Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Detektion und Höhenbestimmung von Objekten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Detektion und Höhenbestimmung von Objekten in einem Fahrzeugumfeld.
Für hoch automatisiertes Fahren werden Sensorsysteme benötigt, die auch kleine Hindernisse in großen Entfernungen zuverlässig detektieren können. Zurzeit werden LIDAR-Systeme und Stereokamerasysteme für diese Aufgabe entwickelt, da sie die Möglichkeit bieten, das Umfeld in 3D abzubilden. So können gleichzeitig Größe und Entfernung der Hindernisse und der Freiraum erfasst werden. Stereokamerasysteme bieten eine deutlich höhere laterale Auflösung als LIDAR-Systeme, während LIDAR-Systeme eine sehr genaue Entfernungsbestimmung erlauben. Allerdings ist es mit den aktuellen Lösungen nicht möglich kleine Objekte auf eine weite Distanz zu detektieren.
Es ist demnach eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren sowie ein System bereitzustellen, mittels welchen kleine Objekte zuverlässig detektierbar sind und die Höhe der Objekte zuverlässig bestimmt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche 1 und 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erste Überlegungen waren dahingehend, dass eine genaue Schätzung der Höhe eines Objekts erforderlich ist, um eine Gefährdung durch kleine Hindernisse beurteilen zu können.
Bisherige Stereoverfahren beruhen überwiegend auf dem SGM -(Semi Global Matching) Verfahren. In letzter Zeit werden zunehmend auch machine
learning-Verfahren auf Basis tiefer neuronaler Netze verwendet, die mit ground truth-Daten von LIDAR-Messungen angelernt werden.
Um kleine Objekte von 10cm Höhe in 100m Entfernung detektieren zu können, benötigt man eine Winkelauflösung von mindestens 0,03 Grad. Hochauflösende LIDAR-Systeme liegen noch um einen Faktor 3 bis 6 über diesem Wert und sind daher für diese Aufgabe unzureichend geeignet. Hochauflösende Kamerasysteme mit 8 MPix Bildsensoren und einer Linse mit 30° Öffnungswinkel bieten eine Winkelauflösung von 130 Pixel/Grad und bilden ein 10cm hohes Objekt im 100m Entfernung auf 8 Pixeln ab.
Ein Stereokamerasystem bestehend aus 2 hochauflösenden Kameras könnte theoretisch ein so kleines Objekt in 100m Entfernung detektieren. Allerdings ist in der Regel das Signal zu Rauschen in der Tiefenkarte, die aus den Stereobildern gewonnen wird, zu schlecht, um das Objekt eindeutig zu detektieren und gleichzeitig auch noch die Höhe des Objektes zu bestimmen.
Erfindungsgemäß wird daher ein Verfahren zur Detektion und Höhenbestimmung von Objekten mittels eines Umfelderfassungssystems, umfassend einen ersten und einen zweiten Umfelderfassungssensor eines Fahrzeugs, wobei zumindest einer der Umfelderfassungssensoren eine Kamera ist, mit den folgenden Schritten vorgeschlagen:
- Aufnehmen eines Monobildes mit der Kamera,
- Aufnehmen einer Umfeldrepräsentation mit dem zweiten Umfelderfassungssensor,
- Durchführen einer Objektdetektion in dem Monobild,
- Durchführen einer Objektdetektion in der Umfeldrepräsentation des zweiten Umfelderfassungssensors,
- Durchführen einer Entfernungsbestimmung zu dem Objekt in der Umfeldrepräsentation des zweiten Umfelderfassungssensors,
- Durchführen einer Höhenbestimmung des detektierten Objekts.
