DE102023207294A1 - Storage-efficient device and storage-efficient method for determining measurement information - Google Patents
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Abstract
Eine Vorrichtung zur Distanzbestimmung gemäß einer Ausführungsform wird bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst eine Empfangsschnittstelle (110) zum Empfangen einer Mehrzahl von Zeitstempeln einer LiDAR Detektion. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Verarbeitungseinheit (120) zur Durchführung von ein oder mehreren Verarbeitungsoperationen. Die Verarbeitungseinheit (120) ist ausgebildet, abhängig von den ein oder mehreren Verarbeitungsoperationen eine Distanz zu bestimmen. Die Verarbeitungseinheit (120) ist ausgebildet, bei der Durchführung der ein oder mehreren Verarbeitungsoperationen die Mehrzahl von Zeitstempeln derart zu gruppieren, dass zwei oder mehr Zeitstempel der Mehrzahl von Zeitstempeln werden; und/oder die Verarbeitungseinheit (120) ist ausgebildet, bei der Durchführung der ein oder mehreren Verarbeitungsoperationen ein oder mehrere Zusatzdaten mehr als einem Zeitstempel der Mehrzahl von Zeitstempeln zuzuordnen. A device for determining distance according to an embodiment is provided. The device comprises a receiving interface (110) for receiving a plurality of timestamps of a LiDAR detection. The device further comprises a processing unit (120) for carrying out one or more processing operations. The processing unit (120) is designed to determine a distance depending on the one or more processing operations. The processing unit (120) is designed to group the plurality of timestamps when carrying out the one or more processing operations such that two or more timestamps become the plurality of timestamps; and/or the processing unit (120) is designed to assign one or more additional data to more than one timestamp of the plurality of timestamps when carrying out the one or more processing operations.
Description
Die Anmeldung betrifft eine speichereffiziente Vorrichtung und ein speichereffizientes Verfahren zur Bestimmung einer Messinformation und ein entsprechendes LiDAR Gerät.The application relates to a memory-efficient device and a memory-efficient method for determining measurement information and a corresponding LiDAR device.
Im Bereich der Light Detection and Ranging -Technologie (LiDAR; deutsch: Lichtdetektion und Entfernungsbestimmung) ist das Direct time-of-flight (TOF) -Messprinzip (deutsch: Lautzeit-Messprinzip) mit Single Photon Avalanche Diode (SPAD)-Detektoren aufgrund seiner Einfachheit und Effektivität weit verbreitet. Mit der Technologie wird die Laufzeit eines Laserpulses in Zeitstempel zur Entfernungsmessung transformiert. Die Entfernung wird aus den Zeitstempeln und der Lichtgeschwindigkeit berechnet. Ein einzelner Zeitstempel ist jedoch aufgrund von Rauschen und falschen Auslöseereignissen nicht zuverlässig. Um diese Einflüsse zu reduzieren, akkumulieren die meisten solcher LiDAR-Systeme eine große Anzahl dieser Zeitstempel in einem sogenannten zeitkorrelierten Histogramm.In the field of light detection and ranging (LiDAR) technology, the direct time-of-flight (TOF) measurement principle with single photon avalanche diode (SPAD) detectors is widely used due to its simplicity and effectiveness. The technology transforms the flight time of a laser pulse into timestamps for distance measurement. The distance is calculated from the timestamps and the speed of light. However, a single timestamp is not reliable due to noise and false trigger events. To reduce these influences, most such LiDAR systems accumulate a large number of these timestamps in a so-called time-correlated histogram.
Zur Verbesserung der Zuverlässigkeit der Entfernungsmessung eines LiDAR-Systems werden häufig Rauschunterdrückung, Interpolation und andere Algorithmen auf das gemessene Histogramm angewendet. Für die Speicherung eines einzelnen Histogramms muss bereits ein großer Speicherplatz vorgehalten werden, was große Herausforderungen an den Speicherplatz und die Übertragungsbandbreite beispielsweise für ein eingebettetes System stellt. Werden darüber hinaus Algorithmen verwendet, welche Informationen aus aufeinanderfolgenden Histogrammen verwenden, steigen die Anforderungen an die eingebetteten Systeme derart, dass diese von den meisten aktuellen Systemen nicht mehr erfüllt werden können.To improve the reliability of the distance measurement of a LiDAR system, noise reduction, interpolation and other algorithms are often applied to the measured histogram. Storing a single histogram already requires a large amount of storage space, which poses major challenges in terms of storage space and transmission bandwidth, for example for an embedded system. In addition, if algorithms are used that use information from consecutive histograms, the demands on the embedded systems increase to such an extent that most current systems can no longer meet them.
Betrachtet man
Da die Anzahl der Pixel, die Auflösung und die Reichweite künftiger LiDAR Systeme noch zunehmen werden, wird dieses Problem noch gravierender.As the number of pixels, resolution and range of future LiDAR systems increase, this problem will become even more serious.
Die von einem LiDAR-System generierten großen Datenmengen können damit auf einem eingebetteten System nicht gespeichert und auch nicht in Echtzeit übertragen werden.The large amounts of data generated by a LiDAR system cannot be stored on an embedded system or transmitted in real time.
Bisher wird dieses Problem hauptsächlich auf drei Arten gelöst:So far, this problem has been solved mainly in three ways:
Eine Möglichkeit, das Problem zu adressieren, liegt in der Erstellung von Teilhistogrammen: Bei diesem Ansatz wird der Abstand durch die Erstellung von Teilhistogrammen mit unterschiedlichen Auflösungen in mehreren Messschritten ermittelt.One way to address the problem is to create partial histograms: In this approach, the distance is determined by creating partial histograms with different resolutions in several measurement steps.
Eine Variante der Vorrichtung und Verfahrens der Erstellung von Teilhistogrammen wird in [1] vorgestellt. Diese Variante umfasst mehrere Messstufen. Die Messungen in der ersten Stufe beginnen mit einer geringen Distanzauflösung und der vollen Reichweite. Anschließend wird entsprechend dem Ergebnis der letzten Stufe eine Teilreichweite ausgewählt und die Bereichsauflösung wird erhöht. Nach mehreren Wiederholungsrunden erreicht das Verfahren schließlich die maximale Auflösung nur in einem kleinen Teilbereich. Der Ansatz kann die zu speichernde Datenmenge im Vergleich zur Speicherung des vollständigen Histogramms mit voller Auflösung verringern.A variant of the device and method for creating partial histograms is presented in [1]. This variant includes several measurement stages. The measurements in the first stage start with a low distance resolution and the full range. Then, according to the result of the last stage, a partial range is selected and the range resolution is increased. After several iterations, the method finally reaches the maximum resolution only in a small sub-range. The approach can reduce the amount of data to be stored compared to storing the complete histogram with full resolution.
