WO2010054977A1

WO2010054977A1 - Lasererfassungsvorrichtung und lasererfassungsverfahren

Info

Publication number: WO2010054977A1
Application number: PCT/EP2009/064676
Authority: WO
Inventors: Klaus Schertler
Original assignee: Eads Deutschland Gmbh
Priority date: 2008-11-12
Filing date: 2009-11-05
Publication date: 2010-05-20
Also published as: US20120087542A1; US8442271B2; DE102008056868B3; EP2353023A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lasererfassungsverfahren zum Erfassen von Laserstrahlen (101 ) mit den Schritten Erzeugen eines Interferenzbildes (105) aus erfasster Lichtstrahlung, Aufnahme des Interferenzbildes (105) und Verarbeiten des aufgenommenen Interferenzbildes (105), um eine Laserstrahlung (101 ) zu erfassen. Um eine robustere und schnellere Lasererfassung zu ermöglichen wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Verarbeiten folgende Schritte umfasst: a) Erfassen einer räumlich definierten Punktverteilung aus dem Interferenzbild (105), b) Durchführen einer Transformation der Punktverteilung derart, dass ein Gitterabstand zwischen einem Punktgitter in der Punktverteilung erhalten bleibt, dem Punktgitter aber eine feste, von dessen Position im Originalbild unabhängige Lage zugeordnet wird, c) Erfassen eines Gitterabstandes in dem gemäß Schritt b) transformierten Punktgitter und d) Erfassen der Lage des Punktgitters aus der Punktverteilung mittels Filterung unter Zuhilfenahme des in Schritt c) erfassten Gitterabstandes. Außerdem wird eine Lasererfassungsvorrichtung zur Durchführung des Lasererfassungsverfahrens beschrieben.

Description

Lasererfassungsvorrichtung und Lasererfassungsverfahren

Die Erfindung betrifft eine Lasererfassungsvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des beigefügten Anspruchs 1 sowie ein damit durchführbares Lasererfassungsverfahren mit den Schritten des Oberbegriffes des beigefügten Anspruchs 10. Eine solche Lasererfassungsvorrichtung und ein solches Lasererfassungsverfahren sind aus der DE 198 51 010 A1 bekannt.

Mit der Erfindung soll insbesondere das Problem der schnellen und robusten Erkennung und Lokalisierung von Laserstrahlenquellen - insbesondere Laserbedrohungen - durch ein Laserwarnsystem gelöst werden. Laserbedrohungen werden beispielsweise durch Laser Range Finder, Laser Target Designatoren, Laser Beam Rider oder Sniper verursacht.

Für die folgende Beschreibung der hier vorliegenden Erfindung wird auf folgende Referenzen bzw. Dokumente aus dem Stand der Technik Bezug genommen:

[1] "Einrichtung zur Erkennung und Lokalisierung von Laserstrahlungsquellen" (Kreuzgitter), Anmeldung: 5.11.98, Offenlegung: 14.6.07, DE 198 51 010 A1 ,

[2] "Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung, Lokalisierung und Verfolgen von Laserstrahlungsquellen" (Zeilen-Gitter), deutsche Patentanmeldung der Fa. EADS Deutschland GmbH vom 29.1.07, Erfinder: Herr Thorsteinn Halldors- son;

[3] Gonzales and Woods, Digital Image Processing, Pearson Prentice Hall, 2008

(oder andere Lehrbücher der Bildverarbeitung) Als Stand der Technik kann insbesondere die Produktfamilie ALTAS der Fa. EADS Deutschland GmbH sowie [1 ,2] genannt werden.

Insbesondere ist in der oben genannten Ref. [1], der DE 198 51 010 A1 , die den Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche bildet, eine Lasererfassungsvorrichtung und ein Lasererfassungsverfahren bekannt, bei der von erfasstem Licht ein Interferenzmuster erzeugt wird und das Interferenzmuster daraufhin untersucht wird, ob es typische Laserinterferenzen aufweist. Hierzu ist eine Bildbearbeitungs- einheit vorgesehen, mit der insbesondere die Symmetrie von Leuchtflecken, die Lage einer symmetrischen Leuchtfleckenstruktur und die Abstände der Leuchtflecken erfasst werden sollen.

Ziel der Analyse des Interferenzmusters in der Bildverarbeitungseinheit ist insbe- sondere eine Erfassung eines Gitterabstandes und der Lage der Gitterstruktur von Laser-Interferenzpunkte. Im Stand der Technik ist allerdings nicht beschrieben, wie diese Analyse robust und schnell erfolgen kann.

Ausgehend von dem Stand der Technik nach der DE 198 51 010 A1 ist es Aufga- be der Erfindung, eine Lasererfassungsvorrichtung sowie ein Lasererfassungsverfahren mit den Merkmalen bzw. Schritten des Oberbegriffs der beigefügten Patentansprüche 1 und 10 derart weiter zu bilden, dass damit eine schnellere und robustere Analyse eines innerhalb eines Laserwamsystems erzeugten Interferenzbildes mit dem Ziel der Erfassung von Eigenschaften der Laserstrahlenquelle (insbesondere Wellenlänge des Laserlichtes und die Richtung der Laserquelle) erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Lasererfassungsvorrichtung mit den Merkmalen des beigefügten Anspruchs 1 bzw. ein Lasererfassungsverfahren mit den Merkma- len des beigefügten Anspruchs 10 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung schafft eine Lasererfassungsvorrichtung zur Erfassung von Laserstrahlen mit: einer Interferenzbilderzeugungsvorrichtung zur Erzeugung eines Interferenzbildes aus erfasster Lichtstrahlung, einer Bildaufnahmeeinrichtung zur Aufnahme des Interferenzbildes und einer Bildverarbeitungseinheit zur Verarbei- tung des durch die Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommenen Interferenzbildes, um in der Lichtstrahlung Laserstrahlen zu erfassen.