Bei der Kamera handelt es sich bevorzugt um eine hochauflösende Telekamera. Diese Kamera hat beispielsweise eine Auflösung von 8 Mpix und einen Öffnungswinkel von 30° sowie eine Winkelauflösung von 130 Pixeln/Grad. Der zweite Umfelderfassungssensor ist beispielsweise eine Stereokamera. In diesem Fall wäre das Umfelderfassungssystem als eine Stereokamera ausgebildet und die Monokamera könnte in dieser Ausgestaltung ein Bestandteil des Stereosystems sein. Denkbar wäre auch eine einzelne Monokamera und eine separate Stereokamera zu verwenden. In dieser Ausgestaltung wäre die Umfeldrepräsentation des zweiten Umfelderfassungssensors ein Tiefenbild. Denkbar wäre auch als zweiten Umfelderfassungssensor einen Radar- oder Lidarsensor zu verwenden. Bei einem Radarsensor wäre die Umfeldrepräsentation eine Objektliste oder eine Radarsignaturliste, in welcher detektierte Objekte oder Radarsignaturen und deren Entfernungen zum Fahrzeug eingetragen werden. Diese Daten können dann mit dem Monobild fusioniert werden. Bei einem Lidarsensor als zweiten Umfelderfassungssensor wäre die Umfeldrepräsentation eine Punktwolke. In den Ansprüchen wird aus Gründen der Lesbarkeit die Einzahl bei dem Objekt verwendet. Es ist allerdings selbstverständlich, dass auch mehrere Objekte detektiert werden können. Es ist weiter anzumerken, dass die beiden Schritte zur Objektdetektion zeitgleich oder nacheinander in einer beliebigen Reihenfolge stattfinden können. Es kann beispielsweise zuerst die Objektdetektion in der Umfeldrepräsentation des zweiten Umfelderfassungssensors durchgeführt werden und danach erst die Objektdetektion im Monobild. Denkbar wäre wie gesagt auch eine umgekehrte Reihenfolge oder ein zeitgleicher Ablauf.
Die Detektion des Objekts in dem Monobild gibt die Größe des Objekts in Pixeln an. Mittels des zweiten Umfelderfassungssensors, insbesondere wenn dieser ein Radar- oder Lidarsensor ist, wird bevorzugt die Entfernung zu dem Objekt gemessen.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird die Höhe des Objekts basierend auf einer Höhe des Objekts in Pixeln in dem Monobild, der bestimmten Entfernung des Objekts sowie einer bekannten Winkelauflösung der
Umfelderfassungssensoren bestimmt. Die Winkelauflösung der jeweiligen Sensoren ergeben sich aus den spezifischen Sensordaten.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird die Objektdetektion in dem Monobild mittels einer semantischen Segmentierung basierend auf einem trainierten Convolutional Neural Network CNN durchgeführt. Dies ist vorteilhaft, da mittels der semantischen Segmentierung effizient Objekte detektiert werden können und mittels eines entsprechend trainierten CNN nicht nur die Detektion von Objekten verbessert werden kann, sondern auch die Form des Objekts bestimmt werden kann. Diese Information kann hilfreich sein, um festzulegen, ob ein Objekt nötigenfalls überfahrbar wäre, ohne das Fahrzeug zu beschädigen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird nach dem Durchführen der Objektdetektionen das Objekt mittels Abgleich des Monobilds und der zweiten Umfeldrepräsentation bestätigt. Es wird in dieser Ausgestaltung verglichen, ob die Positionen der Detektionen übereinstimmen. Falls eine Übereinstimmung bei dem Abgleich vorliegt, ist das Objekt zweifelsfrei bestätigt.
Weiter legt in einer besonders bevorzugten Ausführungsform die Objektdetektion eines der Umfelderfassungssensoren einen Interessensbereich für den anderen Umfelderfassungssensor fest. Das bedeutet, dass beispielsweise die Objektdetektion des zweiten Umfelderfassungssensors, beispielsweise mittels Radarsensosor, eine Region of interest (ROI) bzw. eine Interessensbereich oder auch Suchbereich für die Kamera festlegt. Somit wird erreicht, dass nur dieser bestimmte Bereich in dem Monobild auf ein Objekt hin untersucht wird. Dies führt zu einer effizienteren Objektdetektion. Denkbar wäre auch, dass die Objektdetektion im Monobild eine Empfindlichkeitserhöhung im Radarsuchfeld erlaubt. Dadurch kann erreicht werden, dass beispielsweise sehr schwache Radardetektionen als Objekte erkannt werden können. Dies führt auch hier zu einer effizienteren und vor allem sichereren Objektdetektion.
Weiter ist erfindungsgemäß ein Umfelderfassungssystem für ein Fahrzeug vorgesehen umfassend einen ersten und einen zweiten Umfelderfassungssensor
mit einer bestimmten Winkelauflösung und eine Recheneinheit, wobei zumindest der erste Umfelderfassungssensor als Kamera ausgestaltet ist, wobei ein Monobild mit der Kamera und eine weitere Umfeldrepräsentation mit dem zweiten Umfelderfassungssenor aufgenommen wird, wobei die Recheneinheit ausgestaltet ist, ein Objekt in dem Monobild sowie in der Umfeldrepräsentation des zweiten Umfelderfassungssensors zu detektieren, wobei die Recheneinheit weiter ausgestaltet ist, eine Entfernungsbestimmung sowie eine Höhenbestimmung des Objekts durchzuführen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der erste Umfelderfassungssensor eine Telekamera ist und der zweite Umfelderfassungssensor eine Stereokamera, ein Radarsensor oder ein Lidarsensor.
