Verfahren zur Detektion von Niederschlag auf einer Scheibe Method for detecting precipitation on a pane
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Niederschlag auf einer Scheibe. Stand der Technik sind dabei Verfahren mit aktiver Beleuchtung der Scheibe, wie diese beispielsweise der DE 197 40 364 A1 oder DE 198 46 969 A1 zu entnehmen sind. Dabei wird über eine oder mehre Lichtquellen Licht in die Windschutzscheibe eingespeist. Da Regentropfen das Reflektionsverhalten beeinflussen, kann mittels eines Photosensors, die Differenz zwischen eingekoppelter- und reflektierter Lichtmenge an der Scheibe gemessen und damit Regen detektiert werden. Die Erkennung von trockenen/stäubförmigen Niederschlag, Vereisung sowie Kondensationsbeschlag auf der Innenseite der Scheibe ist mit den bisher bekannten aktiven Verfahren nicht möglich. Zudem ist eine separate Sensoreinheit mit einer aktiven Beleuchtung erforderlich. Aufgabe der Erfindung ist es, ein alternatives Verfahren zur Detektion von Niederschlag vorzustellen, der vorzugsweise alle Niederschlagsarten erfassen kann.The invention relates to a method for the detection of precipitation on a disk. State of the art are methods with active illumination of the disc, as can be found for example in DE 197 40 364 A1 or DE 198 46 969 A1. In this case, light is fed via one or more light sources in the windshield. Since raindrops influence the reflection behavior, the difference between the amount of light coupled in and reflected on the pane can be measured by means of a photosensor and thus rain detected. The detection of dry / dusty precipitation, icing and condensation fitting on the inside of the disc is not possible with the previously known active method. In addition, a separate sensor unit with active lighting is required. The object of the invention is to introduce an alternative method for the detection of precipitation, which can preferably detect all types of precipitation.
In Kraftfahrzeugen werden zudem zukünftig in vermehrtem Umfang Kamerasensoren zur Umfeldbeobachtung, z.B. für Fahrspurerkennung, Objekterkennung, mit Blick in Fahrrichtung oder in den Rückfahrtbereich eingesetzt. Diese sind häufig im Inneren des Fahrzeugs hinter der Windschutzscheibe angeordnet. Ein Kamerasensor zur Umfeldbeobachtung ist auf ein Zielgebiet in der Umgebung des Fahrzeugs fokussiert, also ausserhalb der Abmessungen des Fahrzeugs auf die Fahrbahn in einem Bereich von typischerweise einigen Metern vor der Front des Fahrzeugs angeordnet ist. Die Kamera ist also gerade nicht auf die Windschutzscheibe fokussiert und kann daher nicht direkt Niederschlagspartikel erkennen, da er diese nicht scharf abbilden kann.In motor vehicles, moreover, camera sensors for environmental observation, e.g. used for lane detection, object recognition, with a view in the direction of travel or in the return area. These are often located inside the vehicle behind the windshield. A camera sensor for environmental observation is focused on a target area in the vicinity of the vehicle, that is outside the dimensions of the vehicle is arranged on the road in a range of typically several meters in front of the front of the vehicle. The camera is currently not focused on the windshield and therefore can not detect precipitation particles directly, as it can not image them sharply.
Kameras können im Sinne dieser Anmeldung nicht nur optische Empfängerchips auf CMOS- oder PIN-Dioden-Arrays sein, sondern auch scannende Systeme, welche das Urngebungsbild als zeilenweise auf einen Empfänger abbilden und die Bildpixel somit Schwenkstellung des Scanners entsprechen, wie dies bspw. aus der DE 10135107 A1 zu entnehmen ist.For the purposes of this application, cameras can not only be optical receiver chips on CMOS or PIN diode arrays, but also scanning systems which image the image as lines per line onto a receiver and thus match the image pixels in the swivel position of the scanner, as can be seen in FIG DE 10135107 A1 can be seen.
Die Erfindung beruht darauf, dass Niederschlag auf der Scheibe das Bild in seiner Schärfe und lokalen Kontrasthaltigkeit verändern. Regentropfen wie auch Kondensationsbeschlag auf der Innenseite der Scheibe bilden Streulinsen, die im Bild einen Weichzeichner-Effekt erzeugen.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass auch mit einer Kameraanordnung zur Umfeldbeobachtung, die nicht auf die Windschutzscheibe des Fahrzeugs fokussiert ist, die Möglichkeit besteht, aus dem erfassten Bild oder entsprechenden Ausschnitten Informationen über Niederschlag auf der Scheibe zu extrahieren. Dazu werden Bildverarbeitungsalgorithmen angewendet, die sich an dem Grundeffekt der Weichzeichnung bei Niederschlag orientieren.The invention is based on the fact that precipitation on the pane changes the image in its sharpness and local contrast. Raindrops as well as condensation fitting on the inside of the disk form scattering lenses, which create a soft focus effect in the picture. According to the invention, it has been recognized that even with a camera arrangement for environmental observation, which is not focused on the windshield of the vehicle, it is possible to extract information about rainfall on the windshield from the captured image or corresponding sections. For this purpose, image processing algorithms are applied, which are based on the basic effect of softening during precipitation.