Um eine robuste und schnelle sowie zuverlässige Erfassung der Laserstrahlen zu ermöglichen, ist weiter erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Bildverarbeitungs- einheit eine Punktdetektionseinrichtung zur Erfassung einer räumlich definierten Punktverteilung aus dem Interferenzbild, eine Transformationseinrichtung zur Durchführung einer Transformation der Punktverteilung derart, dass ein Gitterabstand zwischen einem Punktgitter in der Punktverteilung erhalten bleibt, dem Punktgitter aber eine feste, von dessen Position im Originalbild unabhängige Lage zugeordnet wird, eine Gitterabstandserfassungseinrichtung zur Erfassung eines Gitterabstandes in dem durch die Transformationseinrichtung transformierten Punktgitter und eine Gitterlageerfassungseinrichtung zur Erfassung der Lage des Punktgitters aus der Punktverteilung mittels Filterung unter Zuhilfenahme des durch die Gitterabstandserfassungseinrichtung erfassten Gitterabstandes auf- weist.

Weiter schafft die Erfindung ein insbesondere mit der erfindungsgemäßen Lasererfassungsvorrichtung durchführbares Lasererfassungsverfahren zum Erfassen von Laserstrahlen mit den Schritten: Erzeugen eines Interferenzbildes aus erfasster Lichtstrahlung und

Verarbeiten des aufgenommenen Interferenzbildes, um eine Laserstrahlung zu erfassen.

Für eine robuste und schnelle Erfassung von Laserstrahlen wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Verarbeiten folgende Schritte umfasst: a) Erfassen einer räumlich definierten Punktverteilung aus dem Interferenzbild, b) Durchführen einer Transformation der Punktverteilung derart, dass ein Gitterabstand zwischen einem Punktgitter in der Punktverteilung erhalten bleibt, dem Punktgitter aber eine feste, von dessen Position im Originalbild unabhängige Lage zugeordnet wird, c) Erfassen eines Gitterabstandes in dem gemäß Schritt b) transformierten

Punktgitter und d) Erfassen der Lage des Punktgitters aus der Punktverteilung mittels Filterung unter Zuhilfenahme des in Schritt c) erfassten Gitterabstandes.

Durch die Transformation gemäß Schritt c) lässt sich besonders einfach ein Gitterabstand erfassen, da die Gitterabstandserfassung unabhängig von der ur- sprünglichen Lage eines durch Laserstrahlung in dem Interferenzbild erzeugten Punktgitters und somit vorzugsweise immer am gleiche Ort erfolgen kann. Beispielsweise wird in der Transformation ein zentriertes Spektralbild erzeugt, wobei ein Gitterabstand immer vom Zentrum aus ermittelt werden kann.

Der Gitterabstand kann einfach bestimmt werden, indem an Punkten von Punktgittern mit entsprechenden Gitterabständen untersucht wird, ob eine auf eine Laserstrahlung hindeutende Intensität an diesen Punkten insgesamt festgestellt werden kann. Wird an einem oder mehreren Punktgittern mit bestimmten Gitterabständen eine besonders dominante Intensität festgestellt, lässt dies auf das Vorhandensein einer Laserstrahlung schließen, die im Interferenzbild typischerweise ein Punktgitter mit einem solchen Gitterabstand erzeugt.

Mit einem derart erfassten Gitterabstand lässt sich dann auch leicht die Lage des ursprünglichen Punktgitters feststellen, indem das ursprüngliche Punktbild ent- sprechend mit einem solchen Gitterabstand gefiltert wird, so dass im Filterergebnis Punktgitter mit solchem Gitterabstand dominant auftreten und dann die Lage des Punktgitters im gefilterten Bild einfach festgestellt werden kann.

Dadurch lässt sich insbesondere auch in einem Interferenzbild das viele bei- spielsweise durch andere Lichtstrahlung verursachte, nicht regelmäßige Punkte aufweist, schnell und robust eine Laserstrahlung detektieren. Der Einfluss von Störeffekten lässt sich leicht eliminieren. Als Transformation in Schritt b) wird vorzugsweise eine Fouriertransformation durchgeführt. Nimmt man von solch einer Fouriertransformation nur den Betrag, gehen Phaseninformationen und damit Lageinformationen verloren. Durch Rücktransformation erhält man dann ein Bild, bei dem Punktgitter stets am gleichen Ort (zum Beispiel zentriert) unabhängig von der ursprünglichen Lage auftauchen, so dass eine Gitterabstandserkennung viel leichter und mit weniger Rechenaufwand durchgeführt werden kann.

Zur Durchführung von Fouriertransformationen gibt es viele Standardbauelemente und Standardverfahren (Standardsoftware), so dass solche Operationen mit kleinen mobilen kostengünstigen Recheneinheiten durchführbar sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Lasererfassungsvorrichtung;

Fig. 2 ein durch eine Kamera aufgezeichnetes Interferenzbild eines holografi- schen Gitters;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Bereichs einer Bildverarbeitungseinheit der Lasererfassungsvorrichtung;

Fig. 4 ein exemplarisches durch Punktdetektion erzeugtes ideales Punktbild f(x,y);

Fig. 5 ein exemplarisches durch Punktdetektion erzeugtes Punktbild f(x,y) mit False-Positive- und False-Negative-Detektionen;

Fig. 6 zwei exemplarische Darstellungen von durch Fourier-Zentrierung aus Punktbildern f(x,y) gewonnenen zentrierten Spektralbildern F(u,v), wobei das Punktbild jeweils links und das daraus gewonnene Spektralbild jeweils rechts in Fig. 6 dargestellt ist; Fig. 7 eine exemplarische Darstellung eines durch Fourier-Zentrierung aus einem Punktbild f(x,y) gewonnenem zentrierten Spektralbild F(u,v) unter Einfluss von False-Positive- und False-Negative-Detektionen, wobei auch hier das Punktbild links und das daraus gewonnene Spektralbild rechts dargestellt ist;

Fig. 8 schematische Darstellungen zur Erläuterung der Konstruktion eines

Spektralvektors w durch Summation der Intensitäten eines Spektralbilds F(u, v) an den (fett) eingezeichneten Bildpositionen zu einem jeweils gegebenen Gitterabstand k.

