders wichtig, mit einer vergleichsweise geringen Energiemenge auszukommen und trotzdem zu zuverlässigen
Szenenauswertungen zu kommen. Durch die erfindungsgemäße Verwendung des vorstehend beschriebenen
Sensorsystems können auf energetisch effiziente Weise auch größere Distanzen überwacht werden, welches naturgemäß zu einem früheren Erkennen einer Öffnungsanforderung des Verschlusskörpers führt, was insbesondere bei sich schnell bewegenden Objekten von großem Vorteil sein kann. Ferner kann die Szene mit einem breiteren Erfassungswinkel erfasst werden, was beispielswiese zu einem frühzeitiges Erkennen von sich quer zur Öffnung bewegenden
Querverkehr und damit zu einem zuverlässigeres Erkennen von Objekten im Sicherheitsbereich des Verschlusssystems führen kann. Dadurch kann bei Querverkehr eine unnötige Öffnungsanforderung unterdrückt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Öffnung ein Eingang oder ein Ausgang, insbesondere ein Notausgang in einem Gebäude. Durch das
Erkennen eines zwar vorhandenen, aber sich ggf. nicht bewegenden Objektes in einem Durchgang kann ein Eingang oder Ausgang überwacht, insbesondere ein blockierter Notausgang erkannt, und die entsprechende Information an ein angegliedertes System, beispielsweise an ein Überwachungssystem, übermittelt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Objekt eine Person oder ein Fahrzeug. In diesem Fall kann das Gebäude insbesondere ein Haus oder eine Garage sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird beschrieben eine Verwendung eines vorstehend beschriebenen Sensorsystems für ein Erfassen und/oder Steuern von Verkehrsströmen von Objekten, welche sich durch eine Szene des Sensorsystems bewegen, wobei die Szene durch einen räumlichen
Erfassungsbereich des Sensorsystems bestimmt ist. Auch dieser beschriebenen Verwendung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es bei einer Verkehrserfassung und/oder Verkehrsstromlenkung auf eine
energieeffiziente Sensorik ankommt, da diese Sensorik typischerweise ständig in Betrieb ist. Die für den betreffenden Verkehrsstrom relevanten Objekte können beispielsweise Personen, Fahrzeuge, Produkte wie z.B. Pakete, Koffer, etc. sein. Da für derartige Anwendungen üblicherweise eine Mehrzahl oder gar eine Vielzahl von 3D Sensoren einsetzt werden, wirken sich hier Energieeinsparungen besonders positiv aus.
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen oder Verwendungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von
Erfindungsgegenständen gehören .
Bevor an späterer Stelle und bezugnehmend auf die Zeichnung exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben werden, werden an dieser Stelle einige technische Überlegungen dargestellt, die im Zusammenhang mit der Erfindung stehen.
TOF-basierende Sensorsysteme können generell sowohl in Bezug auf das Beleuchtungslicht als auch in Bezug auf das Messlicht in zwei grundsätzlich unterschiedliche Klassen unterteilt werden, welche beliebig miteinander kombiniert werden können. Bl : Die erste Alternative (Bl) für die Beleuchtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Szene mittels eines einzelnen Beleuchtungslichtstrahls hoher
Fokussierung und niedriger Divergenz (also hoher Kollimation) sequentiell abgetastet wird. Für jede Position des Beleuchtungslichtstrahls in der Szene wird eine Messung der Laufzeit des Beleuchtungslichts und des Messlichts
vorgenommen. Das Abtasten kann unter Verwendung von beweglichen optischen Komponenten, insbesondere Spiegel, realisiert werden. Alternativ oder in
Kombination kann für ein sequentielles Abtasten der Szene mit dem
Beleuchtungslichtstrahl ein Festkörper verwendet werden, welcher ohne mechanisch bewegliche Teile auskommt und integrierte photonische Strukturen bzw. Schaltungen aufweist. Bei einer geeigneten Ansteuerung dieser Strukturen wird der Beleuchtungslichtstrahl dann auf die gewünschte Stelle der Szene gerichtet. Ein solcher Festkörper ist beispielsweise aus US 2015/293224 Al bekannt.
B2 : Die zweite Alternative (B2) für die Beleuchtung zeichnet sich dadurch aus, dass die gesamte Szene (auf einmal und flächig) beleuchtet wird. Bei Bedarf kann die Intensität des Beleuchtungslichts in ausgewählten Teilbereichen der Szene (punktuell) erhöht werden, um an diesen Stellen eine verbesserte 3D Objekterfassung zu ermöglichen. Eine solche räumlich ungleichmäßige Verteilung des Beleuchtungslichts kann ohne bewegliche optische Komponenten
beispielsweise mittels eines sog. Diffraktiven Optischen Elementes (DOE) erfolgen.
Ml : Eine erste Alternative (Ml) für die Messung basiert auf gepulsten
Beleuchtungslichtstrahlen. Dabei wird ein "Reisezeit" eines Lichtimpulses auf der Empfängerseite für jedes Pixel innerhalb eines Zeitfensters erfasst und daraus die Entfernung abgeleitet.
M2: Die zweite Alternative (M2) für die Messung basiert auf einer zeitlichen, bevorzugt sinusförmigen, Modulation des Beleuchtungslichts mit einer vorgegebenen Frequenz, wobei geeignete Werte für diese Frequenz von der zu erwartenden Laufzeit bzw. der maximalen Erfassungsdistanz abhängen. Auf der Seite des Lichtempfängers wird die Phasendifferenz für jedes Pixel gemessen und daraus die Distanzinformation abgeleitet.