Hierfür bieten sich grundsätzlich die Analyse im Ortsbereich durch Kontrastmessung, insbesondere in vorgegebenen Bildausschnitten mit relativ konstantem Hintergrundbild oder die Analyse im Zeitbereich durch Differenzbildvergleich sowie im Frequenzbereich mittels einer Fourier-Transformation (FT) des gesamten Bildes oder vorgegebener Bildausschnitte bis hin zur eindimensionalen, also zeilenweisen diskreten FT. insbesondere zeigt die Bewertung lokaler Kontrastunterschiede benachbarter Pixel, bei zeilenweiser Erfassung bspw. beschränkt auf die jeweils zwei benachbarten Pixel oder die 9 Pixel um einen mittleren Pixel bei einer Matrixanordnung schon eine signifikante Empfindlichkeit. Der gemessene Kontrast ist jedoch abhängig vom Hintergrundbild und der Größe und Position des verwendeten Bildausschnitts. Jedoch hat sich gezeigt, dass gerade die Bewertung der lokalen Kontrastunterschiede benachbarter Pixel gemittelt über das gesamte Bild bei typischen Umgebungssituationen im Straßenverkehr eine geringere Abhängigkeit von den jeweiligen Umgebungs- und Beleuchtungssituationen hat als die rein lokale Bewertung.For this purpose, the analysis in the local area by contrast measurement, in particular in predetermined image sections with relatively constant background image or analysis in the time domain by differential image comparison as well as in the frequency domain by means of a Fourier transform (FT) of the entire image or predetermined image sections to the one-dimensional, ie line by line discrete FT. In particular, the evaluation of local contrast differences of adjacent pixels, with line-by-line detection, for example, limited to the two adjacent pixels or the 9 pixels around a middle pixel in a matrix arrangement already shows significant sensitivity. However, the measured contrast depends on the background image and the size and position of the image section used. However, it has been found that the assessment of the local contrast differences of adjacent pixels averaged over the entire image in typical environmental situations in traffic has a lower dependence on the respective ambient and lighting situations than the purely local assessment.
Urn Einflüsse aus der Szene weiter zu eliminieren ist der Einsatz des Wischers und der Vergleich zweier Bilder vor und nach dem Wischvorgang besonders bevorzugt. Wird durch einen Wischvorgang das Spektrum des Bildes stark verändert, so handelt es sich um Nässe auf der Scheibe. Wird durch den Wischvorgang das Spektrum des Bildes nicht verändert befindet sich auf der Scheibe keine Nässe. Alternativ oder ergänzend kann auch eine Heizspirale in der Scheibe bzw. an der Scheibe angeordnet werden, um Vergleichsbilder zu schaffen.In order to further eliminate influences from the scene, the use of the wiper and the comparison of two images before and after the wiping process are particularly preferred. If the spectrum of the image is changed by a wiping process, it is wet on the glass. If the wipe does not change the spectrum of the image, there is no moisture on the glass. Alternatively or additionally, a heating coil can also be arranged in the pane or on the pane in order to create comparative images.
Aus der Bildverarbeitung sind dabei zahlreiche Bewertungsmethoden für die Schärfe und lokale Kontraständerung bekannt. Durch zweidimensionale Fourier-Transformation und Auswertung der Ortsfrequenzen, insbesondere der hochfrequenten Anteile oder die Beschränkung auf Helligkeits- und/oder Farbunterschiede von Pixeln innerhalb eine Zone deutlich kleiner als die Gesamtgröße des Bildes sind auch die Einflüsse des Gesamtbildes des Zielgebiets und dessen Kontrastreichtum für die Auswertung deutlich geringer.