Eine weitere Variante der Erstellung von Teilhistogrammen wird in [2] als eine Vorrichtung vorgestellt. Die Vorrichtung enthält einen Fenster-Manager und einen Controller, die für das Time-Gating der SPADs und die Erzeugung von Teilhistogrammen zuständig ist. Der Prozess kann in zwei Schritte unterteilt werden: In einer Groberfassungsphase tastet der Controller zunächst das Time-Gating-Intervall (Gating: deutsch: Gatter) über den Erfassungszeitraum ab und sammelt die Informationen aus verschiedenen Gating-Intervallen. Mit diesen Informationen wird der Abstand mit grober Auflösung und das optimale Erfassungsfenster ermittelt. In der Feinerfassungsphase detektiert der Sensor dann nur das Signal innerhalb des vorgegebenen Zeitfensters mit hoher Auflösung und der Feinabstand wird entsprechend bestimmt. Im Vergleich zur ersten Variante, die im ersten Schritt die gesamte Reichweite misst, erfasst diese Variante in beiden Schritten nur die Teilreichweite. Somit könnte die Variante eine bessere Rauschtoleranz aufweisen, da sie die Distanzauflösung nicht wesentlich reduzieren muss, um eine vielversprechende Datenreduktionsrate zu erreichen. Ein Nachteil ist darin zu sehen, dass die Steuerung des Time-Gating-Schemas komplex ist. Darüber hinaus ist die Framerate niedrig, da auch hier mehrere Zyklen zur Bestimmung einer Distanz erforderlich sind.Another variant of generating partial histograms is presented in [2] as a device. The device contains a window manager and a controller that is responsible for time gating the SPADs and generating partial histograms. The process can be divided into two steps: In a coarse detection phase, the controller first samples the time gating interval (gating) over the detection period and collects the information from different gating intervals. With this information, the distance with coarse resolution and the optimal detection window are determined. In the fine detection phase, the sensor then only detects the signal within the specified time window with high resolution and the fine distance is determined accordingly. Compared to the first variant, which measures the entire range in the first step, this variant only measures the partial range in both steps. Thus, the variant could have better noise tolerance, since it does not have to significantly reduce the distance resolution to achieve a promising data reduction rate. A disadvantage is that the control of the time gating scheme is complex. In addition, the frame rate is low because several cycles are required to determine a distance.
Eine weitere Möglichkeit, das obige Problem zu adressieren, sind Compressive single-photon histograms (CSPH; deutsch: komprimierte Einzelphoton-Histogramme). Bei diesem Konzept werden die Zeitstempel mithilfe einer Kodierungsmatrix in eine kodierte Datenform in drei Schritten umgewandelt:Another way to address the above problem is compressive single-photon histograms (CSPH). In this concept, the timestamps are converted into an encoded data form using an encoding matrix in three steps:
In einem ersten Schritt wird eine Umwandlung des Zeitstempels TTS in einen One-Hot-Key A durchgeführt:
In einem Schritt wird die Kodierung durch:
In einem dritten Schritt erfolgt eine Akkumulation durch:
Schließlich liegt eine weitere Variante, das obige Problem zu adressieren, in der Speicherung von Teilpixeln: Bei diesem Konzept werden die Daten reduziert, indem die Anzahl der Pixel pro Bild verringert wird.Finally, another way to address the above problem is to store subpixels: This concept reduces data by reducing the number of pixels per image.
Bei der Bildung von Makro-Pixeln werden die Informationen der benachbarten Pixel kombiniert und nur ein Abstandswert wird ausgegeben. In diesem Fall ist die Datenreduktionsrate umgekehrt proportional zur räumlichen Auflösung des LiDAR-Systems, und es liegt nur eine geringe räumliche Auflösung vor.When forming macro pixels, the information of the neighboring pixels is combined and only one distance value is output. In this case, the data reduction rate is inversely proportional to the spatial resolution of the LiDAR system, and there is only a low spatial resolution.
Bei dem Teil-field-of-view (FOV; deutsch: Sichtfeld) erfasst das System in jedem Frame nur einen Teil des FOVs, wobei jedoch in einer dynamischen Messumgebung dieser Ansatz große Asynchronität verursachen kann.With partial field-of-view (FOV), the system captures only a portion of the FOV in each frame, but in a dynamic measurement environment this approach can cause large asynchrony.
In [4],
Eine Vorrichtung zur Distanzbestimmung gemäß einer Ausführungsform wird bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst eine Empfangsschnittstelle zum Empfangen einer Mehrzahl von Zeitstempeln einer LiDAR Detektion. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Verarbeitungseinheit zur Durchführung von ein oder mehreren Verarbeitungsoperationen. Die Verarbeitungseinheit ist ausgebildet, abhängig von den ein oder mehreren Verarbeitungsoperationen eine Distanz zu bestimmen. Die Verarbeitungseinheit ist ausgebildet, bei der Durchführung der ein oder mehreren Verarbeitungsoperationen die Mehrzahl von Zeitstempeln derart zu gruppieren, dass zwei oder mehr Zeitstempel der Mehrzahl von Zeitstempeln aggregiert werden; und/oder die Verarbeitungseinheit ist ausgebildet, bei der Durchführung der ein oder mehreren Verarbeitungsoperationen ein oder mehrere Zusatzdaten mehr als einem Zeitstempel der Mehrzahl von Zeitstempeln zuzuordnen.A device for determining distance according to one embodiment is provided. The device comprises a receiving interface for receiving a plurality of timestamps of a LiDAR detection. The device further comprises a processing unit for carrying out one or more processing operations. The processing unit is designed to determine a distance depending on the one or more processing operations. When carrying out the one or more processing operations, the processing unit is designed to group the plurality of timestamps such that two or more timestamps of the plurality of timestamps are aggregated; and/or the processing unit is designed to assign one or more additional data to more than one timestamp of the plurality of timestamps when carrying out the one or more processing operations.
Des Weiteren wird ein Verfahren zur Distanzbestimmung gemäß einer Ausführungsform bereitgestellt. Das Verfahren umfasst:
- - Empfangen einer Mehrzahl von Zeitstempeln einer LiDAR Detektion,
- - Durchführung von ein oder mehrerer Verarbeitungsoperationen durch eine Verarbeitungseinheit. Und:
- - Bestimmen einer Distanz abhängig von den ein oder mehreren Verarbeitungsoperationen durch die Verarbeitungseinheit.
- - Receiving a plurality of timestamps of a LiDAR detection,
- - Execution of one or more processing operations by a processing unit. And:
- - Determining a distance depending on the one or more processing operations by the processing unit.
Die Verarbeitungseinheit gruppiert bei der Durchführung der ein oder mehreren Verarbeitungsoperationen die Mehrzahl von Zeitstempeln derart, dass zwei oder mehr Zeitstempel der Mehrzahl von Zeitstempeln aggregiert werden. Und/oder die Verarbeitungseinheit ordnet bei der Durchführung der ein oder mehreren Verarbeitungsoperationen ein oder mehrere Zusatzdaten mehr als einem Zeitstempel der Mehrzahl von Zeitstempeln zu.When performing the one or more processing operations, the processing unit groups the plurality of timestamps such that two or more timestamps of the plurality of timestamps are aggregated. And/or when performing the one or more processing operations, the processing unit assigns one or more additional data to more than one timestamp of the plurality of timestamps.