Beide Messprinzipien Ml und M2 basieren auf einer Integration der Anzahl von Photonen bzw. der in dem Lichtempfänger generierten Photoelektronen, welche auf jedem zu messenden Pixel eintreffen. In diesem Zusammenhang ist es offensichtlich, dass ein stets vorhandenes Licht- bzw. Photonenrauschen von der Anzahl der in einem Pixel akkumulierten Photonen abhängt. Daher wird die aus der TOF Messung gewonnen Distanzinformation umso genauer, je höher die Anzahl an akkumulierten Photonen ist.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Die einzelnen Figuren der Zeichnung dieses Dokuments sind lediglich als schematisch und als nicht maßstabsgetreu anzusehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Figur 1 zeigt die Verwendung eines Sensorsystems zum Steuern einer
Bedeckungscharakteristik einer Öffnung mittels als Schiebetüren ausgebildeten Verschließkörpern.
Figur 2 zeigt die Verwendung eines Sensorsystems zum Erfassen eines
Verkehrsflusses von auf einem Förderband transportierten Objekten.
Die Figuren 3a und 3b illustrieren ein Zusammenfassen von Einzelpixeln eines Lichtempfängers. Die Figuren 4a bis 4c zeigen verschiedene Strahlquerschnitte eines Beleuchtungslichts zum Anpassen der Beleuchtung an die Form der zu
erfassenden Szene.
Detaillierte Beschreibung
Es wird darauf hingewiesen, dass in der folgenden detaillierten Beschreibung Merkmale bzw. Komponenten von unterschiedlichen Ausführungsformen, die mit den entsprechenden Merkmalen bzw. Komponenten von einer anderen
Ausführungsform nach gleich oder zumindest funktionsgleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen oder mit Bezugszeichen versehen sind, welche in den letzten beiden Ziffern identisch sind mit den Bezugszeichen von entsprechenden gleichen oder zumindest funktionsgleichen Merkmalen bzw. Komponenten. Zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen werden bereits anhand einer vorher beschriebenen Ausführungsform erläuterte Merkmale bzw. Komponenten an späterer Stelle nicht mehr im Detail erläutert.
Bevor in diesem Abschnitt die Figuren im Detail beschrieben werden, werden nachstehend einige Aspekte von einer Reihe von Ausführungsformen erläutert.
In Anbetracht der bei vielen Anwendungen von 3D Sensorsystemen großen Bedeutung eines energieeffizienten Betriebs lässt sich die auf den
Lichtempfänger treffende optische Energie des Messlichts dadurch optimieren, dass je nach Ausprägung der Szene die Szene unterschiedlich beleuchtet wird .
So ist z. B. bei einem Türöffnungssystem zur Aktivierung einer Türöffnung vor allem relevant, wenn sich Objekte mit höherer Geschwindigkeit von außen an die überwachte Zone annähern. Sog . Spontanstarts von Objekten im Inneren der überwachten Zone, welche sich (nach kurzer Zeit) auch mit einer hohen
Geschwindigkeit bewegen können, sind eher untypisch. So lassen sich bei einer (leicht zu realisierenden) Ausführungsform der Erfindung vor allem die Randbereiche der Szene mit einer besonders hohen Intensität des
Beleuchtungslichts überwachen. Eine Objekterkennung im Inneren der
überwachten Zone kann ohne weiteres mit einer "Aufweckverzögerung" erfolgen, was es erlaubt, im Inneren die Überwachung mit einem weniger starken
Beleuchtungslicht zu realisieren. Dies lässt sich durch eine funktionsabhängige Beleuchtung realisieren, bei der durch ein Steuern der abstrahlwinkelabhängigen Beleuchtungsenergie über einen zeitlichen Mittelwert eine Energieoptimierung erreicht werden kann. Dabei können unterschiedliche Strategien angewendet werden.
(1) Bei einer Beleuchtungseinrichtung, welche aus mehreren einzelnen jeweils eine gewisse Beleuchtungsintensität liefernden Elementen besteht, beispielweise einem Array von Leuchtdioden, kann die Beleuchtungsintensität von zumindest einem einzelnen Element gegenüber den anderen Elementen variiert werden. Diese Variation kann bereits konstruktiv im Aufbau der entsprechenden
Beleuchtungseinrichtung realisiert werden, beispielsweise durch die Verwendung von Leuchtdioden mit unterschiedlicher Intensität. Alternativ oder in Kombination kann dies auch durch die Art der Ansteuerung der Leuchtdioden mit jeweils einem individuell einstellbaren Strom erreicht werden. Eine solche
Stromeinstellung kann auch bei einer Kalibrierung des Sensorsystems
beispielsweise im Wege einer (Erst)Installation des Sensorsystems erfolgen.