Fig. 9 eine Darstellung eines Punktbildes f(x,y) und des entsprechenden Spektralvektors w für Gitterabstände k von 1 bis 8;

Fig. 10 eine Darstellung eines Punktbildes f(x,y) und des entsprechenden Spektralvektors w bei Anwesenheit von False-Positive- und False- Negative-Fehldetektionen;

Fig. 11 eine Darstellung eines idealen Punktgitters g(x,y) zu einem gegebenen Gitterabstand (hier am Beispiel K = 8);

Fig. 12 eine Illustration der Erfassung der Gitterlage bei Anwesenheit von False-Positive- und False-Negative-Fehldetektionen; und

Fig. 13 ein Beispiel für die alternative Verwendung von flächenhaften Punktstrukturen im Punkbild f(x,y) anstelle eines Binärbildes.

Die Erfindung setzt insbesondere auf den Arbeiten [1 ,2] zur Erkennung von Laserstrahlenquellen unter Verwendung holografischer Gitter auf. Es wird für die fol- gende Beschreibung von Ausführungsbeispielen für weitere Einzelheiten von Laserstrahlerkennungssystemen, -Vorrichtungen und -verfahren insbesondere auf diese Referenzen [1 , 2] Bezug genommen. In Fig. 1 ist ein möglicher prinzipieller Aufbau einer Lasererfassungsvorrichtung

100 zur Erfassung von Laserquellen - in Fig. 1 angedeutet durch Laserstrahlen

101 - dargestellt. Die Lasererfassungsvorrichtung 100 hat eine Interferenzerzeugungseinrichtung, hier in Form eines holografischen Gitters 102, eine Bildaufnah- meeinrichtung, hier in Form einer z.B. digitalen Kamera 103, und eine Bildverarbeitungseinheit 104. Das von der Kamera 103 aufgenommene Interferenzmuster wird als Interferenzbild 105 der Bildverarbeitungseinheit 104 zur Verfügung gestellt.

Der in Fig. 1 gezeigte prinzipielle Aufbau einer Lasererfassungsvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beruht auf einem grundsätzlichen Aufbau, wie er auf den in den Referenzen [1 ,2] beschriebenen Laserwarnsystemen basiert. Bei der Lasererfassungsvorrichtung 100 wird das von der Laserstrahlenquelle ausgehende Laserlicht - Laserstrahlung 101 - durch das ho- lografische Gitter 102 geleitet. Das so entstehende Interferenzmuster wird durch die Kamera 103 aufgezeichnet und der Bildverarbeitungseinheit 104 in der Form des Interferenzbildes 105 zugeführt.

Ein so erzeugtes Interferenzbild 105 ist exemplarisch in Fig. 2 gezeigt. Fig. 2 zeigt ein Beispiel des durch die Kamera 103 aufgezeichneten Interferenzbilds 105 des holografischen Gitters 102. Die in einer Gitterstruktur angeordneten Punkte 201 sind Laser-Interferenzpunkte und repräsentieren das Laser-Interferenzmuster der Laserquelle. Die Linienmuster entsprechen dem Interferenzmuster der Sonnenstrahlung und die Hintergrundstruktur zeigt Wolken.

Aufgabe der Bildverarbeitungseinheit 104 ist es nun, die durch die Laserstrahlenquelle erzeugten Laser-Interferenzpunkte 201 des Laser-Interferenzmusters im Interferenzbild 105 zu analysieren. Die Punktstruktur von Laserstrahlung 101 besteht aus nahezu äquidistant angeordneten Gitterpunkten (in Fig. 2 ein 3x3 Gitter). Durch Analyse der Lage der Laser-Interferenzpunkte 201 im Interferenzbild 105 lassen sich in der Bildverarbeitungseinheit 104 folgende Informationen über die Laserstrahlenquelle erfassen: » Der Gitterabstand des Laser-Interferenzpunkte 201 ist ein Maß für die im Lasersystem der Laserstrahlenquelle verwendete Wellenlänge des Lasers.

• Die Lage des Laser-Interferenzmusters (z.B. repräsentiert durch die Lage des zentralen Laser-Interferenzpunkts des Laser-Interferenzmusters) liefert Informationen über die räumliche Lage der Laserstrahlenquelle relativ zum Laserwarnsystem.

Ziel der Analyse des Interferenzbildes 105 in der Bildverarbeitungseinheit 104 ist insbesondere die Erfassung des Gitterabstandes und der Lage der Gitterstruktur der Laser-Interferenzpunkte 201. Im folgenden wird eine Ausführungsform der Bildverarbeitungseinheit 104 sowie eines damit durchführbaren Bildbearbeitungsverfahrens beschrieben, mit der diese Analyse robust und schnell erfolgen kann.

Eine solche robuste und schnelle Analyse kann in vier Verfahrensschritte a)-d) aufgeteilt werden. AusführungsbeispieJe für die Schritte a)-ά) sowie von Einrichtungen 302 bis 305 zum Durchführen derselben sind in schematischer Form als Blockschaltbild in Fig. 3 gezeigt. Am Ende der vier Verfahrensschritte a)- d) sind der Gitterabstand und die Lage der Gitterstruktur der Laser-Interferenzpunkte 201 eines Interferenzbildes 105 bestimmt.

Fig. 3 zeigt in schematischer Form insbesondere eine Einrichtung zur Erfassung von Gitterabstand und Lage der Gitterstruktur der durch eine Laserquelle (z.B. Laserbedrohung) erzeugten Laser-Interferenzpunkte 201 innerhalb eines Interferenzbildes 105. Die in Fig. 3 schematisch dargestellten Einrichtungen 302 bis 305 sind Teil der Bildverarbeitungseinheit 104 und können beispielsweise in Software oder in Hardware realisiert sein.