Des Weiteren wird ein Computerprogramm gemäß einer Ausführungsform mit einem Programmcode zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens bereitgestellt.Furthermore, a computer program according to an embodiment is provided with a program code for carrying out the method described above.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.Preferred embodiments of the invention are described below with reference to the drawings.
In den Zeichnungen ist dargestellt:
-
1 zeigt eine Vorrichtung zur Distanzbestimmung gemäß einer Ausführungsform. -
2 zeigt ein Beispiel für ein zeitkorreliertes Histogramm eines LIDAR Systems. -
3 zeigt Ausführungsvarianten der LiDAR Datenverarbeitung gemäß bestimmter Ausführungsbeispiele. -
4 zeigt eine Sortierung von Zeitstempeln in aufsteigender Reihenfolge und eine Erweiterung um Zusatzwissen gemäß einem Ausführungsbeispiel. -
5 zeigt einen Prozess der Erstellung neuer Merkmale bei der ersten Stufe der Selbstgruppierung gemäß einer Ausführungsform. -
6 zeigt ein Verfahren der Aktualisierung einer bestehenden Merkmalsgruppe bei der ersten Stufe der Selbstgruppierung gemäß einer Ausführungsform. -
7 zeigt ein Verfahren der Erstellung weiterer Merkmale bei der ersten Stufe der Selbstgruppierung gemäß einer Ausführungsform. -
8 zeigt das Verfahren der Anwendung einer weiteren Aktualisierungsregel bei der ersten Stufe der Selbstgruppierung gemäß Ausführungsformen. -
9 zeigt einen Prozess der zweiten Stufe der Selbstgruppierung gemäß einer Ausführungsform. -
10 zeigt einen Aufbau und das Training eines stacked-FNN gemäß einer Ausführungsform.
-
1 shows a device for determining distance according to an embodiment. -
2 shows an example of a time-correlated histogram of a LIDAR system. -
3 shows variants of LiDAR data processing according to certain embodiments. -
4 shows a sorting of timestamps in ascending order and an extension with additional knowledge according to an embodiment. -
5 shows a process of creating new features at the first stage of self-grouping according to one embodiment. -
6 shows a method of updating an existing feature group at the first stage of self-grouping according to one embodiment. -
7 shows a method of creating additional features in the first stage of self-grouping according to one embodiment. -
8 shows the method of applying another update rule to the first stage of self-grouping according to embodiments. -
9 shows a second stage self-grouping process according to one embodiment. -
10 shows a structure and training of a stacked FNN according to an embodiment.
Die Vorrichtung umfasst eine Empfangsschnittstelle 110 zum Empfangen einer Mehrzahl von Zeitstempeln einer LiDAR Detektion.The device comprises a receiving
Ferner umfasst die Vorrichtung eine Verarbeitungseinheit 120 zur Durchführung von ein oder mehreren Verarbeitungsoperationen.Furthermore, the device comprises a
Die Verarbeitungseinheit 120 ist ausgebildet, abhängig von den ein oder mehreren Verarbeitungsoperationen eine Distanz zu bestimmen.The
Die Verarbeitungseinheit 120 ist ausgebildet, bei der Durchführung der ein oder mehreren Verarbeitungsoperationen die Mehrzahl von Zeitstempeln derart zu gruppieren, dass zwei oder mehr Zeitstempel der Mehrzahl von Zeitstempeln werden; und/oder die Verarbeitungseinheit 120 ist ausgebildet, bei der Durchführung der ein oder mehreren Verarbeitungsoperationen ein oder mehrere Zusatzdaten mehr als einem Zeitstempel der Mehrzahl von Zeitstempeln zuzuordnen.The
Die nachfolgenden Ausführungsformen betreffen Datenintegration gemäß besonderer Ausführungsformen:
- Gemäß einer Ausführungsform kann die
Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, bei der Durchführung der ein oder mehreren Verarbeitungsoperationen die Mehrzahl von Zeitstempeln umzusortieren, um eine Mehrzahl umsortierter Zeitstempel zu erhalten, und eine Datenstruktur zu erzeugen, in der die Mehrzahl umsortierter Zeitstempel in ihrer umsortierten Reihenfolge angeordnet sind. Dabei kann dieVerarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, die Distanz unter Verwendung der Datenstruktur zu bestimmen.
- According to one embodiment, the
processing unit 120 can be designed, for example, to reorder the plurality of timestamps when performing the one or more processing operations in order to obtain a plurality of reordered timestamps and to generate a data structure in which the plurality of reordered timestamps are arranged in their reordered order. In this case, theprocessing unit 120 can be designed, for example, to determine the distance using the data structure.
In einer Ausführungsform kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, bei der Durchführung der ein oder mehreren Verarbeitungsoperationen die ein oder mehrere Zusatzdaten der Mehrzahl von Zeitstempeln zuzuordnen. Dabei kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, die Datenstruktur so zu erzeugen, dass die Datenstruktur die ein oder mehreren Zusatzdaten umfasst.In one embodiment, the
Gemäß einer Ausführungsform kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, die Datenstruktur so zu erzeugen, dass die ein oder mehreren Zusatzdaten erst hinter der Mehrzahl aller umsortierter Zeitstempel in der Datenstruktur angeordnet sind, oder aber vor der Mehrzahl aller umsortierter Zeitstempel in der Datenstruktur angeordnet sind.According to one embodiment, the
In einer Ausführungsform kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, für die Distanzschätzung ein maschinelles Lernverfahren einzusetzen, und die Datenstruktur als Eingabe des maschinellen Lernverfahrens einzusetzen.In one embodiment, the
Gemäß einer Ausführungsform kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, bei der Durchführung der ein oder mehreren Verarbeitungsoperationen die ein oder mehreren Zusatzdaten der Mehrzahl von Zeitstempeln zuzuordnen, wobei die ein oder mehreren Zusatzdaten z.B. eine Hintergrundintensität und/oder eine Distanzbestimmung eines vorherigen Frames und/oder einen Temperaturwert und/oder Kalibrierungsdaten und/oder eine Photonenrate und/oder einen Abstand zu vorherigen Bildern und/oder ein oder mehrere Merkmale von Nachbarpixeln umfassen können.According to one embodiment, the
Die nachfolgenden Ausführungsformen betreffen eine erste Stufe der Selbstgruppierung gemäß besonderer Ausführungsformen:
- In einer Ausführungsform kann die
Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, bei der Durchführung der ein oder mehreren Verarbeitungsoperationen die Mehrzahl von Zeitstempeln derart zu gruppieren,- - dass ein erster Zeitstempel der Mehrzahl von Zeitstempeln eine erste Merkmalsgruppe von ein oder mehreren Merkmalsgruppen bildet, und
- - dass ein oder mehrere weitere Zeitstempel der Mehrzahl von Zeitstempeln entweder einer der ein oder mehreren Merkmalsgruppen zugeordnet werden oder eine weitere Merkmalsgruppe der ein oder mehreren Merkmalsgruppen bilden.
