DE10035531A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Entfernungsbildern - Google Patents

Abstract

Zur Aufnahme eines Raumbildes, unter Verwendung wenigstens einer Lichtquelle zum Ausleuchten eines Raumes, sowie eines Bilderfassungssystems, welches zumindest eine einen Bildpunkt-auflösenden Bildsensor enthält, wird eine Vorrichtung und ein Verfahren vorgeschlagen, bei welchem die Lichtquelle diffuses, infrarotes Licht zur Ausleuchtung des aufzunehmenden Raumes aussendet. DOLLAR A Hierdurch kann in vorteilhafter Weise bei der Auswertung der vom Bilderfassungssystem generierten Bilder, durch Festlegen geeigneter Schwellwerte die Position eines Objektes (Kopf oder Schulter bei Fahrzeuginsassen) einfach aus Reihen- und Spaltennummer des Bildpunkt-auflösenden Detektorarrays der einzelnen Bildsensoren bestimmt werden. Auf diese Weise vermeidet das erfindungsgemäße die im Stand der Technik angezeigte Notwendigkeit der Verwendung von signallaufzeitmessender Sensorik.

Description

Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Entfernungsbildern gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 6.

Moderne Kraftfahrzeuge schützen die Insassen bei Unfällen durch Sicherheitsgurte, Kopfstützen und Airbags. Um durch aktive Systeme einen optimalen Schutz zu erreichen sollte jedoch die Position von Kopf und Oberkörper der Insassen im Fahrzeug genau bekannt sein und auch während der Fahrt permanent in sehr kurzen Zeitabständen gemessen werden. Die Kenntnis dieser Positionen ermöglicht zunächst die optimale Einstellung der Gurtbefestigungen und der Kopfstützen. Während des Aufprallvorgangs bei einem Unfall ermöglicht die Kenntnis der momentanen Positionen schnelle Veränderungen der Kraft der Gurtstraffer und der Volumina der Airbags abhängig von den Positionen der Insassen im Fahrzeug.

Diese Positionen sollten mit einer Genauigkeit von etwa 10 mm bis 50 mm bestimmt werden. Um während der Unfalls Schutzmaßnahmen ergreifen zu können (z. B.: ein definiertes mehrmaliges Aufblasen der Airbags) ist die Position mit einer hohen Wiederholrate von etwa 300 Hz bis etwa 1 kHz zu bestimmen. Verwendet man optische Systeme zur Positionsmessung, muß die Messung bei allen Umgebungsbedingungen wie vollem Sonnenlicht oder Dunkelheit, korrekte Ergebnisse liefern.

Die Position von Kopf und Oberkörper eines Insassen kann mit einer Reihe von Sensoren bestimmt werden. Im Bereich des sichtbaren oder nahen infraroten Lichts können CCD- und CMOS-Kameras mit infraroter Zusatzbeleuchtung verwendet werden um den störenden Einfluß von Sonnenlicht einzudämmen. Die Schriften JP 08220008 A1 sowie JP 02195385 A1 beschreiben Vorrichtungen, bei welchen zur gleichmäßigen Ausleuchtung einer Fläche der Strahlungskegel infraroten Lichts durch ein Diffusionsmedium geleitet und dadurch aufgeweitet wird. In diesem Sinne beschreibt JP 62248078 A1 ein System zur Identifikation von Objekten (hier Hände von zu identifizierenden Personen) welche auf eine von unten angestrahltes Beleuchtungsmedium gelegt wird. Das System erfaßt hierbei lediglich die Kontour des Objekts, welche sodann zur Identifikation mit in einer Datenbank gespeicherten Parametern verglichen werden.

Um Raumbilder aufzunehmen werden gemäß des Standes der Technik vor allem Systeme verwendet, bei welchen Lichtimpulse ausgesendet werden. Unter Raumbildern sollen hier, und auch im Weiteren dieser Anmeldung, Bilder von räumlichen Szenarien verstanden werden, welche in Kenntnis der physikalischen Gegebenheiten bei der Aufnahme genügend Bildinformation enthalten, um daraus zumindest in Ausschnitten die räumlichen Dimensionen der bildlich erfaßten Szenarien zu rekonstruieren. Beispiele hierfür bilden die in den Schriften DE 196 19 186 C1 und DE 197 57 595 C2 beschriebenen Systeme, bei denen Entfernungsbilder durch die Ermittlung der Laufzeiten eines Lichtstrahls von der Lichtquelle über das Reflexionsobjekt zu einem Bildsensor ermittelt. Bei dem in DE 196 19 186 C1 aufgezeigten System kommt zur Unterdrückung von Fremdlicht in bevorzugter Weise ein im nahen Infrarot-Bereich arbeitender Diodenlaser als Beleuchtungsmittel zum Einsatz.