Demnach weist die Bildverarbeitungseinheit 104 zur Durchführung der vier Verfahrensschritte a) bis d) eine Punktdetektionseinrichtung 302, eine Transformationseinrichtung (Fourier-Zentrier-Einrichtung) 303, eine Gitterabstandserfassungsein- richtung 304 und eine Gitterlageerfassungseinrichtung 305 auf. Die vier Verfahrensschritte a) bis d) sowie die zur Durchführung derselben vorgesehenen Einrichtungen werden im folgenden nacheinander beschrieben.

Schritt a): Punktdetektion

Im Schritt a) wird das Interferenzbild 105 in ein binäres Punktbild f(x,y) überführt, welches den Zahlenwert 1 an Bildpositionen (x,y) enthält, an denen sich ein Laser- Interferenzpunkt (201) befindet. Alle anderen Bildpositionen enthalten den Wert 0.

Zur Ausführung dieses Schrittes können Standardmethoden der Bildverarbeitung zur Punktdetektion verwendet werden (s. z.B. Ref. [3]). Zu diesen Standardmethoden gehört die Filterung des Interferenzbildes mit einem diskretem Laplace- Operator. Übersteigt die Filterantwort eine gesetzte Schwelle, so wird dem binärem Punktbild eine 1 im Zentrum der Filtermaske zugeordnet - andernfalls eine 0.

Ein exemplarisches ideales Punktbild f(x,y) ist in Fig. 4 gezeigt. Fig. 4 zeigt ein beispielhaftes durch Punktdetektion a) mittels der Punktdetektionseinrichtung 302 erzeugtes ideales Punktbild f(x,y). Schwarze Felder entsprechen dem Wert 1. Alle weißen Felder entsprechen dem Wert 0. Der gesuchte Gitterabstand dieses bei diesem Beispiel für ein ideales Punktbild ist 8 Pixel.

Ein solcher Gitterabstand ließe sich bei dem dargestellten idealen Punktbild noch relativ einfach, beispielsweise mit der unten näher dargestellten Methode feststellen, wie noch näher dargelegt wird.

Es ist allerdings nicht damit zu rechnen, aus dem Verfahrensschritt der Punktdetektion ein ideales (korrektes) Punktbild zu erhalten. Zum einen können „False- Negatives" auftreten, d.h. Laser-Interferenzpunkte werden fälschlicherweise nicht als solche erkannt. Dies ist beispielsweise bei Überdeckung des Laser- Interferenzpunktes durch das Interferenzmuster der Sonnenstrahlung möglich. Darüber hinaus können „False-Positives" auftreten. Dabei werden Punkte fälschlicherweise detektiert, welche keinem Laser-Interferenzpunkt entsprechen. Dies ist beispielsweise möglich, falls punktartige Strukturen in den Interferenzmuster der Sonnenstrahlung oder im Hintergrund (Wolken) auftreten. Fig. 5 zeigt ein durch False-Positives und False-Negatives erzeugtes Punktbild. Genauer zeigt Fig. 5 ein exemplarisches durch Punktdetektion gemäß Schritt a) in der Punktdetektionseinrichtung 302 erzeugtes Punktbild f(x,y) mit False-Positive und False-Negative-Detektionen. Auch hier ist der gesuchte Gitterabstand 8 Pixel. Wie ersichtlich, lässt sich dieser hier nicht so ohne weiteres feststellen.

Die in den folgenden Verfahrensschritten beschriebene Methodik hat insbesondere zum Ziel, die Erfassung des Gitterabstandes und der Lage der Gitterstruktur der Laser-Interferenzpunkte trotz dieser Fehldetektionen schnell und robust durchführen zu können.

Schritt b): Fourier-Zentrierung

Im Schritt b) wird das in Schritt a) erzeugte binäre Punktbild f(x,y) einer Transformation f(x,y) → F(u, v) unterzogen, welche so ausgelegt ist, dass der Gitterabstand des Punktbildes f(x,y) erhalten bleibt, das Gitter aber im transformierten Biid F(u, v) eine feste, von dessen Position im Originalbild unabhängige Lage hat. Das durch die Transformation erzeugte Bild wird im folgenden als zentriertes Spektral- bild F(u, v) bezeichnet.

Das zentrierte Spektralbild F(u,v) ermöglicht im nächsten Verfahrensschritt die Analyse des Gitterabstandes, ohne die Gitterlage kennen zu müssen.

Ausführungsbeispiel:

Das zentrierte Spektralbild F(u,v) bestimmt sich in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus dem Betrag der Fourier-Rücktransformation der spektralen Leistungsdichte (Power-Spektrum) der Fouriertransformation von f(x,y) durch

F(u, v) = AbS(FoUrICr^"1 [ Abs(Fourier[ f(x, y) ])² ]) . Hierin ist „Abs" die Betragsfunktion und „Fourier" der Operator der diskreten zweidimensionale Fouriertransformation [3]. „Fourier^"1 " ist die Fourier- Rücktransformation [3].

Dieses Ausführungsbeispiel wird im folgenden näher erläutert. Durch Anwendung der Betragsfunktion auf die Fourier-Transformierte von f(x,y) gehen deren Phaseninformationen verloren. Die Phaseninformationen beinhalten aber die Informationen über die Lage des Gitters innerhalb des Punktbildes f(x,y). F(u,v) kann damit nicht mehr die Lageinformationen des Gitters enthalten und ist somit (wie gefor- dert) von dessen Position unabhängig. Die Informationen über die Gitterabstände sind aber im Power-Spektrum noch enthalten. Diese werden durch die Fourier- Rücktransformation wieder (wie gefordert) auf die ursprünglichen Gitterabstände abgebildet.