- In one embodiment, the
processing unit 120 may be configured, for example, to group the plurality of timestamps when performing the one or more processing operations such that- - that a first time stamp of the plurality of time stamps forms a first feature group of one or more feature groups, and
- - that one or more further time stamps of the plurality of time stamps are either assigned to one of the one or more feature groups or form a further feature group of the one or more feature groups.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, für jede Merkmalsgruppe der ein oder mehreren Merkmalsgruppen einen Zählwert zu bestimmen, der davon abhängt, wie viele Zeitstempel der Mehrzahl von Zeitstempeln dieser Merkmalsgruppe zugewiesen wurden.According to one embodiment, the
In einer Ausführungsform kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, für jede Merkmalsgruppe der ein oder mehreren Merkmalsgruppen einen Zentralpunkt zu bestimmen, dessen Wert von denjenigen Zeitstempeln der Mehrzahl von Zeitstempeln abhängt, die dieser Merkmalsgruppe zugewiesen wurden, und/oder dessen Wert von abgeleiteten Werten abhängt, wobei jeder der abgeleiteten Werte von einem der Zeitstempel abhängt, die dieser Merkmalsgruppe zugewiesen wurden (z.B. kann ein Distanzwert für einen Zeitstempel von einem Zeitwert des Zeitstempels abhängen).In one embodiment, the
Gemäß einer Ausführungsform kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, für jede Merkmalsgruppe der ein oder mehreren Merkmalsgruppen den Zentralpunkt so zu bestimmen, dass sich der Zentralpunkt aus einer Kombination der Werte derjenigen Zeitstempel ergibt, die dieser Merkmalsgruppe zugeordnet sind, oder so zu bestimmen, dass sich der Zentralpunkt aus einer Kombination der abgeleiteten Werte derjenigen Zeitstempel ergibt, die dieser Merkmalsgruppe zugeordnet sind.According to one embodiment, the
In einer Ausführungsform kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, bei der Durchführung der ein oder mehreren Verarbeitungsoperationen die Mehrzahl von Zeitstempeln derart zu gruppieren, dass die ein weiterer Zeitstempel der Mehrzahl von Zeitstempeln genau dann weitere Merkmalsgruppe der ein oder mehreren Merkmalsgruppen bilden, wenn ein Betrag einer Differenz des Werts des Zentralpunkts und eines Werts des einen weiteren Zeitstempels größer als ein Schwellwert ist, oder wenn ein Betrag einer Differenz des Werts des Zentralpunkts und eines abgeleiteten Werts des einen weiteren Zeitstempels größer als ein Schwellwert ist.In one embodiment, the
Gemäß einer Ausführungsform kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, wenn eine Anzahl der ein oder mehreren Merkmalsgruppen eine vordefinierte Obergrenze erreicht, keine weiteren neuen Merkmalsgruppen mehr anzulegen.According to one embodiment, the
In einer Ausführungsform kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, wenn eine Anzahl der ein oder mehreren Merkmalsgruppen eine vordefinierte Obergrenze erreicht, eine weniger signifikante Merkmalsgruppe der ein oder mehreren Merkmalsgruppen zu überschreiben.In one embodiment, the
Die nachfolgenden Ausführungsformen betreffen ein Clustering mit Makro-Bins gemäß besonderer Ausführungsformen:
- Gemäß einer Ausführungsform kann die
Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, bei der Durchführung der ein oder mehreren Verarbeitungsoperationen jeden der Mehrzahl von Zeitstempeln genau einem Cluster von ein oder mehreren Clustern zuzuordnen.
- According to one embodiment, the
processing unit 120 may, for example, be configured to assign each of the plurality of timestamps to exactly one cluster of one or more clusters when performing the one or more processing operations.
In einer Ausführungsform kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, bei Zuweisung eines weiteren Zeitstempels zu einem Cluster der ein oder mehreren Cluster, dem bereits ein Zeitstempel zugewiesen wurde, einen Zählwert zu erhöhen, der diesem Cluster zugeordnet ist.In one embodiment, the
Gemäß einer Ausführungsform kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, bei Zuweisung des eines weiteren Zeitstempels zu dem Cluster, dem bereits ein Zeitstempel zugewiesen wurde, außer der Erhöhung des Zählwerts dieses Clusters, keine sonstigen Werte oder Eigenschaften zu verändern, die diesem Cluster zugewiesen sind. According to one embodiment, the
Die nachfolgenden Ausführungsformen betreffen eine zweite Stufe der Selbstgruppierung gemäß besonderer Ausführungsformen:
- In einer Ausführungsform kann z.B. die ein oder mehreren Merkmalsgruppen wenigstens zwei Merkmalsgruppen aufweisen. Dabei kann die
Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, die wenigstens zwei Merkmalsgruppen zu einer geringeren Anzahl Merkmalsgruppen abhängig von einer Eigenschaft der wenigstens zwei Merkmalsgruppen zusammenzufassen.
- In one embodiment, the one or more feature groups may comprise at least two feature groups. The
processing unit 120 may be designed to, for example, to combine two feature groups into a smaller number of feature groups depending on a property of at least two feature groups.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, die wenigstens zwei Merkmalsgruppen zu der geringeren Anzahl Merkmalsgruppen abhängig von Differenzen zwischen den Zentralpunkten der wenigstens zwei Merkmalsgruppen zusammenzufassen.According to one embodiment, the
In einer Ausführungsform kann die ein oder mehreren Cluster wenigstens zwei Cluster aufweisen. Dabei kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, die wenigstens zwei Cluster zu einer geringeren Anzahl Cluster abhängig von einer Eigenschaft der wenigstens zwei Cluster zusammenzufassen.In one embodiment, the one or more clusters can have at least two clusters. The
Die nachfolgenden Ausführungsformen betreffen die Distanzbestimmung gemäß besonderer Ausführungsformen:
- Gemäß einer Ausführungsform kann die
Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, abhängig von den ein oder mehreren Verarbeitungsoperationen unter Einsatz eines maschinellen Lernverfahrens die Distanz zu bestimmen.
- According to one embodiment, the
processing unit 120 may, for example, be configured to determine the distance depending on the one or more processing operations using a machine learning method.
In einer Ausführungsform kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, als maschinelles Lernverfahren ein neuronales Netz einzusetzen.In one embodiment, the
Gemäß einer Ausführungsform kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, das neuronale Netz als Regressor zu verwenden.According to one embodiment, the
In einer Ausführungsform kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, das neuronale Netz als Klassifikator zu verwenden.In one embodiment, the
Gemäß einer Ausführungsform kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, die Datenstruktur als die Eingabe des maschinellen Lernverfahrens zu verwenden.According to one embodiment, the
In einer Ausführungsform kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, Informationen über die ein oder mehreren Merkmalsgruppen als Eingabe des maschinellen Lernverfahrens zu verwenden; oder die Verarbeitungseinheit 120 kann z.B. ausgebildet sein, Informationen über die ein oder mehreren Cluster als Eingabe des maschinellen Lernverfahrens zu verwenden.In one embodiment, the
Gemäß einer Ausführungsform kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, abhängig von den ein oder mehreren Verarbeitungsoperationen ohne Einsatz eines maschinellen Lernverfahrens die Distanz zu bestimmen.According to one embodiment, the
Nachfolgend werden spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.Specific embodiments of the invention are described below.