Aufgabe der Erfindung ist es eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Aufnahme eines Raumbildes zu finden, welches wenigstens über eine Lichtquelle (1) zum Ausleuchten eines Raumes, sowie ein Bilderfassungssystem, mit zumindest einem bildpunkt­ auflösenden Bildsensor (2), verfügt.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung, die eine Lichtquelle (1) enthält, welche diffuses, infrarotes Licht zur Ausleuchtung des aufzunehmenden Raumes aussendet.

Die Aufgabe wird des weiteren durch ein Verfahren gelöst, bei welchem bezüglich der Intensitätsdaten der Bildpunkte des Bildsensors (2) bestimmten Objekten zugeordnete Schwellwerte definiert werden, und bei welchem bei Überschreiten eines dieser Schwellwerte auf die Existenz des jeweilig zugeordneten Objektes im Raum geschlossen werden kann.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen darin begründet, daß durch geeignete Auslegung des Systems auf die Verwendung von die Laufzeit von Lichtimpulsen messenden Sensoren verzichtet werden kann.

In besonders vorteilhafter Weise wird die Wellenlänge des von der Lichtquelle (1) ausgestrahlten infraroten Lichts so gewählt, daß auch bei vollem Sonnenlicht die von dieser Lichtquelle (1) stammende Beleuchtung in bezug auf das vorhandene Umgebungslicht (Fremdlicht) dominant ist. In der Praxis wird vor allem Sonnenlicht den größten Anteil an Umgebungslicht ausmachen. Deshalb sind für die Beleuchtung im Rahmen des erfindungsgemäße System vor allem Wellenlängen geeignet, welche im Bereich, in denen das Sonnenlicht beim Durchgang durch die Atmosphäre durch Absorption an CO₂- und H₂O-Molekülen hinreichend stark geschwächt wird, von Interesse. Beispielhafte Wellenlängen sind 1380 nm, 1850 nm, 2000 nm oder 2600 nm. Die Schwächung des Sonnenlichts in einem Bereich um diese Wellenlängen ist größer als etwa ein Faktor 100.

Gewinnbringend wird vor dem Objektiv des Bildsensors (2) ein Bandpaßfilter angebracht, welches nur für Licht in einem schmalen Bereich um die Wellenlänge des von der Lichtquelle (1) ausgesandten Lichtes durchlässig ist. Dabei handelt es sich beispielsweise um ein Band von l0 nm bis 20 nm. Das Bandpaßfilter ist dabei möglichst so zu wählen, daß seine Mittenfrequenz mit der Frequenz des von der Lichtquelle (1) ausgestrahlten infraroten Lichts zusammenfällt. Hierdurch wird das Licht der Lichtquelle (1), welche bevorzugt mittels eines Diodenlasers realisiert wird, nahezu ungeschwächt durchgelassen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird durch die Skizze in Fig. 1 dargestellt. Hierbei handelt es sich um die Draufsicht auf die Position eines Insassen (3) eines Kraftfahrzeuges, auf eine Laserdiode mit Diffusor (zur gleichmäßigen Ausleuchtung des Raumes) (1) und auf zwei Bildsensoren (2) eines Bilderfassungssystems. Als Laser kann dabei beispielsweise ein InGaAsP/InP-Laser mit einer Wellenlänge von 1850 nm und einer Lichtleistung von 200 mW eingesetzt werden. Als Bildsensoren sind InGaAs-FPA mit einem Pitch von 30 µm-50 µm denkbar. Bei einer der Darstellung in Fig. 1 entsprechenden Anwendung genügt im allgemeinen eine Auflösung eines Bildsensors von 20 × 30 Bildpunkten und bei einer gegebenen hohen Empfindlichkeit des Bildsensors ist eine Bildwiederholfrequenz von 1 kHz in den meisten Fällen ausreichend.

In besonders vorteilhafter Weise wählt man den Abstand zwischen der Lichtquelle (1) bzw. dem Bilderfassungssystem und einem zu erfassenden Objekt (Kopf oder Schulter bei Fahrzeuginsassen) im Bereich von 40 cm bis 60 cm. Bei diesem geringen Abstand ist die von der Lichtquelle (1) emittierte infrarote Strahlung im allgemeinen um mehr als einen Faktor 10 intensiver als das Umgebungslicht im selben Wellenlängenbereich. Durch die divergente Aufweitung des Lichtstrahls mittels des Diffusors nimmt die Intensität der von der Lichtquelle (1) emittierten Strahlung mit zunehmender Distanz quadratisch ab, so daß weiter entfernte Objekte dunkler im vom Bilderfassungssystem generierten Bild erscheinen. Beleuchtet man nun beispielsweise den Insassen (3) eines Kraftfahrzeugs mit dem divergenten Licht der Lichtquelle (1), so werden Kopf (4) und Oberkörper (5) wesentlich heller beleuchtet, als alle anderen Bildbereiche innerhalb und außerhalb des Fahrzeugs, da diese deutlich weiter entfernt sind. Da bei ausreichend hoher Leuchtdichte der Lichtquelle (1) zudem auch das Tageslicht, selbst bei vollem Sonnenschein, wesentlich weniger intensiv beleuchtet, ist das vom Bilderfassungssystem generierte Bild von Kopf (4) und Oberkörper (5), deutlich heller als alle umgebenden Bildpunkte.