Fig. 6 zeigt zwei Beispiele für eine durchgeführte Fourier-Zentrierung. Fig. 6 zeigt hierzu zwei exemplarische Darstellungen des durch Fourier-Zentrierung in der als Fourier-Zentrier-Einrichtung ausgebildeten Transformationseinrichtung 303 aus dem Punktbild f(x,y), wie jeweils links dargestellt, gewonnenen zentrierten Spektralbilds F(u, v) - jeweils rechts dargestellt. Zu Darstellungszwecken wurde das (u,v) Koordinatensystem so gewählt, dass der Gleichstromanteil der Fouriertransformation im Zentrum des Bildes F(u,v) zu liegen kommt. Das zentrierte Spektralbild F(u, v) ist unabhängig von der Lage der Gitterstruktur in f(x,y), erhält aber zugleich den ursprünglichen Gitterabstand.

Zu den wesentlichen Eigenschaften der Fourier-Zentrierung gehört die Tatsache, dass das so erzeugte zentrierte Spektralbild unabhängig von der Lage der Gitterstruktur im Punktbild ist. Die Fourier-Zentrierung erhält aber gleichzeitig den Gitterabstand. Das zentrierte Spektralbild dient daher dazu, die dominanten Gitterabstände identifizieren zu können.

Wie man an Fig. 7 erkennt, ist der dominante Gitterabstand auch noch unter der Anwesenheit von False-Positives und False-Negatives erkennbar. Dies macht man sich im nächsten Verfahrensschritt zu Nutze. Fig. 7 zeigt eine exemplarische Darstellung des durch Fourier-Zentrieruπg mittels der Transformationseinrichtung 303 aus dem Punktbild f(x,y) (links dargestellt) gewonnenen zentrierten Spektralbilds F(u,v) unter Einfluss von False-Positive und False-Negative-Detektionen. Der dominante Gitterabstand ist im zentrierten Spek- tralbild immer noch zu erkennen.

Schritt c): Gitter Abstandserfassung

Ziel des Verfahrensschritts c) ist die Erfassung des Gitterabstands der Laser- Interferenzpunkte 201. Dazu wird das in Schritt b) gewonnene zentrierte Spektralbild F(u, v) in einen Spektralvektor w = {w(1), w(2), w(3), ...} überführt

F(u, v) → w(k).

Die Abbildung ist dabei so ausgelegt, dass w(k) ein Maß für die Dominanz des Gitterabstandes k darstellt.

Ausführungsbeispiel:

Eine Ausführungsform einer solche Abbildung kann realisiert werden, indem die zu einem gegebenem Gitterabstand k auftretenden Intensitäten im zentrierten Spektralbild aufsummiert werden:

w(k) F(0,0) .

Dabei muss der für alle Gitterabstände gleiche Anteil F(0,0) (der Gleichstromanteil) nicht zwingend mit aufsummiert werden. Die Summation ist exemplarisch für die Gitterabstände k=1 bis k=4 in Fig. 8 dargestellt. Ein so erzeugter Spektralvektor ist exemplarisch in Fig. 9 gezeigt.

Fig. 8 zeigt die Konstruktion des Spektralvektors w durch Summation der Intensitäten des Spektralbilds F(u,v) an den (fett) eingezeichneten Bildpositionen zu gegebenem Gitterabstand k. Fig. 9 zeigt die Darstellung eines Punktbildes f(x,y) und des entsprechenden Spektralvektors w für Gitterabstände k von 1 bis 8. Der Vektor w wurde zur Darstellung auf seinen Maximalwert skaliert. Der dominante Gitterabstand k = 3 ent- spricht dem wahren Gitterabstand des Punktbildes. Der endliche Wert bei k = 6 entspricht dem doppeltem Gitterabstand.

Der gesuchte Gitterabstand K wird nun durch den Gitterabstand k mit maximalem w(k) bestimmt:

K = argmax w(k).

In Fig. 10 ist ein Punktbild f(x,y) und der entsprechende Spektralvektor w bei Anwesenheit von False-Positive und False-Negative Fehldetektionen dargestellt. Der gesuchte Gitterabstand k = 3 ist dominant im Spektralvektor. Fig. 10 zeigt, dass die Erfassung des Gitterabstands K auch unter Einfluss von False-Positive und False-Negative Fehldetektionen mit der dargestellten Ausführungsform möglich ist.

Schritt d): Gitter Lageerfassung

Ziel des Verfahrensschritts d) ist die Erfassung der Lage der Gitterstruktur der vorhandenen Laser-Interferenzpunkte 201 im Interferenzbild 105. Die Lage gilt dabei als erfasst, wenn das Punktbild f(x,y) in ein Punktbild fo(x,y) überführt worden ist, welches keine False-Positive Fehldetektionen mehr enthält:

f(^χ,y) → fo(^χ,y).

Dabei macht man sich zu Nutze, dass der Gitterabstand K aus dem vorausgegan- genem Verfahrensschritt c) bekannt ist. Dies ermöglicht die Filterung des Punktbildes f(x,y) mit einem auf den Gitterabstand festgelegten Bandpassfilter.

Ausführungsbeispiel: Zur Ausführung der Filterung (Konvofution) wird ein ideales Punktbild g(x,y) mit dem Gitterabstand K erzeugt. Ein solches ideales Punktbild ist in Fig. 11 gezeigt. In Fig. 11 ist ein ideales Punktgitter g(x,y) zu einem gegebenen Gitterabstand am Beispiel von K = 8 dargestellt.

Unter Ausnutzung des Konvolutionstheorems [3] lässt sich die Filterung als Produkt der Fouriertransformierten des Punktbilds f(x,y) und des idealen Punktbilds g(x,y) mit anschließender Rücktransformation darstellen:

fo(x.y) ⁼ f(x.y) Fourier^"1[ Fourier[f(x,y)] Abs(Fourier[g(x,y)]) ].

Hierin ist „Abs" die Betragsfunktion und „Fourier" der Operator der diskreten zweidimensionalen Fouriertransformation, siehe für nähere Einzelheiten die Ref. [3]. „Fourier^"1 " ist die Fourier-Rücktransformation, siehe für nähere Einzelheiten die Ref. [3].