Die Verarbeitung von SPAD-basierten LiDAR-Daten umfasst in der Regel drei Datenformen: Zeitstempel, Histogramme und Punktwolken. Histogramm-Daten benötigen dabei eine große Menge an Speicherplatz, was bei eingebetteten Systemen eine große Herausforderung darstellt. Um dieses Problem zu lösen, wird in Ausführungsformen eine neue Art der Bearbeitung von Zeitstempeln ohne die Berücksichtigung der Histogramme bereitgestellt. Die Datenverarbeitung kann dabei in bestimmten Ausführungsformen in die Bereiche „Konvertierung der Zeitstempel“ und „Distanzbestimmung“ unterteilt werden.The processing of SPAD-based LiDAR data typically involves three forms of data: timestamps, histograms and point clouds. Histogram data requires a large amount of storage space, which is a major challenge in embedded systems. To solve this problem, embodiments provide a new way of processing timestamps without taking histograms into account. In certain embodiments, the data processing can be divided into the areas of "conversion of timestamps" and "distance determination".
Bei Ausführungsvariante 1 erfolgt die Konvertierung der Zeitstempel mittels Datenintegration, und die Distanzbestimmung erfolgt mittels KI-Regressor.In
Bei Ausführungsvariante 2 erfolgt die Konvertierung der Zeitstempel mittels einer ersten Stufe Selbstgruppierung, und die Distanzbestimmung erfolgt mittels digitaler Verarbeitung oder mittels KI-Regressor oder mittels Kl-Klassifikator.In
Bei Ausführungsvariante 3 erfolgt die Konvertierung der Zeitstempel mittels einer ersten Stufe der Selbstgruppierung und einer zweiten Stufe der Selbstgruppierung, und die Distanzbestimmung erfolgt mittels digitaler Verarbeitung oder mittels KI-Regressor oder mittels Kl-Klassifikator.In
Bei Ausführungsvariante 4 erfolgt die Konvertierung der Zeitstempel mittels eines Clusterings (deutsch: Gruppierung) mit Makro-Bins, und die Distanzbestimmung erfolgt mittels digitaler Verarbeitung oder mittels KI-Regressor oder mittels Kl-Klassifikator.In
Bei Ausführungsvariante 5 erfolgt die Konvertierung der Zeitstempel mittels eines Clusterings mit Makro-Bins und dann mittels einer zweiten Stufe der Selbstgruppierung, und die Distanzbestimmung erfolgt mittels digitaler Verarbeitung oder mittels KI-Regressor oder mittels Kl-Klassifikator.In
Im Folgenden wird die Konvertierung von Zeitstempeln gemäß spezieller Ausführungsbeispiele beschrieben.The conversion of timestamps according to specific embodiments is described below.
Ziel der Konvertierung von Zeitstempeln ist die Erstellung eines effizienten Datenformats anstelle des Histogramms. Das Datenformat soll alle wichtigen Informationen der Originaldaten so weit wie möglich beibehalten. Außerdem sollte der Konvertierungsprozess angesichts der begrenzten Ressourcen von eingebetteten Systemen effizient sein. Nachfolgend werden die vier Blöcke (Datenintegration, 1. / 2. Stufe der Selbstgruppierung und Clustering mit Makro-Bins) im Detail vorgestellt. Beispiele für mögliche Kombinationen dieser vier Blöcke im Rahmen der Ausführungsvarianten sind der
Zunächst wird Datenintegration gemäß einer speziellen Ausführungsform beschrieben.First, data integration according to a specific embodiment is described.
Zunächst erfolgt bei der Datenintegration mancher Ausführungsformen eine Sortierung. Die Zeitstempel sind in zufälliger Reihenfolge angeordnet. Dieser Zufallsfaktor behindert die spätere Abstandsvorhersage. Eine Sortierung wird auf die Zeitstempel angewendet. Die Sortierung kann beispielsweise entweder aufsteigend oder beispielsweise absteigend erfolgen.First, in some embodiments, data integration is carried out by sorting. The time stamps are arranged in a random order. This random factor hinders the subsequent distance prediction. A sorting is applied to the time stamps. The sorting can be either ascending or descending, for example.
Dann erfolgt bei der Datenintegration bestimmter Ausführungsformen eine Erweiterung mit Zusatzwissen. Bei LiDAR-Messungen gibt es außer den Zeitstempeln zusätzliche Informationen, die für die Distanzbestimmung von Vorteil sein könnten:
- Zu diesen zusätzlichen Information zählen beispielsweise ein oder mehrere der folgenden Informationen:
- - Hintergrundintensität: Sie wird durch die Photonenrate dargestellt, die neben den Messungen der Zeitstempel aufgezeichnet wird. Dieser Wert ist positiv mit der Wahrscheinlichkeit einer falschen Zeitstempelgenerierung korreliert. In bestimmten Ausführungsformen wird der Wert daher beispielsweise normalisiert als zusätzlicher Parameter verwendet.
- - Temporäre Informationen: Da die Zeit zwischen zwei Frames der LiDAR-Aufnahme sehr kurz ist (< 0,04s) wird davon ausgegangen, dass ein entdecktes Objekt seine Position allmählich ändert und nicht plötzlich in eine andere zufällige Entfernung springt. Daher wird in bestimmten Ausführungsformen beispielsweise die Distanzbestimmung des vorherigen Frames als weiterer zusätzlicher Parameter verwendet. Und/oder, es werden Merkmale von Nachbarpixeln als zusätzliche Informationen verwendet.
- - In bestimmten Ausführungsformen werden beispielsweise weitere/andere Informationen wie Temperaturwerte und Kalibrierungsdaten (ebenfalls) berücksichtigt.
- This additional information includes, for example, one or more of the following information:
- - Background intensity: It is represented by the photon rate recorded alongside the timestamp measurements. This value is positively correlated with the probability of false timestamp generation. In certain embodiments, the value is therefore used, for example, normalized as an additional parameter.
- - Temporary information: Since the time between two frames of the LiDAR recording is very short (< 0.04s), it is assumed that a discovered object changes its position gradually and does not suddenly jump to another random distance. Therefore, in certain embodiments, for example, the distance determination of the previous frame is used as another additional parameter. And/or, features of neighboring pixels are used as additional information.
- - In certain embodiments, for example, additional/other information such as temperature values and calibration data are (also) taken into account.
Die endgültige Datenform nach der Zusammenstellung der Daten gemäß einer bestimmten Ausführungsform ist in
So zeigt
Die in
Mit der Definition, dass ND die erforderliche Anzahl von Bit für jedes Element in F ist, ergibt sich die Gesamtdatenmenge MIntegration aus
Es sind:
- NT = Anzahl der Zeitstempel
- Npix = Pixel des LiDAR Sensors
- NZ = Anzahl Bits, in denen ein Zählwert gespeichert wird
- NFPS = Anzahl der Tiefbilder pro Sekunde.
- N T = number of timestamps
- N pix = pixels of the LiDAR sensor
- N Z = Number of bits in which a count value is stored
- N FPS = number of deep frames per second.