Darüber hinaus kann eine individuelle Stromsteuerung auch dynamisch während des Betriebs des Sensorsystems vorgenommen werden. So können
beispielsweise dann, wenn aus einem Raumwinkelbereich wenig Intensität an Messlicht auf den Lichtempfänger trifft, diesem Raumwinkelbereich zugeordnete Leuchtdioden stärker bestromt werden. Ein solches Vorgehen eignet sich besonders gut für die vorstehend beschriebene Beleuchtungsalternative B2 in Kombination mit den beiden ebenfalls vorstehend beschriebenen Messprinzipien Ml oder M2. (2) Bei Beleuchtungseinrichtungen, welche in Übereinstimmung mit dem vorstehend beschriebenen Beleuchtungsprinzip Bl mittels eines
Beleuchtungslichtstrahls die ganze Szene sequentiell abtasten bzw. scannen, ist typischerweise zu jedem Zeitpunkt der aktuelle Raumwinkel des
Beleuchtungslichtstrahls bekannt. Durch ein Variieren der Intensität des
Beleuchtungslicht(strahls) abhängig vom jeweiligen Raumwinkel kann so die Beleuchtungsintensität abhängig von der optischen Charakteristik der erfassten Szene (und bei einer optionalen dynamischen Steuerung oder Regelung auch abhängig von der von dem jeweiligen Raumwinkel zurückgestreuten Intensität des Messlichts) gezielt gesteuert oder geregelt werden. So kann beispielsweise eine statische Szene eingemessen werden, wobei die zu jedem Raumwinkel passende Intensität an Beleuchtungslicht eingelernt wird .
Eine optionale dynamische Anpassung der Beleuchtungslichtintensität kann sowohl in Echtzeit durchgeführt werden, indem diejenigen Raumwinkelbereiche, aus denen lediglich eine geringe Intensität an Messlicht empfangen wird, unmittelbar, d.h. ohne Verzögerung, stärker beleuchtet werden. Eine solche Variation kann auch adaptiv von einer Szenenerfassung zu der nächsten
Szenenerfassung durchgeführt werden. Dies bedeutet, dass abhängig von dem Auswertungsergebnis einer letzten Szenenerfassung für die nächste
Szenenerfassung diejenigen Raumwinkelbereiche, die "überbelichtet" waren, nun mit einer geringeren Intensität an Beleuchtungslicht "belichtet" werden. In entsprechender Weise können "unterbelichtete" Raumwinkelbereiche bei einer nächsten Szenenerfassung durch eine stärkere "Belichtung" aufgehellt werden. Ein solches Vorgehen eignet sich besonders gut für die vorstehend beschriebene Beleuchtungsalternative Bl in Kombination mit den beiden Messprinzipien Ml oder M2.
(3) Unabhängig von den beiden vorgenannten Strategien lässt sich bei Bedarf auch die Häufigkeit bzw. die Wiederholrate von ganzen Szenenerfassungen reduzieren (und zwischen den Szenenerfassungen die Beleuchtung abschalten), was ebenfalls zu einer (weiteren) Energieeinsparung beiträgt. So lässt sich zum Beispiel bei einem Sensorsystem für ein Tor, wobei für eine Anforderung einer Toröffnung (i) tagsüber sowohl Fahrzeuge als auch Personen und (ii) nachts nur noch Personen erkannt werden müssen, während der Nachtzeit die Häufigkeit bzw. die Wiederholrate von Szenenerfassungen reduzieren. Bei einer lediglich Halbierung der Häufigkeit führt dies zu einer fast 50% Einsparung an von dem Sensorsystem verbrauchter Energie. Eine Reduzierung der Häufigkeit der
"nächtlichen" Szenenerfassungen ohne eine (genaue) Erfassung von Fahrzeugen ist in der Regel deshalb unkritisch, weil Fußgänger im Vergleich zu Fahrzeugen normalerweise eine geringere Geschwindigkeit haben, so dass deren zuverlässige Erkennung auch mit einer reduzierten Häufigkeit an Szenenerfassungen und damit auch mit einer entsprechend geringeren Zeitauflösung möglich ist.
Ähnliche Vorgehensweisen mit einer Reduzierung der Wiederholrate sind immer dann möglich, wenn für eine Erkennung einer Bewegung eine gewisse zeitliche Verzögerung zulässig ist und/oder wenn lediglich weniger schnell bewegte Objekte erkannt werden müssen. Dann kann nämlich regelmäßig zwischen zwei Szenenerfassungen eine "Beleuchtungspause" eingelegt werden.
(4) Bei einem Türöffnungssystem, bei dem die Türe geöffnet ist, muss, solange sich Objekte in der Durchgangszone bzw. in einem Sicherheitsbereich befinden, nur diese Durchgangszone überwacht werden, weil eine Türschließung ohnehin nicht in Frage kommt, solange sich Objekte innerhalb des Sicherheitsbereiches befinden (und auch erkannt werden). So lässt sich die Beleuchtung für das in diesem Dokument beschriebene TOF-Sensorsystem auf einen Teilbereich der zu überwachenden Szene reduzieren und dadurch Energie sparen. Alternativ kann auch die Erkennung eines Objektes, welches mit hoher Wahrscheinlichkeit einen Durchgang passieren will, ausreichen, um ein entsprechendes Öffnungssignal auszulösen, so dass ggf. in der Szene vorhandene weitere Objekt nicht weiter beobachtet werden müssen und eine entsprechende Energiemenge eingespart werden kann.
(5) Ferner kann bei der Verwendung des in diesem Dokument beschriebenen TOF-Sensorsystems für die Überwachung eines durch eine Tür verschließbaren Durchgangs zum Beispiel eine höhere zeitliche und/oder räumliche Auflösung in der Nähe der Türe (sog. Nahzone) gefordert sein. Dann kann nämlich mit einer besonders hohen Zuverlässigkeit sichergestellt werden, dass keine Extremitäten (Hand, Fuß, Finger, etc.) einer Person durch ein versehentliches Schließen der Tür eingeklemmt werden.