Die elementweise Multiplikation mit dem υrsprüngYichem (binärem) Punktbild f(x,y) stellt zusätzlich sicher, dass durch den Filterprozess keine zusätzlichen Punkte hinzugefügt werden. Damit enthält fo(x,y) ausschließlich Punkte die schon in f(x,y) vorhanden waren. Punkte, die nicht dem korrektem Gitterabstand K entsprechen, sind allerdings durch die Filterung in ihrer Intensität unterdrückt. Zahlenwerte in fo(x,y), welche eine definierte Schwelle unterschreiten, werden auf den Wert 0 gesetzt. Alle Zahlenwerte über der Schwelle werden auf 1 gesetzt. Damit ist das Binärbild f(x,y) in das Binärbild fo(x,y) überführt und enthält nur noch dem Gitterab- stand K entsprechende Punkte. Die Lage der Gitterstruktur der Laser- Interferenzpunkte (201) im Interferenzbild ist damit erfasst.

Fig. 12 zeigt ein Beispiel für die Anwendung der Gitter-Lageerfassung auf ein Punktbild bei Anwesenheit von False-Positive und False-Negative Fehldetektio- nen.

Vorteile Das oben beschriebene Bildverarbeitungsverfahren und das dieses verwendende Lasererfassungsverfahren hat insbesondere folgende Vorteile:

« Das Verfahren basiert primär auf Fourier-Transformationen, welche beispielsweise als Fast-Fourier-Transformationen sehr effizient auf unterschiedlichen Hardwareplattformen ausführbar sind. Insbesondere ist dadurch (bei entsprechend angepasster Optik) eine Implementierung auf mobilen, mineaturisierten Endgeräten (PDA's, Smartphones, Handys, Digitalkameras, ...) denkbar. Dies ermöglicht beispielsweise eine kostengünstige Realisierung von „Sniper-Detection".

» Das Verfahren ist robust gegenüber Fehldetektionen von

Interferenzpunkten. Der Verfahrensaufwand steigt nicht mit der Anzahl der Fehldetektionen.

β Das Verfahren benötigt nicht die Suche nach „speziellen" Gitterabständen (welche den Wellenlängen bestimmter Laserquellen entsprechenden). Der Verfahrensaufwand einer solchen Suche würde linear mit der Anzahl der zu suchenden Laserquellen ansteigen. Bei dem hier dargestellten Verfahren sind hingegen alle dominant auftretenden Gitterabstände im

Spektralvektor w(k) aus Schritt c) gleichzeitig ablesbar.

Mögliche alternative Ausführungsformen:

Vorstehend ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform für ein erfindungsgemäßes Bildbearbeitungsverfahren und ein dieses verwendendes Lasererkennungsverfahren beschrieben worden. Anhand dieser Beschreibung sind für den Fachmann auch leicht Ausführungsformen für Lasererfassungsvorrichtungen, die zur Durchführung solcher Verfahren geeignet sind, ersichtlich. Insbesondere nut- zen solche Vorrichtungen Software oder Hardware, in denen entsprechende Befehle zur Durchführung der Bildbearbeitung implementiert sind. Jedoch ist die Erfindung keineswegs auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Es sind verschiedene alternative Verfahrensweisen für die verschiedenen Schritte denkbar. Einige werden im folgenden kurz erläutert.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das in Schritt a) erzeugte binäre Punktbild f(x,y) alternativ durch ein Intensitätsbild mit flächenhaften Punktstrukturen ersetzt werden. Eine solche Punktstruktur kann beispielsweise durch eine zweidimensionale Gaußverteilungen mit Maximum an den Positionen der Laser- Interferenzpunkte gegeben sein, siehe als Beispiel Fig. 13. Dies ermöglicht den Umgang mit nicht ideal äquidistanten Gitterstrukturen oder Positionsungenauigkei- ten in der Punktdetektion.

Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel lassen sich in Schritt c) durch die Erfassung möglicher weiterer in w(k) dominanter Gitterabstände mehrere gleichzeitig auftretende Laserquellen unterschiedlicher Wellenlänge identifizieren. Es wird demnach nicht nur eine Laserquelle, sondern es sind mehrere Laserquellen auch unterschiedlicher V\Ie))en)änge erfassbar. Hierzu werden in Schritt c) eine Gruppe von dominanten Wellenlängen, beispielsweise diejenigen zwei, drei oder vier Wellenlängen, die die beiden, drei oder vier höchsten Intensitätswerte liefern, erfasst.

Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann in Schritt c) zur Überführung von F(u, v) nach w(k) alternativ zur Summation über F(u,v), wie dies oben beschrieben worden ist, auch eine andere mathematische Abbildung verwendet werden, solan- ge die Bedingung erfüllt ist, dass w(k) ein Maß für die Dominanz des Gitterabstandes k darstellt.

Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann in Schritt c) zur schnelleren und robusteren Identifikation dominanter Gitterabstände im Spektralvektor w(k) alternativ zusätzliches Vorwissen über prinzipiell mögliche Gitterabstände (entsprechend der Wellenlängen betrachteter Laserquellen) verwendet werden. Damit kann beispielsweise die Suche nach Extremwerten in w(k) auf den interessierenden Bereich beschränkt werden. Bei weiteren Ausführungsbeispielen wird in Schritt c) die Evidenz der Identifikation von dominanten Gitterabständen im Spektralvektor w(k) durch gleichzeitige Betrachtung zeitlich vorausgegangener Spektralvektoren (aus zeitlich vorherigen Interferenzbildern) beispielsweise durch zeitliche Mittelung erhöht.

Bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel wird in Schritt d) alternativ die Filterung des Punktbildes auf den dominanten Gitterabstand vor der Multiplikation mit dem ursprünglichem Punktbild mehrfach rekursiv wiederholt werden. Damit wird eine stärkere Unterdrückung der Fehldetektionen erreicht.