Hierdurch kann in vorteilhafter Weise bei der Auswertung der vom Bilderfassungssystem generierten Bilder, durch Festlagen geeigneter Schwellwerte die Position eines Objektes (Kopf (4) oder Oberkörper (5) bei Fahrzeuginsassen) einfach aus Reihen- und Spaltennummer des bildpunktauflösenden Detektorarrays der einzelnen Bildsensoren (2) bestimmt werden. Bei Überschreiten eines dieser Schwellwerte kann sodann auf die Existenz des jeweiligen Objektes im Raum geschlossen werden.

Auf diese Weise ist es denkbar die Reihen- und Spaltennummer eines Bildpunktes, welcher in seiner Intensität oberhalb eines einem bestimmten Objekt zugeordneten Schwellwertes liegt, zu ermitteln und sodann aus diesem Wissen und in Kenntnis der Bildgeometrie des Bilderfassungssystems die Position des jeweiligen Objektes im Raum zu bestimmen.

Ist eine vollständige dreidimensionale Lagebestimmung eines Objektes notwendig, ist das Bilderfassungssystem aus mehreren Bildsensoren (2) aufzubauen, von denen mindestens zwei Bildsensoren (2) an räumlich unterschiedlicher Position angebracht sind. Dabei ist es zur Reduzierung des Verarbeitungsaufwandes bei der Bildanalyse von Vorteil, wenn wenigstens zwei der Bildsensoren (2) so angebracht sind, daß die Raumachsen entlang ihres Erfassungsbereichs in einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind.

Um die Präzision der Lageschätzung eines Objektes zu erhöhen kann in erfinderischer Weise, unmittelbar vor dem Einsteigen der Insassen (3) in ein Fahrzeug eine erste Bildaufnahme gemacht werden, welche beispielsweise die Sitzlehne (6), die Kopfstütze (7) und die Türverkleidung abbildet und die sodann nachträglich von den vom Bilderfassungssystem generierten Bilder subtrahiert wird.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Aufnahme eines Raumbildes, unter Verwendung wenigstens einer Lichtquelle (1) zum Ausleuchten eines Raumes, sowie eines Bilderfassungssystems, welches zumindest eine einen bildpunkt­ auflösenden Bildsensor (2) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) diffuses, infrarotes Licht zur Ausleuchtung des aufzunehmenden Raumes aussendet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge des infraroten Lichts so gewählt wird, daß auch bei vollem Sonnenlicht die von der Lichtquelle (1) stammende Beleuchtung dominant ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bilderfassungssystem aus mindestens zwei Bildsensoren (2) besteht, von denen mindestens zwei Bildsensoren (2) an räumlich unterschiedlicher Position angebracht sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei der Bildsensoren (2) so angebracht sind, daß die Raumachsen entlang ihres Erfassungsbereichs in einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Objektiv des Bildsensors (2) ein Bandpaßfilter angebracht wird, welches nur für Licht in einem schmalen Bereich um die Wellenlänge des von der Lichtquelle (1) ausgesandten Lichtes durchlässig ist.

6. Verfahren zur Aufnahme eines Raumbildes,
unter Verwendung wenigstens einer Lichtquelle (1) zum Ausleuchten eines Raumes, sowie eines Bilderfassungssystems, welches zumindest eine einen bildpunkt­ auflösenden Bildsensor (2) enthält, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Auswertung der Intensitätsdaten der Bildpunkte des Bildsensors (2) bestimmten Objekten zugeordnete Schwellwerte definiert werden,
so daß bei Überschreiten eines dieser Schwellwerte auf die Existenz des jeweiligen Objektes im Raum geschlossen werden kann.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihen- und Spaltennummer eines Bildpunktes, welcher in seiner Intensität oberhalb eines einem bestimmten Objekt zugeordneten Schwellwertes liegt, ermittelt wird, und daß aus diesem Wissen und in Kenntnis der Bildgeometrie des Bilderfassungssystems die Position des jeweiligen Objektes im Raum bestimmt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar vor dem Eintritt eines Objekts in den Erfassungsbereich des Bilderfassungssystems ein Bild des Erfassungsbereiches generiert wird, welches sodann von den nachträglich erzeugten Bildern subtrahiert wird.