Ferner genügt beispielsweise für eine Detektion eines sich bewegenden Objekts, welches sich relativ weit weg von der Tür (in einer sog . Fernzone) befindet, eine vergleichsweise geringe zeitliche und/oder räumliche Auflösung, als dies für die Nahzone erforderlich wäre. Diese Erkenntnis lässt sich dahingehend zur
Energieoptimierung nutzen, dass sich für die Fernzone viel weniger
Überwachungspunkte mit genügend Beleuchtungsintensität bzw.
Beleuchtungsenergie versorgt werden müssen (geringe räumliche Auflösung), während in der Nahzone eine feinmaschigere Überwachung (größere räumliche Auflösung) der Szene (und damit verbunden eine höhere Beleuchtungsintensität pro Raumsektor) notwendig ist.
(6) Außerdem kann, vollkommen unabhängig von den zuvor beschriebenen Strategien, bei vielen Anwendungsfällen die Beleuchtungsintensität in einem Teilbereich der Szene punktuell durch eine geeignete Fokussierung des
Beleuchtungslichts vergrößert werden. Dabei sinkt zwar die laterale Auflösung der Szenenerfassung, weil durch eine solche Fokussierung ein Teil des
Teilbereiches mit weniger Beleuchtungslicht versorgt wird als ein anderer Teil dieses Teilbereiches. Wenn durch eine solche Maßnahme jedoch immer noch eine für den jeweiligen Anwendungsfall ausreichende räumliche Auflösung
gewährleistet ist, dann ist hierdurch eine weitere signifikante Energieeinsparung möglich. Figur 1 zeigt die Verwendung eines Sensorsystems 100 zum Steuern einer Bedeckungscharakteristik einer Öffnung 184 abhängig von der Charakteristik einer von dem Sensorsystem 100 überwachten Szene 190. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Öffnung 184 eine Eintrittsöffnung für Personen in ein Gebäude oder eine Garageneinfahrt für Kraftfahrzeuge in eine Garage. Die entsprechende Eingangsstruktur ist mit dem Bezugszeichen 180 versehen.
Die Eingangsstruktur 180 umfasst eine stationäre Haltestruktur 182, welche einen Rahmen sowie eine Führung für zwei als Schiebetüren ausgebildete
Verschließkörper 186 darstellt. Die Schiebetüren 186 können jeweils mittels eines Motors 187 entlang der durch zwei dicke Doppelpfeile dargestellten
Verschieberichtungen bewegt werden. Die Ansteuerung der Motoren 187 erfolgt, wie im Folgenden dargelegt, mittels des in diesem Dokument beschriebenen Sensorsystems 100.
Das Sensorsystem 100 weist auf einen TOF- Sensor 110, eine Steuereinheit 140, eine Datenverarbeitungseinrichtung 150 sowie eine Datenbank 160. In dem TOF- Sensor 110 sind alle optischen Komponenten des Sensorsystems 100
untergebracht. An einem Gehäuse des TOF-Sensors 110 ist eine Halterung 111 vorgesehen. Mittels dieser Halterung 111 ist zumindest der TOF-Sensor 110 an der stationären Haltestruktur 182 in mechanisch stabiler und räumlich fester Weise angebracht. Bevorzugt ist das Sensorsystem 100 (im Gegensatz zu der Darstellung von Figur 1) als ein Modul aufgebaut, welches innerhalb einer kompakten Bauweise neben dem TOF-Sensor 110 auch noch die Steuereinheit 140, die Datenverarbeitungseinrichtung 150 sowie die Datenbank 160 aufweist.
Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Steuereinheit 140 eine Schnittstelle 142 auf, über welche ein externes Steuersignal 142a empfangen werden kann. Das externe Steuersignal kann von einem angegliederten System (nicht dargestellt), beispielsweise einem
Überwachungssystem, stammen, welches den Betrieb der Sensorvorrichtung 100 abhängig von externen Parametern steuert. Ein solcher externer Parameter kann beispielsweise eine vorab bekannte Objekteigenschaft sein.
Über die Schnittstelle 142 übertragene Signalisierungsdaten können außerdem Informationen über die erfasste und ausgewertete Szene 190 enthalten. Eine solche Information kann beispielhaft die Information sein, dass ein zur Fahndung ausgeschriebenes Nummernschild erkannt wurde, dass ein Parkplatz illegal belegt wurde, dass sich ein verdächtiger Gegenstand in der überwachten Szene 190 befindet, etc. In diesem Fall erfolgt ein entsprechender Informationsfluss von der Sensorsystem 100 bzw. genauer von der Steuereinheit 140 zu dem angegliederten System.
Alternativ oder in Kombination ist bei dem hier beschriebenen Ausführungs- beispiel auch die Datenverarbeitungseinrichtung 150 mit einer Schnittstelle 152 versehen, welche ebenfalls ein externes Steuersignal empfangen kann, das mit dem Bezugszeichen 152a versehen ist. Dieses Steuersignal 152a kann dazu verwendet werden, den Betrieb der Datenverarbeitungseinrichtung 150 zumindest teilweise von externen Informationen abhängig zu machen.