Die Datenreduktionsrate RIntegration-Hist ist dann gegeben durch
Da ND und NZ in der Regel bei den meisten LiDAR-Systemen nicht verändert werden können, ist RHist-Integration umgekehrt proportional zu (NT + NI).Since N D and N Z typically cannot be changed in most LiDAR systems, R Hist integration is inversely proportional to (N T + N I ).
Aus diesem Grund eignet sich die Datenintegration besonders für die Systeme die ein kleines NT besitzen, wie zum Beispiel Scanning-LiDAR-Systeme.For this reason, data integration is particularly suitable for systems that have a small N T , such as scanning LiDAR systems.
Als nächstes wird die erste Stufe der Selbstgruppierung gemäß besonderer Ausführungsformen beschrieben.Next, the first stage of self-grouping according to particular embodiments is described.
Dabei berechnet beispielsweise ein Algorithmus der „Selbstgruppierung“ wichtige Merkmale bzw. aktualisiert diese, wenn ein neuer Zeitstempel kommt.For example, a “self-grouping” algorithm calculates important features or updates them when a new timestamp arrives.
Beispielsweise kann bei der Erstellung neuer Merkmale das Ergebnis der Selbstgruppierung eine Liste von Merkmalsgruppen sein. Jede Merkmalsgruppe bezieht sich auf ein Datenpaar, das einen Zentralpunkt (Distanzwert) und einen entsprechenden Zählwert umfasst. In der Initialisierungsphase kann, z.B. die maximale Anzahl der Merkmalsgruppen M festgelegt werden und somit auch z.B. der erforderliche Speicherplatz definiert werden. Wenn die Liste leer ist, wird ein generierter Zeitstempel aus Laseremission und Echodetektion direkt als zentraler Punkt mit Zählwert 1 in die Liste eingetragen. Das Verfahren ist in
So zeigt
So wird in
Bei der Aktualisierung der Merkmale wird beispielsweise, wenn es mindestens eine Merkmalsgruppe in der Liste gibt, ein neu generierter Zeitstempel zunächst mit den in der Liste enthaltenen Zentralpunkte verglichen. Wenn die Differenz zwischen dem Zeitstempel und einem der Zentralpunkte kleiner als ein bestimmtes Intervall dE ist, wird die diesem Zentralpunkt entsprechende Merkmalsgruppe aktualisiert. Die Aktualisierungsregel kann beispielsweise wie folgt aufgebaut sein:
- 1. Der neue Zentralpunkt wird durch
- 2. Der entsprechende Zählwert Z' wird aktualisiert durch
6 dargestellt.
- 1. The new central point is
- 2. The corresponding count value Z' is updated by
6 shown.
So zeigt
Bei der ersten Stufe der Selbstgruppierung kann es auch zur Erstellung weiterer Merkmale kommen. Wenn z.B. die Differenz zwischen dem Zeitstempel und alle Zentralpunkte in der Liste größer als ein bestimmtes Intervall dE ist, kann z.B. eine neue Merkmalsgruppe hinzugefügt werden.The first stage of self-grouping can also result in the creation of additional features. For example, if the difference between the timestamp and all the center points in the list is greater than a certain interval d E , a new feature group can be added.
So können D und Z z.B. nach dem in
So ist in
Zusätzlich zu den oben genannten Regeln, sind weitere Aktualisierungsregeln wie folgt möglich, die beispielsweise Vorgehensweisen definieren, wenn die Merkmalsgruppe voll ist.In addition to the rules mentioned above, further update rules are possible as follows, which, for example, define procedures when the feature group is full.
Wenn die Anzahl der Merkmale die Obergrenze M erreicht, wird danach beispielsweise keine neue Merkmalgruppe weiter hinzufügt.For example, if the number of features reaches the upper limit M, no new feature group will be added thereafter.
Ein neuer, hinzukommender Zeitstempel, der als neue Merkmalsgruppe gespeichert werden soll, könnte in einer Ausführungsform beispielsweise verworfen werden.For example, a new, added timestamp that is to be stored as a new feature group could be discarded in one embodiment.
Oder aber, ein neuer, hinzukommender Zeitstempel könnte beispielsweise die am wenigsten signifikante Merkmalsgruppe überschreiben. Die Signifikanz S für jede Merkmalsgruppe kann beispielsweise durch
Die Gesamtdatenmenge MSG ergibt sich aus
Die Datenreduktionsrate RHist-SG ist somit gegeben durch
Im Vergleich zu dem Konzept der Konvertierung der Zeitstempel wird RHist-SG nicht direkt von NT beeinflusst. Daher ist die Selbstgruppierung ein vielversprechendes Datenreduktionsverfahren für LiDAR Systeme insbesondere mit großem NT, wie z. B. dem Flash-LiDAR-System. Es ist jedoch zu beachten, dass der Algorithmus in der Regel jedes Mal ausgeführt wird, wenn ein Zeitstempel eintrifft. Wenn das Zeitintervall zwischen dem Eintreffen der beiden Zeitstempel kürzer ist, als die Verarbeitungszeit des Algorithmus, würde dies zu einer zusätzlichen Zeitverzögerung führen.Compared to the concept of timestamp conversion, R Hist-SG is not directly affected by N T . Therefore, self-grouping is a promising data reduction method for LiDAR systems, especially with large N T , such as the Flash LiDAR system. However, it should be noted that the algorithm is usually executed every time a timestamp arrives. If the time interval between the arrival of the two timestamps is shorter than the processing time of the algorithm, this would lead to an additional time delay.
Nachfolgend wird Clustering mit Makro-Bins gemäß spezieller Ausführungsformen beschrieben. Anstatt die Zeitstempel in voller Auflösung zu speichern und den Zentralpunkt zu aktualisieren, kann ein derartiges Makro-Bin-Verfahren angewandt werden, um weiteren Speicherplatz und Operationen bei geringerer Entfernungsgenauigkeit einzusparen.Clustering with macro-bins according to specific embodiments is described below. Instead of storing the timestamps in full resolution and updating the center point, such a macro-bin method can be applied to save further storage space and operations at lower distance accuracy.
Die Idee hinter diesem Konzept ist es, nur eine begrenzte Anzahl von Histogramm-Bins anzulegen. Es wird ein neuer Cluster angelegt, sobald ein Zeitstempel aufgenommen wird, der noch nicht abgelegt ist. Die Bittiefe pro Zeitstempel (Auflösung des TDC) wird dabei nicht zwangsläufig reduziert.The idea behind this concept is to create only a limited number of histogram bins. A new cluster is created as soon as a timestamp is recorded that has not yet been stored. The bit depth per timestamp (resolution of the TDC) is not necessarily reduced.
Ein Zeitstempel belegt
Zu jedem Eintrag gehört ein Zähler mit Tiefe NZ, in dem die erfolgreichen Detektionen abgelegt werden können.Each entry has a counter with depth N Z in which the successful detections can be stored.
Bei Erstellung des Histogramms werden maximal kBin Histogramm-Einträge angelegt. Die gesamte Datenmenge für einen Pixel beträgt
Somit ergibt sich für das gesamte Datenaufkommen des Histogramms
Wird der Self-Clustering Ansatz genutzt, reduziert sich dieses Datenaufkommen auf
Dabei beschreibt NCıuster die Menge der quantisierten Zeiten, die sich durch reduzierende Zusammenfassung von NR der ursprünglichen Binbreite zu der Breite eines Makrobins ergeben.