Die hier beschriebene Methodik lässt sich auf den Fall verallgemeinern, in dem die Gitterabstände in x und y Richtung unterschiedlich sind.

Die beschriebene Methodik lässt sich auf den Fall verallgemeinern, in dem die einzelnen Gitterstellen der Gitterstruktur aus Interferenz-Doppelpunktmustern oder (im Allgemeinen) aus Mehrfachpunktmustern bestehen.

Die beschriebene Methodik lässt sich auf den Fall verallgemeinern, in dem eine andere Anzahl von Beugungsordnungen der Laser-Interferenzpunkte im Interfe- renzbild erzeugt werden. Beispielsweise ist eine 5x5 Gitterstruktur anstatt der bisher betrachteten 3x3 Gitterstruktur denkbar. Die Verallgemeinerung schließt auch eine eindimensionale Punktstruktur (z.B. 3x1 Laser-Interferenzpunkte) mit ein.

Bezugszeichenliste

100 Lasererfassungsvorrichtung

101 Laserstrahlen (Laserlicht einer Laserquelle)

102 Holografisches Gitter 103 Kamera

104 Bildverarbeitungseinheit

105 Interferenzbild

201 Laser-Interferenzpunkt (als Bestandteil eines Laser-Interferenzmusters)

302 Punktdetektionseinrichtung 303 Transformationseinrichtung (Fourier-Zentrier-Einrichtung)

304 Gitterabstandserfassungseinrichtung

305 Gitterlageerfassungseinrichtung

Claims

Patentansprüche

1. Lasererfassungsvorrichtung (100) zur Erfassung von Laserstrahlen (101) mit: einer Interferenzbilderzeugungsvorrichtung (102) zur Erzeugung eines Interfe- renzbildes (105) aus erfasster Lichtstrahlung, einer Bildaufnahmeeinrichtung (103) zur Aufnahme des Interferenzbildes (105) und einer Bildverarbeitungseinheit (104) zur Verarbeitung des durch die Bildaufnahmeeinrichtung (103) aufgenommenen Interferenzbildes (105), um in der Licht- Strahlung Laserstrahlen (101) zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildverarbeitungseinheit (104) eine Punktdetektionseinrichtung (302) zur Erfassung einer räumlich definierten Punktverteilung aus dem Interferenzbild (105), eine Transformationseinrichtung (303) zur Durchführung einer Transformation der Punktverteilung derart, dass ein Gitterabstand zwischen einem Punktgitter in der Punktverteilung erhalten bleibt, dem Punktgitter aber eine feste, von dessen Position im Originalbild unabhängige Lage zugeordnet wird, eine Gitterabstandserfassungseinrichtung (304) zur Erfassung eines Gitterabstan- des in dem durch die Transformationseinrichtung transformierten Punktgitter und eine Gitterlageerfassungseinrichtung (305) zur Erfassung der Lage des Punktgitters aus der Punktverteilung mittels Filterung unter Zuhilfenahme des durch die Gitterabstandserfassungseinrichtung (304) erfassten Gitterabstandes aufweist.

2. Lasererfassungsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Punktdetektionseinrichtung (302) zur Überführung des Interferenzbildes (105) in ein binäres Punktbild f(x, y), welches denjenigen Bildpositionen (x, y), an denen sich ein Interferenzpunkt (201) befindet, einen ersten Binärwert, vorzugsweise 1 , und an den verbleibenden Bildpositionen den zweiten Binärwert, vorzugsweise 0, zuordnet, und/oder zur Überführung des Interferenzbildes (105) in ein intensitätsbild mit flächenhaften Punktstrukturen, die eine über eine Fläche verteilte Intensitätsverteilung aufweisen, ausgebildet ist.

3. Lasererfassungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Punktdetektionseinrichtung (302) zur Erzeugung des binären Punktbiides f(x,y) eine Filtereinrichtung zur Filterung des Interferenzbildes mit einem diskreten Laplace-Operator und eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen eines Filterergebnisses mit einer Schwelle aufweist, um den Bildpositionen jeweils den ersten oder den zweiten Binärwert zuzuweisen.

4. Lasererfassungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformationseinrichtung (303) zur Erzeugung eines zentrierten Spektralbildes F(u, v) ausgebildet ist, in welchem ein in dem Punktbild enthaltenes Punktgitter unabhängig von dessen Lage im Originalbild zentriert ist.

5. Lasererfassungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformationseinrichtung (303) zur Durchführung einer Fouriertrans- formation ausgebildet ist.

6. Lasererfassungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformationseinrichtung (303) zum Erzeugen von Spektralbilddaten F(u,v) durch Bilden des Betrags einer Fourier-Rücktransformation einer spektralen Leistungsdichte der Fouriertransformation der Punktverteilung f(x,y), insbesondere nach der folgenden Formel, ausgebildet ist:

F(u, v) = Absψourier^'1 [Abs(fourier[f(x, y)]f J) wobei

F(u,v) den Spektralbildwert an der Position (u,v), Abs die Betragsfunktion,

Fourier der Operator einer diskreten zweidimensionalen Fouriertransformation, f(x,y) den Punktbildwert der Punktverteilung an der Position (x,y) und

Fourier^"1 den Operator der Fourier-Rücktransformation darstellt.

7. Lasererfassungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterabstandserfassungseinrichtung (304) zur Ermittlung desjenigen Gitterabstandes oder derjenigen Gitterabstände ausgebildet ist, bei welchem bzw. welchem ausgerichtet zu der zugeordneten Lage die höchsten Intensitäten in der durch die Transformationseinrichtung transformierten Punkteverteilung feststellbar ist.

8. Lasererfassungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterabstandserfassungseinrichtung (304) eine Spektralvektorerzeu- gungseinrichtung zum Erzeugen eines Datensatzes w={w(ki), w(k₂), ... w(k_n)} aufweist, der mehreren unterschiedlichen Gitterabständen ki, k₂, ..., k_n die Summe der an mehreren Punkten eines Punktgitters mit dem jeweiligen Gitterabstand ki, k₂, ..., k_n in der der bestimmten Lage zugeordneten transformierten Punktverteilung erfassten Intensität zuordnet.

9. Lasererfassungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterabstandserfassungseinrichtung (304) eine Vergleichseinrichtung aufweist, die die Werte des durch die Spektralvektorerzeugungseinrichtung erzeugten Datensatzes miteinander vergleicht, um denjenigen Gitterabstand K e {ki, k₂, ..., k_n} mit dem maximalen Wert w(K) zu ermitteln und als erfassten Gitterabstand auszugeben und/oder eine Gruppe k mit den höchsten Werten w(k) zu er- mittein und als erfasste Gitterabstände auszugeben.

10. Lasererfassungsverfahren zum Erfassen von Laserstrahlen (101) mit den Schritten:

Erzeugen eines Interferenzbildes (105) aus erfasster Lichtstrahlung und Verarbeiten des Interferenzbildes (105), um eine Laserstrahlung (101) zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verarbeiten folgende Schritte umfasst: a) Erfassen einer räumlich definierten Punktverteilung aus dem Interferenzbild 005), b) Durchführen einer Transformation der Punktverteilung derart, dass ein Gitterabstand zwischen einem Punktgitter in der Punktverteilung erhalten bleibt, dem Punktgitter aber eine feste, von dessen Position im Originalbild unabhängige Lage zugeordnet wird, c) Erfassen eines Gitterabstandes in dem gemäß Schritt b) transformierten Punktgitter und d) Erfassen der Lage des Punktgitters aus der Punktverteilung mittels Filterung unter Zuhilfenahme des in Schritt c) erfassten Gitterabstandes,

11. Lasererfassungsverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt a) folgende Schritte umfasst: a1) Überführen des Interferenzbildes (105) in ein binäres Punktbild f(x, y), wobei denjenigen Bildpositionen (x, y), an denen sich ein Interferenzpunkt befindet, ein erster Binärwert, vorzugsweise 1 , und an den verbleibenden Bildpositionen der zweite Binärwert, vorzugsweise 0, zugeordnet wird und/oder a2) Überführen des Interferenzbildes (105) in ein Intensitätsbild mit flächenhaften Punktstrukturen, die eine über eine Fläche verteilte Intensitätsverteilung aufweisen.

12. Lasererfassungsverfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a1) das Interferenzbild (105) mit einem diskreten Laplace-Operator gefiltert wird und das Filterergebnis mit einer vordefinierten Schwelle verglichen wird, wobei jedem entsprechenden Bildpunkt (x,y) bei Überschreiten der Schwelle der erste Binärwert f(x,y)= 1 und bei Unterschreiten der zweite Binärwert f(x,y) = 0 zugeordnet wird.

13. Lasererfassungsverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) ein zentriertes Spektralbild F(u,v) erzeugt wird, in welchem ein in dem Punktbύ^' d enthaltenes Punktg/tter unabhängig von dessen Lage im Originalbild zentriert ist.

14. Lasererfassungsverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) eine Fouriertransformation der Punktverteilung durchgeführt wird.

15. Lasererfassungsverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) Spektralbilddaten F(u,v) erzeugt werden durch Bilden des Betrags einer Fourier-Rücktransformation einer spektralen Leistungsdichte der Fouriertransformation der Punktverteilung f(x,y), insbesondere nach der folgenden Formel:

F(u,v) = Äbsψourler^'1 [Abs(Fourier[f(x, y)ψ ]) wobei

F(u, v) den Spektralbildwert an der Position (u,v),

Abs die Betragsfunktion, Fourier der Operator einer diskreten zweidimensionalen Fouriertransformation, f(x,y) den Punktbildwert der Punktverteilung an der Position (x,y) und

Fourier^"1 den Operator der Fourier-Rücktransformation darstellt.

16. Lasererfassungsverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) derjenigen Gitterabstand oder diejenigen Gitterabstände erfasst werden, bei welchem bzw. welchem ausgerichtet zu der zugeordneten Lage die höchsten Intensitäten in der durch die Transformationseinrichtung transformierten Punkteverteilung feststellbar ist.

17. Lasererfassungsverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt c) folgende Unterschritte erfasst: c1) Erfassen der Gesamtintensität an mehreren in einem Punktgitter mit einem bestimmten Gitterabstand k angeordneten Punkten (u,v) des durch Schritt b) transformierten Punktbildes F(u, v) jeweils für mehrere unterschiedliche Gitterabstände und c2) Ermitteln der maximalen der in Schritt d) erfassten Gesamtintensität oder der höchsten in Schritt d) erfassten Gesamtintensitäten und c3) Auswählen des oder der Gitterabstände, bei dem oder bei denen in Schritt c2) die höchsten Gesamtintensität(en) ermittelt worden sind, als erfasster Gitterabstand K.

18. Lasererfassungsverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt d) umfasst:

Filtern des in Schritt a) erfassten Punktbildes f(x,y) mit einem auf den mittels des Schritt c) erfassten Gitterabstandes festgelegten Bandfilter.

19. Lasererfassungsverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt d) umfasst: Bilden eines idealen Punktbildes g(x,y) mit dem mitteis Schritt c) erfassten Gitterabstand K,

Bilden eines gefilterten Punktbildes fo(x,y) nach der Formel: fo(x,y)=f(x,y) Fourier^'1[ Fourier[f(x,y)] Abs(Fouήer[g(x,y)]) ], wobei f(x,y) das in Schritt a) erfasste Punktbild,

Fourier der Operator einer Fouriertransformation,

Abs der Operator der Betragsfunktion und

Fourier^"1 der Operator einer Fourierrücktransformation darstellt, und Bestimmen der Lage eines Gitters in dem gefilterten Punktbild.