Insbesondere kann über das Steuersignal 152a ein a priori Wissen über ein Objekt 195 für eine verbesserte Auswertung der erfassten Szene 190 übermittelt werden. Wie vorstehend ausführlich beschrieben, erfolgt die Szenenerfassung durch eine "zweistufige Erfassung" mit unterschiedlichen
Photonenakkumulationen.
Der TOF-Sensor 110 umfasst eine Beleuchtungseinrichtung 130, beispielsweise ein Array von Leuchtdioden, welche die Szene 190 und damit auch das in der Szene 190 befindliche Objekt 195 mit einem gepulsten und zeitlich modulierten Beleuchtungslicht 131 beleuchtet. Ferner umfasst der TOF-Sensor 110 einen Lichtempfänger 120, welcher von dem Objekt 195 zurückgestreutes Beleuchtungslicht 131 empfängt, welches in diesem Dokument als Messlicht 196 bezeichnet wird. Die räumliche Erfassung der Szene 195 erfolgt auf der Basis der vorstehend im Detail erläuterten Prinzipien einer Laufzeitmessung, welche auch als Time Of Flight (TOF) Messung bezeichnet wird. Die entsprechenden TOF Daten werden an die Datenverarbeitungseinrichtung 150 übergeben. Dies kann direkt oder indirekt über die Steuereinheit 140 erfolgen.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Beleuchtungseinrichtung 130 neben den in Figur 1 dargestellten Beleuchtungseinheiten auch noch andere Beleuchtungs- einheiten aufweisen kann, welche die Szene 190 aus einem anderen Winkel beleuchten. Ebenfalls können die beiden Beleuchtungseinheiten auch außerhalb des Gehäuses des TOF-Sensors 110 angeordnet und damit von dem
Lichtempfänger 120 weiter beabstandet sein. An den Prinzipien der
durchgeführten TOF Messung ändert sich dadurch nichts.
Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird basierend auf diesen 3D Daten die erfasste optische Szene 190 mittels geeigneter Methoden der
Bildauswertung ausgewertet. Dazu werden erste Daten von der vorstehend beschriebenen ersten Szenenerfassung mit der ersten Photonenakkumulation und/oder zweite Daten von der vorstehend beschriebenen zweiten
Szenenerfassung mit der zweiten Photonenakkumulation verwendet.
Zur Erfassung eines Bewegungsprofils des Objekts 195 wird innerhalb gewisser zeitlicher Abstände jeweils ein Bild der Szene 190 mit der ersten
Szenenerfassung und/oder der zweiten Szenenerfassung erfasst. Damit ist die Datenverarbeitungseinrichtung 150 in der Lage, basierend auf entsprechenden Positionsverschiebungen des Objekts 195 nicht nur dessen Geschwindigkeit als Absolutwert sondern als Bewegungsvektor (mit einer Richtungsinformation) zu bestimmen. Eine Kenntnis der genauen Position und/oder des Bewegungsprofils des Objekts 195 kann dann in vorteilhafter Weise dazu verwendet werden, die beiden Motoren 187 in geeigneter Weise von der Datenverarbeitungseinrichtung 150 anzusteuern. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel werden bei einer verschlossenen Öffnung 184 die Schiebetüren 186 lediglich dann geöffnet, wenn sich das Objekt 195 tatsächlich in Richtung der Öffnung 184 bewegt. Falls es sich bei dem Objekt 195 um ein Fahrzeug eines sogenannten Querverkehrs handelt, welches sich im Wesentlichen an der Öffnung 184 vorbei bewegt, dann wird der entsprechende Bewegungsvektor von der
Datenverarbeitungseinrichtung 150 erkannt und es unterbleibt ein Öffnen der Schiebetüren 186.
Nach einem Passieren des Objekts 195 durch die Öffnung 184 kann diese zügig wieder geschlossen werden, um beispielsweise ein Passieren von weiteren
Objekten zu verhindern. In diesem Zusammenhang ist es offensichtlich, dass nicht nur der Zeitpunkt, zu dem die Öffnung freigegeben werden muss, sondern auch der Zeitraum, für den die Öffnung 184 offengehalten werden muss, von der Geschwindigkeit des Objekts 195 abhängt, mit der sich dieses in Richtung auf die Öffnung 184 und durch die Öffnung 184 hindurch bewegt. Durch eine Erkennung des Objekts 195 kann eine Optimierung des Betriebs der Eingangsstruktur 180 durch eine geeignete Ansteuerung der Motoren 187 erreicht werden : Für
Menschen sollte ein Durchgang nämlich im Vergleich zu leblosen Objekten früher geöffnet und später geschlossen werden, um den Menschen die Angst vor einer Kollision mit den Schiebetüren 186 zu nehmen.
Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Sensorsystem 100 ferner in der Lage, eine Objekterkennung vorzunehmen. Dazu greift die
Datenverarbeitungseinrichtung 150 auf einen in der Datenbank 160 abgelegten Datensatz von Referenzobjekten zu, welche ausgewählten Objekten entsprechen, die autorisiert sind, die Öffnung 184 zu passieren. Dies bedeutet, dass bei einer geeigneten Annäherung des Objekts 195 an den Eingang 184 die Schiebetüren 186 lediglich dann geöffnet werden, wenn das erkannte Objekt 195 zumindest annähernd mit einem der hinterlegten Referenzobjekten übereinstimmt. Dies bedeutet anschaulich, dass bei der hier beschriebenen Verwendung des Sensorsystems 100 die Bedeckungscharakteristik der Öffnung 184 nicht nur von dem Bewegungsprofil des Objekts 195 abhängt, sondern dass auch noch eine objektbasierte Zugangskontrolle stattfindet.