Der einzelne Cluster erhält also einen Index iCluster mit dem über die Quantisierungsbreite der Cluster tCluster die zugehörige, abgebildete Zeit des Clusters errechenbar ist:
Angenommen, dass die Höhe der Zählwerte im Falle der Cluster und Bins gleich ist, kann eine Datenreduktion um den folgenden Faktor erzielt werden:
Sind alle Cluster belegt, kann ein einlaufender neuer Zeitstempel nicht direkt abgelegt werden.If all clusters are occupied, an incoming new timestamp cannot be stored directly.
Eine Logik um diesen Fall abzufangen kann beinhalten, alle Cluster so lange zu dekrementieren bis ein Cluster den Zählwert 0 erreicht. Dann werden alle Cluster mit Zählwert 0 entfernt und stehen zur Neubelegung zur Verfügung.Logic to handle this case may include decrementing all clusters until a cluster reaches a count of 0. Then all clusters with a count of 0 are removed and are available for reassignment.
Alternativ kann, da dieser Zustand auf eine Verteilung mit hoher Varianz hinweist, die durch starke Hintergrundlichteinstrahlung verursacht sein kann, ein Indikatorbit für eine Fehlmessung gesetzt werden.Alternatively, since this condition indicates a distribution with high variance, which may be caused by strong background light, a mismeasurement indicator bit can be set.
Weiterhin kann der Cluster mit dem geringsten Zählwert entfernt werden, um neuen Platz für die Ablage weiterer Cluster zur Verfügung zu stellen.Furthermore, the cluster with the lowest count can be removed to provide new space for storing additional clusters.
Beispielsweise kann das Clustering mit Marko Bins derart implementiert werden, dass die Größe eines Clusters vorabdefiniert wird. Beispielsweise kann definiert sein, dass die (Abstands-) Werte in einem Intervall von 20 cm demselben Cluster zugeordnet werden. So kann z.B. vorab definiert werden, dass Zeitstempel mit einem (Abstands-) Wert von:
- 0
cm bis 20 cm; 20,1 cm bis 40 cm; 40,1 cm bis 60 cm; 60,1 cm bis 80 cm, usw.
- 0 cm to 20 cm; 20.1 cm to 40 cm; 40.1 cm to 60 cm; 60.1 cm to 80 cm, etc.
Weitere eingehende Zeitstempel dieses Cluster-Intervalls von 40,1 cm bis 60 cm erhöhen dann z.B. nur den Zählwert des Clusters; eine Neuberechnung des Zentralpunkts findet dann z.B. nicht statt.Further incoming timestamps of this cluster interval from 40.1 cm to 60 cm then only increase the count value of the cluster; a recalculation of the central point then does not take place.
Im Folgenden wird die zweite Stufe der Selbstgruppierung beschrieben. Die zweite Stufe der Selbstgruppierung ist in jedem Fall optional. Ferner ergänzt die zweite Stufe der Selbstintegration in vielen Ausführungsformen die vorherigen Konzepte.The second stage of self-grouping is described below. The second stage of self-grouping is optional in any case. Furthermore, the second stage of self-integration complements the previous concepts in many embodiments.
So kann der Prozess der (z.B. ersten Stufe der) Selbstgruppierung eine Vielzahl von Merkmalsgruppen hervorbringen, deren Zentralpunkte sehr nahe beieinander liegen. Diese Merkmalsgruppen stammen sehr wahrscheinlich von demselben Objekt. Daher wird die zweite Gruppierung (z.B. die zweite Stufe der Selbstgruppierung) als Option angewandt, die diese Merkmalsgruppen zusammenfasst. Beispielsweise kann die Zusammenfassung erfolgen durch:
Beispielweise kann f4 durch
Ein Beispiel für die zweite Gruppierung (die zweite Stufe der Selbstgruppierung) ist in
Nach dem Selbstgruppierungsalgorithmus werden M Merkmalsgruppen berechnet. Diese Merkmalsgruppen können immer noch redundante oder unwichtige Informationen enthalten.According to the self-grouping algorithm, M feature groups are calculated. These feature groups may still contain redundant or unimportant information.
Daher wird eine Merkmalsextraktion als Option durchgeführt, um K Merkmalsgruppen aus M Merkmalsgruppen zu extrahieren, wobei K < M. Die Extraktion kann z.B. erfolgen durch:
Ein Beispiel für f6 lautet:
i∈M, k∈K und DMin und DMax
der minimale bzw. maximale Erfassungsabstand sind.An example for f 6 is:
i∈M, k∈K and D Min and D Max
the minimum and maximum detection distances respectively.
Im Folgenden werden Konzepte der Distanzbestimmung gemäß Ausführungsformen beschrieben.In the following, concepts of distance determination according to embodiments are described.
Gemäß Ausführungsformen konvertieren die oben genannten Varianten die Zeitstempel in mehrere Merkmale. Anschließend werden diese Merkmale mit den nachfolgenden Datenverarbeitungsmethoden zur Distanzbestimmung weiterverarbeitet:
- Zur Distanzbestimmung können beispielsweise eingesetzt werden:
- - Klassische digitale Verarbeitung
- - Neuronales Netz als Regressor
- - Neuronales Netz als Klassifikator.
- For example, the following can be used to determine distance:
- - Classic digital processing
- - Neural network as regressor
- - Neural network as classifier.
Zunächst werden Konzepte der klassischen digitalen Verarbeitung beschrieben, die mit den obigen Ausführungsbeispielen kombiniert werden können.First, concepts of classical digital processing are described, which can be combined with the above embodiments.
So kann die Distanzauswertung mit bewährten Methoden durchgeführt werden. Dazu kann z.B. eine einfache Modus-Detektion gehören oder eine Interpolation von benachbarten gefüllten Clustern, um eine Sub-Cluster Auflösung zu erreichen.The distance evaluation can be carried out using proven methods. This can include, for example, a simple mode detection or an interpolation of neighboring filled clusters to achieve a sub-cluster resolution.
Bei der Modus-Detektion wird der häufigste Zählwert ausgewertet. Zuerst muss der Cluster mit dem größten Zählwert identifiziert werden
Diese Information kann dann genutzt werden, um die Flugzeit (Time-of-Flight) des zugehörigen Clusters auszulesen.This information can then be used to read the time-of-flight of the associated cluster.
Die Bestimmungsgleichung für die Distanz wird bei dieser Detektionsmodus wie folgt ausgedrückt
Durch Interpolation lässt sich, besonders bei Lage der rückgestrahlten Laserinformation zwischen zwei Makro-Bins, eine höhere Tiefenauflösung erzeugen. Dieser Ansatz ist bei Verwendung der Clusterung etwas weniger performant als bei der Vollerfassung von Histogrammen, da durch die begrenzte Anzahl von Clustern nicht garantiert werden kann, dass Makro-Bins mit niedrigem Füllstand in die Erfassung mit einbezogen werden. Um weiterhin die Einführung von Fehlern durch nicht aufgezeichnete Makro-Bins zu vermeiden, sollte der Ansatz außerdem mit einer Modus-Findung kombiniert werden. Die bestimmte Distanz errechnet sich dann nach
Nun wird ein Einsatz eines neuronalen Netzes als Regressor gemäß spezieller Ausführungsformen beschrieben.Now, a use of a neural network as a regressor according to specific embodiments is described.