Beschlag und Vereisung führen also auf einer nicht fokussierten Scheibe zu einer lokalen Reduktion von Kontrast und Schärfe eines Bildes. Dies lässt sich im Frequenzbereich durch die Dämpfung hoher Frequenzanteile nachweisen. Hierfür seien nochmals beispielhaft einige geeignete Klassifikationsmöglichkeiten aufgeführt:Numerous evaluation methods for the sharpness and local contrast change are known from image processing. By two-dimensional Fourier transformation and evaluation of the spatial frequencies, in particular the high-frequency components or the restriction to brightness and / or color differences of pixels within a zone significantly smaller than the total size of the image are also the influences of the overall image of the target area and its contrast richness for the evaluation much lower. Fogging and icing thus lead to a local reduction of the contrast and sharpness of an image on an unfocused glass. This can be demonstrated in the frequency domain by the attenuation of high frequency components. For this purpose, once again some suitable classification options are listed:
1 ) Integriert man die hochfrequenten Spektralanteile und vergleicht sie mit einem Schwellwert, erhält man den folgenden Klassifikator.1) If one integrates the high-frequency spectral components and compares them with a threshold value, one obtains the following classifier.
f - Hιghf - Hgh
1/ΔF - jS(f)df < A f = Ju2 +v2 f -Low1 / ΔF - jS (f) df <A f = Ju 2 + v 2 f -Low
S(u,v) ist die 2D Fourier - Transformierte des Bildes. f_Low, f_High sind die untere und obere Grenzfrequenz. Delta ist der zu überschreitende Schwellwert und f die lokale Ortsfrequenz. Die horizontalen/vertikalen Frequenzanteile (u, v) und damit die Orientierungen von 2D Strukturen werden dabei vernachlässigt. Es wird nur deren absolute Frequenz f [1 /Pixelabstand] und damit deren Auflösung betrachtet.S (u, v) is the 2D Fourier transform of the image. f_Low, f_High are the lower and upper cutoff frequencies. Delta is the threshold to be crossed and f is the local spatial frequency. The horizontal / vertical frequency components (u, v) and thus the orientations of 2D structures are neglected. Only their absolute frequency f [1 / pixel pitch] and thus their resolution is considered.
Die optimalen Schwellen fJLow und f_High lassen sich aus Trainingssequenzen ermitteln, sind jedoch relativ unkritisch.The optimal thresholds fJLow and f_High can be determined from training sequences, but are relatively uncritical.
Ähnliches gilt für den Schwellwert Delta. Dieser ist von der Szenendynamik (z.B. Wüste, Wald) sowie den Kameraparametern abhängig (z.B. den Verstärkungsfaktoren für die Belichtungssteuerung). Das Fourier-Spektrum (und damit das Integral über die hohen Spektralanteile) ist direkt proportional zu Amplitude des Eingangssignals. Die Schwellen lassen sich aber offline aus Sequenzen, die Szenen mit und ohne Beschlag enthalten, ermitteln.The same applies to the threshold value delta. This depends on the scene dynamics (e.g., desert, forest) as well as the camera parameters (e.g., the exposure control gain). The Fourier spectrum (and thus the integral over the high spectral components) is directly proportional to the amplitude of the input signal. However, the thresholds can be determined offline from sequences containing scenes with or without fogging.
Befindet sich das System in einem Trackingmode (und damit in einem beschlagsfreien Zustand) lassen sich die Schwellen dynamisch an die momentane Szene anpassen. Während des Trackingmodes wird ein Mittelwert für die hochfrequenten Spektralanteile berechnet. Ist der gesetzte Schwellwert größer als der im Trackingmode (und damit im beschlagsfreiem Zustand) ermittelte Wert, lässt sich dieser reduzieren (z.B. neuer Schwellwert = (minimal zulässiger Schwellwert + Mittelwert )/2).
2) Die Amplitude des Fourier - Spektrums und damit die Energie der hochfrequenten Spektralanteile ist vom Kontrast des Bildes abhängig. (z.B. vom Verstärkungsfaktor der Kamera und damit der Tageszeit (Tag/Nacht)). Dies gilt jedoch nicht für das Verhältnis der hohen zu den tiefen Frequenzen. Daraus folgt ein zweiter, robusterer Klassifikator.If the system is in a tracking mode (and thus in a fog-free state), the thresholds can be dynamically adapted to the current scene. During the tracking mode, an average value for the high-frequency spectral components is calculated. If the set threshold value is greater than the value determined in the tracking mode (and thus in the fog-free state), this value can be reduced (eg new threshold value = (minimum permissible threshold value + mean value) / 2). 2) The amplitude of the Fourier spectrum and thus the energy of the high - frequency spectral components depends on the contrast of the image. (eg the amplification factor of the camera and thus the time of day (day / night)). However, this does not apply to the ratio of high to low frequencies. This results in a second, more robust classifier.
ΔΔ
mit dem 2D Fourier Spektrum S(u,v), der Schwelle Delta, der unteren, mittleren und oberen Grenzfrequenz f_Low, f_Medium und f_High. with the 2D Fourier spectrum S (u, v), the threshold delta, the lower, middle and upper limit frequencies f_Low, f_Medium and f_High.