Figur 2 zeigt eine weiteren Verwendung bzw. einen weiteren Einsatz des
Sensorsystems 100. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in Figur 2 lediglich der TOF-Sensor 110 des Sensorsystems 100 dargestellt.
Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel erfasst der TOF-Sensor 110 einen Verkehrsfluss von (verschiedenen) Objekten 295a, 295b, 295c, 295d und 295e, welche sich auf einem Förderband 298 befinden und entlang der durch einen Pfeil dargestellten Bewegungsrichtung durch eine Szene 290 hindurch bewegen. Eine zuverlässige Kenntnis der Anzahl und/oder der Art der Objekte 295a - 295e kann im Bereich der Logistik für eine Steuerung des Verkehrsflusses verwendet werden. Lediglich ein Beispiel für eine solche Steuerung eines
Verkehrsfluss ist die Steuerung des Gepäcktransportes in einem Flughafen. Dabei können auch Etiketten auf den betreffenden Objekten 295a - 295e die Art des jeweiligen Objektes bestimmen. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass der Einsatz in einem Flughafen lediglich ein Beispiel von einer Vielzahl von anderen Anwendungsmöglichkeiten auf dem Gebiet der Verkehrsteuerung ist.
Die Figuren 3a und 3b illustrieren ein Zusammenfassen von Einzelpixeln eines als ein Halbleiter- bzw. CCD Chip ausgebildeten Lichtempfängers 320a bzw.
320b. Der Lichtempfänger 320a weist eine Vielzahl von lichtsensitiven bzw.
Photonen sammelnden Pixeln 322a auf. Gemäß dem hier dargestellten
Ausführungsbeispiel sind die Pixel 322a der vollen räumlichen Auflösung des Lichtempfängers 320a zugeordnet, welche Auflösung durch die Halbleiter- Architektur des Chips 320a vorgegeben ist. Bei dem Lichtempfänger 320b sind jeweils vier der lichtsensitiven Pixel (für eine volle Auflösung) zu einem übergeordneten Pixel 322b (für eine erhöhte
Photonenakkumulation pro Pixel auf Kosten einer reduzierten räumlichen
Auflösung) zusammengefasst. Anschaulich ausgedrückt sammelt ein Pixel 322b im Vergleich zu einem einzelnen Pixel 322a eine vierfache Menge an Licht auf.
Ein solches Zusammenfassen (Englisch "Binning") reduziert die erforderliche (Mindest)Intensität des erfassten Messlichts, welche zum Auswerten des entsprechenden Bildbereiches der Szene benötigt wird . Da die Intensität des Messlichts unmittelbar von der Intensität des Beleuchtungslichts abhängt, kann durch das "Binning" die Intensität des Beleuchtungslichts reduziert und damit der Energieverbrauch des Sensorsystems verringert werden.
Das beschriebene "Binning" kann auch dynamisch durch eine entsprechende Ansteuerung ein und desselben Lichtempfängers 320a bzw. 320b realisiert werden. Dabei wird der Lichtempfänger entweder in einem ersten Betriebsmodus (mit voller Auflösung) oder in einem zweiten Betriebsmodus (mit
zusammengefassten Photonen sammelnden Pixeln) betrieben. Ein Umschalten zwischen verschiedenen Betriebsmodi kann von externen Steuersignalen gesteuert werden. Alternativ oder in Kombination kann ein solches Umschalten auch von der Ergebnis einer Szenenauswertung abhängen, so dass der "Binning" Betriebsmodus für eine nächste Szenenerfassung geregelt wird .
Es wird darauf hingewiesen, dass auch mehr als zwei unterschiedliche
Betriebsmodi mit jeweils einer unterschiedlich starken Zusammenfassung von Pixeln zum Einsatz kommen können. Ferner ist es möglich, in unterschiedlichen Teilbereichen des Lichtempfängers jeweils eine unterschiedliche Anzahl von Einzelpixeln zu einem Pixel zusammenzufassen. Dann können einzelne
Teilbereiche der Szene mit einer höheren räumlichen Auflösung (und einer geringeren Photonenakkumulation) und andere Teilbereich der Szene mit einer niedrigeren räumlichen Auflösung (und einer höheren Photonenakkumulation) erfasst werden. Das beschriebene lokale und unterschiedlich starke Zusammenfassen von Pixeln kann dynamisch bzw. adaptiv in genau den
Teilbereichen durchgeführt werden kann, in denen sich gerade ein bestimmtes Objekt befindet.
Die Figuren 4a bis 4c zeigen verschiedene Strahlquerschnitte eines
Beleuchtungslichts zum Anpassen der Beleuchtung an die Form der zu
erfassenden Szene. Ein in Figur 4a illustriertes erstes Beleuchtungslicht 431a hat einen im Wesentlichen kreisförmigen Strahlquerschnitt und eignet sich bevorzugt für "runde Szenen". Für die meisten Anwendungsfälle, welche keine "runde Szene" erfassen (und auswerten), eignet sich jedoch ein von einer Kreisform abweichender Strahlquerschnitt. In Figur 4b ist ein Beleuchtungslicht 431b mit einem elliptischen Strahlquerschnitt dargestellt. Figur 4c zeigt ein
Beleuchtungslicht 431c mit einem rechteckigen Strahlquerschnitt. Wie
vorstehend bereits erwähnt, kann der Strahlquerschnitt durch eine
entsprechende Formgebung der Beleuchtungseinrichtung und/oder durch optische Komponenten wie Spiegel und refraktive optische Elemente (z.B.