Weiter ist bevorzugt, wenn der zweite Umfelderfassungssensor als Stereokamera ausgestaltet ist, die Telekamera ein Bestandteil der Stereokamera. Der zweite Umfelderfassungssensor wäre somit die Stereokamera und der erste nach wie vor eine Monokamera. Die Stereokamera dient hierbei als höhenbestimmender Sensor durch Höhenbestimmung in einem Tiefenbild.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Ausführungsformen sind Gegenstand der Zeichnungen. Darin zeigen:
Fig. 1 : ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens;
Fig. 2: eine schematische Darstellung eines Umfelderfassungssystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3: eine Darstellung einer beispielhaften Szene;
Fig. 4: eine beispielhafte Darstellung eines Tiefenbilds aus der in Fig. 3 dargestellten Szene.
Die Figur 1 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zur Detektion und Höhenbestimmung von Objekten mittels eines Stereoerfassungssystems, umfassend einen ersten und einen zweiten Umfelderfassungssensor eines Fahrzeugs, wobei zumindest einer der Umfelderfassungssensoren eine Monokamera ist. In Schritt S1 wird ein Monobild mittels der Kamera aufgenommen. In Schritt S2 wird eine Umfeldrepräsentation mit dem zweiten Umfelderfassungssensor aufgenommen. In einem darauffolgenden Schritt S3 wird eine Objektdetektion in dem Monobild durchgeführt. In einem Schritt S4 wird eine Objektdetektion in der Umfeldrepräsentation des zweiten Umfelderfassungssensors durchgeführt. Die Schritte S3 und S4 können nacheinander in beliebiger Reihenfolge also S4 vor S3 oder S3 vor S4 oder zeitgleich durchgeführt werden. In Schritt S5 wird eine Entfernungsbestimmung zu dem Objekt in der Umfeldrepräsentation des zweiten Umfelderfassungssensors durchgeführt. Abschließend wird in Schritt S6 eine Höhenbestimmung des detektierten Objekts durchgeführt.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Umfelderfassungssystems 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Umfelderfassungssystem 1 umfasst dabei einen ersten Umfelderfassungssensor 2a, welcher bevorzugt als Kamera ausgestaltet ist, und einen zweiten Umfelderfassungssensor 2b. Diese zwei Umfelderfassungssensoren 2a, 2b sind dabei über eine Datenverbindung D mit einer Recheneinheit 3 verbunden. Diese Recheneinheit 3 ist dazu ausgestaltet, ein Objekt dem Monobild zu detektieren, wobei die Recheneinheit weiter ausgestaltet ist, eine Objektdetektion in dem Monobild und der Umfeldrepräsentation des zweiten Umfelderfassungssensors durchzuführen und wobei die Recheneinheit weiter ausgestaltet ist, eine Entfernungsbestimmung sowie eine Höhenbestimmung des Objekts durchzuführen. Die Datenverbindung D kann dabei kabelgebunden oder kabellos ausgestaltet sein.
Figur 3 zeigt eine Darstellung einer beispielhaften Szene. In dieser Darstellung ist ein Ausschnitt einer Fahrbahn gezeigt. Auf dieser Fahrbahn befinden sich drei Objekte 01 , 02, 03. Die Darstellung ist hierbei Monobild M. Die Objekte 01 , 02, 03
werden in dem Monobild M beispielsweise mittels einer semantischen Segmentierung detektiert.
Figur 4 zeigt eine beispielhafte Darstellung eines Mittels einer Stereokamera aufgenommenen Tiefenbilds aus der in Fig. 3 dargestellten Szene. Hierfür ist der zweite Umfelderfassungssensor als Stereokamera ausgestaltet. In dem Tiefenbild T sind die Objekte 01, 02 und 03 als Erhabenheiten sichtbar. Auch kann in dem Tiefenbild T die Entfernung zu den Objekten 01, 02, 03 ermittelt werden.
Bezugszeichenliste
1 Umfelderfassungssystem
2a erster Umfelderfassungssensor 2b zweiter Umfelderfassungssensor
3 Recheneinheit
D Datenverbindung
M Monobild
01-03 Objekte S1-S6 Verfahrensschritte
T Tiefenbild