Steht das gesamte Bild (zeilenweise Bildabtastung) und damit die 2D Fourier- Transformierte S(u, v) nicht zur Verfügung lässt sich diese durch Addition der 1 D Fourier- Transformierten der einzelnen Zeilen nachbilden. Stehen nicht alle Bildzeilen zur Verfügung, kann es zu einer Verschlechterung des Klassifikators kommen, da Details mit hochfrequenten Anteilen verloren gehen können, (z.b. Scheinwerfer, Sterne bei Nacht.)If the entire image (line by line image scanning) and thus the 2D Fourier transform S (u, v) are not available, they can be simulated by adding the 1 D Fourier transforms of the individual lines. If not all image lines are available, the classifier may deteriorate as details with high-frequency content may be lost (eg headlights, stars at night).
3) Um Rechenzeit zu sparen lässt sich das Verhältnis der hoch- und niederfrequenten Spektralanteile durch den Quotienten aus den Summen der Intensitäten aus hoch- (Hi) und tiefpassgefilterten (Ti) Bildpunkten einer Bildzeile gewinnen.3) In order to save computing time, the ratio of the high and low frequency spectral components can be obtained by the quotient of the sums of the intensities of high (Hi) and low-pass filtered (Ti) pixels of a picture line.
Die tiefpassgefilterten Bildpunkte Oi lassen sich z.B. durch ein rekursives Filter aus denThe low-pass filtered pixels Oi can be e.g. through a recursive filter from the
NN
-τr < Δ-τr <Δ
original Bildpunkten Oi bestimmen. T1 = Qr- O1 H- (I - Or) - O1-1 original pixels Oi determine. T 1 = Qr - O 1 H - (I - Or) - O 1-1
Die hochpassgefilterten Bildpunkte lassen sich aus den Differenzen zwischen den Originalbildpunkten und den tiefpassgefilterten Bildpunkten berechnen.The high-pass filtered pixels can be calculated from the differences between the original pixels and the low-pass filtered pixels.
H = O -T
4) Einer der einfachsten Klassifikatoren ergibt sich, falls man nur die hochfrequenten Bildanteile betrachtet.H = O -T 4) One of the simplest classifiers results if one considers only the high-frequency image components.
Die obige Gleichung entspricht einem Hochpass. Summiert man nur Werte mit abs(O(i+1)-O(i-1))>delta, lässt sich das Kamerarauschen unterdrücken und es ergibt sich ein äußerst effektiver Klassifikator. (Anmerkung: Die obige Formel entspricht einer nicht normierten Kontrastmessung über die Bildpunkte einer ganzen Zeile. (Es gilt für den Kontrast: K=(lmax-lmin)/(lmax+lmin). Sind nur zwei Werte vorhanden erhält man K=(H- I2)/(I1 +I2) oder [l(i)-l(i+1)]/[ l(i)+l(i+1)])).The above equation corresponds to a high pass. Summing only values with abs (O (i + 1) -O (i-1))> delta, the camera noise can be suppressed, resulting in a very effective classifier. (Note: The above formula corresponds to a non-normalized contrast measurement over the pixels of a whole line. (It applies to the contrast: K = (lmax-lmin) / (lmax + lmin) If only two values are available, K = (H - I2) / (I1 + I2) or [l (i) -l (i + 1)] / [l (i) + l (i + 1)])).
Die Erfindung bietet somit einen Mehrfachnutzen einer Kamera, die zur Umgebungserfassung und als Regensensor verwendet wird. Der Kamerasensor ist dabei Umfeldbeobachtung auf ein Zielgebiet fokussiert, dass außerhalb der Abmessungen des Fahrzeugs auf die Fahrbahn beispielsweise in einem Bereich von 5 bis 30 Metern vor der Front des Fahrzeugs angeordnet ist. Die aus der Umfeldbeobachtung gewonnenen Informationen können z.B. in Fahrerassistenzfunktionen wie Lane Depature Warning oder Nightvision eingesetzt werden. Das hier erfindungsgemäß vorgestellte Verfahren zur Erkennung von Niederschlägen auf der Windschutzscheibe beruht genau auf dieser Fokuseigenschaft, und unterscheidet sich von dem eines konventionellen Regensensors, wo der Fokus einer Kamera direkt auf die Windschutzscheibe gerichtet ist.
The invention thus provides a multiple benefit of a camera that is used for environmental detection and as a rain sensor. The camera sensor is focused environment observation on a target area that is located outside the dimensions of the vehicle on the road, for example, in a range of 5 to 30 meters in front of the front of the vehicle. The information obtained from the environmental observation may e.g. be used in driver assistance functions such as Lane Depature Warning or Nightvision. The present invention proposed method for detecting rainfall on the windshield is based precisely on this focus property, and differs from that of a conventional rain sensor, where the focus of a camera is directed directly at the windshield.