Linsensystem) auf geeignete Weise an die jeweils zu erfassende Szene angepasst werden. Auch Diffraktive Optische Elemente (DOE) können verwendet werden, welche optional sogar eine dynamische und/oder szenenabhängige Formung des Strahlquerschnitts ermöglichen.
Es wird angemerkt, dass der Begriff "aufweisen" nicht andere Elemente
ausschließt und dass das "ein" nicht eine Mehrzahl ausschließt. Auch können Elemente, die in Zusammenhang mit unterschiedlichen Ausführungsbeispielen beschrieben sind, kombiniert werden. Es sollte auch angemerkt werden, dass Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Schutzbereich der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen. BEZUGSZEICHEN :
100 Sensorsystem
110 TOF-Sensor
111 Halterung
120 Lichtempfänger
130 Beleuchtungseinrichtung
131 Beleuchtungslicht
140 Steuereinheit
142 Schnittstelle
142a externes Steuersignal
150 Datenverarbeitungseinrichtung
160 Datenbank
152 Schnittstelle
152a externes Steuersignal
180 Eingangsstruktur
182 stationäre Haltestruktur
184 Öffnung / Eingang
186 Verschließkörper / Schiebetür
187 Motor
190 Szene
195 Objekt
196 Messlicht
290 Szene
295a-e Objekte
298 Förderband
320a/b Lichtempfänger / Sensorchip
322a Pixel
322b übergeordnetes Pixel / zusammengefasstes Pixel a Beleuchtungslicht mit rundem Querschnittb Beleuchtungslicht mit elliptischen Querschnittc Beleuchtungslicht mit rechteckigem Querschnitt

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Sensorsystem (100) zum dreidimensionalen optischen Erfassen einer Szene (190), das Sensorsystem (100) aufweisend
einen Sensor (110) zum Messen von Distanzen basierend auf einer
Lichtlaufzeit;
eine Steuereinheit (140) zum Steuern des Betriebs des Sensors (110) derart, dass
bei einer ersten Erfassung der Szene (190) pro Pixel (322a) des Sensors (110) eine erste Anzahl an Photonen akkumuliert wird und
bei einer zweiten Erfassung der Szene (190) pro Pixel (322b) des Sensors (110) eine zweite Anzahl an Photonen akkumuliert wird, wobei die zweite Anzahl größer ist als die erste Anzahl; und
eine dem Sensor (110) nachgeschaltete Datenverarbeitungseinrichtung (150), welche konfiguriert ist, die Szene (190) auszuwerten basierend auf einem ersten Ergebnis der ersten Erfassung der Szene (190) und/oder einem zweiten Ergebnis der zweiten Erfassung der Szene (190).
2. Sensorsystem (100) gemäß dem vorangehenden Anspruch, ferner aufweisend eine Halterung (111), welche mit dem Sensor (110) mechanisch gekoppelt ist, wobei die Halterung (111) derart ausgebildet ist, dass das Sensorsystem (100) an einer in Bezug auf die zu erfassende Szene stationären Haltestruktur (182) anbringbar ist.
3. Sensorsystem (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung (150) ferner derart konfiguriert ist, dass eine Bedeckungscharakteristik einer von einem Objekt (195) zu passierenden Öffnung (184) durch zumindest einen Verschließkörper (186) steuerbar ist.
4. Sensorsystem (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (140) eine Schnittstelle (142) aufweist und die Steuereinheit (140) ferner derart konfiguriert ist, dass die Akkumulierung der ersten Anzahl von Photonen und/oder die Akkumulierung der zweiten Anzahl von Photonen von einem externen Steuersignal (142a) steuerbar ist.
5. Sensorsystem (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Erfassung der Szene (190) mit einer ersten Messdauer und die zweite Erfassung der Szene mit einer zweiten Messdauer durchgeführt wird, wobei die zweite Messdauer länger ist als die erste Messdauer.
6. Sensorsystem (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung (150) mit der Steuereinheit (140) gekoppelt ist und die Datenverarbeitungseinrichtung (150) ferner konfiguriert ist, abhängig von dem ersten Ergebnis und/oder dem zweiten Ergebnis über die Steuereinheit (140) ein Akkumulieren der Anzahl von Photonen für zumindest eine
nachfolgende erste Erfassung und/oder eine nachfolgende zweite Erfassung zu steuern.
7. Sensorsystem (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (140) und der Sensor (110) derart konfiguriert sind, dass die im Vergleich zu der ersten Anzahl höhere zweite Anzahl von akkumulierten Photonen durch ein Zusammenfassen von benachbarten Einzelpixeln (322a) zu einem Pixel (322b) realisiert ist.
8. Sensorsystem (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Sensor aufweist
eine Beleuchtungseinrichtung (130) zum Aussenden von Beleuchtungslicht (131) auf ein zu erfassendes Objekt (195) in der Szene (190) und
einen Lichtempfänger (120) zum Empfangen von Messlicht (196), welches zumindest teilweise an einem Objekt (195) der Szene (190) gestreutes Beleuchtungslicht (131) ist, das auf den Lichtempfänger (120) auftrifft, wobei der Sensor (110) konfiguriert ist die Lichtlaufzeit zu messen basierend auf
(a) einer Messung der Zeitspanne zwischen einen Aussenden eines Pulses des Beleuchtungslichts (131) und dem Empfang des zu dem Puls gehörigen
Messlichts (196) und/oder
(b) einer Messung einer Phasenverschiebung zwischen einer zeitlichen
Modulation des Beleuchtungslichts (131) und einer zugehörigen Modulation des Messlichts (196).
9. Sensorsystem (100) gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei die
Beleuchtungseinrichtung (130) konfiguriert ist,
das Beleuchtungslicht (131) mit einem von einer Kreisform (431a) abweichenden Strahlquerschnitt (431b, 431c) bereitzustellen.
10. Sensorsystem (100) gemäß einem der beiden vorangehenden Ansprüche, wobei die Beleuchtungseinrichtung (130) konfiguriert ist,
für die erste Erfassung der Szene (190) das Beleuchtungslicht (131) mit einer ersten Beleuchtungsintensität auszusenden und
für die zweite Erfassung der Szene (190) das Beleuchtungslicht (131) mit einer zweiten Beleuchtungsintensität auszusenden, wobei die zweite Intensität größer ist als die erste Intensität.
11. Sensorsystem (100) gemäß einem der drei vorangehenden Ansprüche, wobei die Beleuchtungseinrichtung (130)
(i) zumindest indirekt mit der Datenverarbeitungseinrichtung (150) gekoppelt ist und
(ii) konfiguriert ist, eine Beleuchtungscharakteristik des ausgesandten
Beleuchtungslichts (131) in Abhängigkeit von dem ersten Ergebnis und/oder von dem zweiten Ergebnis zu steuern.
12. Sensorsystem (100) gemäß einem der vier vorangehenden Ansprüche, wobei die Beleuchtungseinrichtung (130) konfiguriert ist, die
Beleuchtungscharakteristik des ausgesandten Beleuchtungslichts (131) in
Abhängigkeit von einem externen Steuersignal (142a) zu steuern.
13. Sensorsystem (100) gemäß einem der beiden vorangehenden Ansprüche, wobei
die Beleuchtungscharakteristik durch zumindest eines der folgenden Merkmale bestimmt ist:
(a) Beleuchtungsintensität für zumindest einen Teilbereich der Szene (190),
(b) Unterschiede in der Beleuchtungsintensität zwischen verschiedenen
Teilbereichen der Szene (190),
(c) Wellenlänge des Beleuchtungslichts (131),
(d) spektrale Verteilung des Beleuchtungslichts (131),
(e) Polarisationsrichtung des Beleuchtungslichts (131), und
(f) Intensitätsverteilung für unterschiedliche Polarisationsrichtungen des
Beleuchtungslichts (131).
14. Verfahren zum dreidimensionalen optischen Erfassen einer Szene (190), das Verfahren aufweisend
Bereitstellen eines Sensors (110) zum Messen von Distanzen basierend auf einer Lichtlaufzeit;
Steuern des Betriebs des Sensors (110) derart, dass
bei einer ersten Erfassung der Szene (190) pro Pixel (322a) des Sensors (110) eine erste Anzahl an Photonen akkumuliert wird und
bei einer zweiten Erfassung der Szene (190) pro Pixel (322b) des Sensors (110) eine zweite Anzahl an Photonen akkumuliert wird, wobei die zweite Anzahl größer ist als die erste Anzahl; und
Auswerten der Szene (190) mittels einer dem Sensor (110)
nachgeschalteten Datenverarbeitungseinrichtung (150) basierend auf einem ersten Ergebnis der ersten Erfassung der Szene (190) und/oder einem zweiten Ergebnis der zweiten Erfassung der Szene (190).
15. Verfahren gemäß dem vorangehenden Anspruch, ferner aufweisend
Erfassen eines in der Szene befindlichen Objekts (195);
Vergleichen des erfassten Objekts (195) mit zumindest einem
Vergleichsobjekt; und,
wenn das Objekt (195) innerhalb vorgegebener zulässiger Abweichungen mit einem Vergleichsobjekt übereinstimmt, Identifizieren des Objekts (195) als ein für eine bestimmte Aktion zugelassenes Objekt (195).
16. Verwendung eines Sensorsystems (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 13 für ein Steuern einer Bedeckungscharakteristik einer von einem Objekt (195) zu passierenden Öffnung (184) durch zumindest einen Verschließkörper (186).
17. Verwendung gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei
die Öffnung (184) ein Eingang oder ein Ausgang ist, insbesondere ein
Notausgang in einem Gebäude.
18. Verwendung gemäß einem der beiden vorangehenden Ansprüche, wobei das Objekt (195) eine Person oder ein Fahrzeug ist.
19. Verwendung eines Sensorsystems (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 13 für ein Erfassen und/oder Steuern von Verkehrsströmen von Objekten (295a-295e), welche sich durch eine Szene (290) des Sensorsystems (100) bewegen, wobei die Szene (190) durch einen räumlichen
Erfassungsbereich des Sensorsystems (100) bestimmt ist.
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