Eine neuronale Netzstruktur wird hier z.B. als ein Regressor eingesetzt. Die Eingangsdaten des Netzes könnte F aus der oben beschriebenen Datenintegration sein, oder eine Kombination aus D und Z (ggf. mit Vorverarbeitung, z. B. Normalisierung) aus der oben beschriebenen ersten Stufe der Selbstgruppierung, aus dem oben beschriebenen Clustering mit Makro-Bins oder aus der oben beschriebenen zweiten Stufe der Selbstgruppierung sein.A neural network structure is used here, for example, as a regressor. The input data of the network could be F from the data integration described above, or a combination of D and Z (possibly with preprocessing, e.g. normalization) from the first stage of self-grouping described above, from the clustering with macro bins described above, or from the second stage of self-grouping described above.
Beispielweise können ein oder mehrere der folgenden drei Netzstrukturen verwendet werden:
- 1. Fully-connect feed-forwarded neural network (FNN; deutsch: vollständig verbundenes, vorwärts einspeisendes, neuronales Netzwerk)
- 2. Stacked-FNN: Ein stacked-FNN (deutsch: gestapeltes FNN) bezieht sich auf zwei einzelne FNNs. Das erste FNN übernimmt z.B. die Daten aus der oben beschriebenen Datenintegration als Eingabe, während das zweite FNN die Ausgabe des ersten FNN als Eingabe übernimmt. Der Aufbau und das Training eines stacked-FNN gemäß einer Ausführungsform ist in
10 dargestellt. Der Zweck dieser Struktur besteht darin, aus zwei schwach Lernenden einen stark Lernenden zu machen, indem man sie hintereinanderschaltet. Als Sonderfall könnte das zweite FNN auch ein Duplikat des ersten FNN sein. In diesem Fall werden nur die Parameter des ersten FNN auf einem eingebetteten System gespeichert. - 3. Recurrent neural network (RNN, deutsch: rekursives neuronales Netzwerk): Hier kann ein Simple-RNN oder ein LSTM (long short term memory; deutsch: Lang-Kurzzeit-Speicher) verwendet werden.
- 1. Fully-connect feed-forwarded neural network (FNN)
- 2. Stacked FNN: A stacked FNN refers to two individual FNNs. The first FNN takes the data from the data integration described above as input, while the second FNN takes the output of the first FNN as input. The construction and training of a stacked FNN according to one embodiment is described in
10 The purpose of this structure is to make one strong learner out of two weak learners by connecting them in series. As a special case, the second FNN could also be a duplicate of the first FNN. In this case, only the parameters of the first FNN are stored on an embedded system. - 3. Recurrent neural network (RNN): A simple RNN or an LSTM (long short term memory) can be used here.
Die Ausgabepräzision eines Regressors hängt von der Anzahl der Ziffern ab, ist aber unabhängig von der Sensorauflösung. Das bedeutet, dass ein Regressor das Potenzial hat, eine höhere Präzision zu erreichen als die Auflösung des Sensors. Ein Regressor ist daher für kurze Reichweite, geringes Rauschen und hohe Präzisionsanforderungen geeignet.The output precision of a regressor depends on the number of digits but is independent of the sensor resolution. This means that a regressor has the potential to achieve higher precision than the resolution of the sensor. A regressor is therefore suitable for short range, low noise and high precision requirements.
Nachfolgend wird ein neuronales Netz als Klassifikator gemäß spezieller Ausführungsformen beschrieben.In the following, a neural network as a classifier according to specific embodiments is described.
Diese Methode ähnelt denen, die in [4] erwähnt wurden. Allerdings basiert der in [4] erwähnte Ansatz noch auf Histogrammen. Daher sollte der Einsatz des maschinellen Lernens leicht modifiziert und angepasst werden.This method is similar to those mentioned in [4]. However, the approach mentioned in [4] is still based on histograms. Therefore, the use of machine learning should be slightly modified and adapted.
Ein FNN wird als Klassifikator konstruiert und verwendet die Ausgabe aus der oben beschriebenen Datenintegration als Eingabe. Entsprechend werden K Ausgangsneuronen (Klassen) konstruiert. Schließlich wird das Ergebnis mit
Ein Klassifikator berücksichtigt mehrere mögliche Distanzwerte und weist jeder Distanz eine entsprechende Güte zu. Die Ausgabeauflösung entspricht dabei der Sensorauflösung. Daher ist diese Vorgehensweise geeignet für große Reichweiten, hohes Rauschen, geringere Präzisionsanforderungen und den Fall von Mehrfachreflexionen.A classifier takes several possible distance values into account and assigns a corresponding quality to each distance. The output resolution corresponds to the sensor resolution. This approach is therefore suitable for long ranges, high noise, lower precision requirements and the case of multiple reflections.
In anderen Ausführungsformen können andere Algorithmen des maschinellen Lernens, binäres-FNN, SVM, Bayes Klassifikatoren, Decision Tree (deutsch: Entscheidungsbäume) oder Random Forest (deutsch: Zufalllswald) zur Distanzschätzung eingesetzt werden.In other embodiments, other machine learning algorithms, binary FNN, SVM, Bayes classifiers, decision tree or random forest can be used for distance estimation.
Ausführungsformen können beispielsweise für ein Entfernungsmesssystem auf der Grundlage des Time-of-Flight Prinzips (z.B. LiDAR-Systeme), oder für LiDAR-Anwendungen, z. B. im Automobilbereich, die eine Verarbeitung der Daten in Echtzeit auf eingebetteten Systemen erfordern, oder für Anwendungen im Industriebereich, z.B. eigenständige Überwachungssysteme für die Objekterkennung und -verfolgung, eingesetzt werden.Embodiments can be used, for example, for a distance measuring system based on the time-of-flight principle (e.g. LiDAR systems), or for LiDAR applications, e.g. in the automotive sector, which require real-time processing of the data on embedded systems, or for applications in the industrial sector, e.g. stand-alone monitoring systems for object detection and tracking.
Bestimmte Ausführungsformen zeichnen sich insbesondere durch zwei Vorteile aus.Certain embodiments are characterized by two particular advantages.
Ein erster Vorteil liegt in der Datenreduktion: Die Menge der LiDAR-Daten kann reduziert werden, so dass diese auf eingebetteten Systemen mit begrenzten Ressourcen verarbeitet werden können. Um einen groben Eindruck von verschiedenen Varianten zu vermitteln, werden zwei konkrete Szenarien angenommen, die in Tabelle 1 dargestellt sind. Die entsprechenden Datenmengen, die bei verschiedenen Varianten gespeichert werden müssen, sind in Tabelle 2 aufgeführt. Es zeigt sich, dass Ausführungsformen in Szenario 1 und Szenario 2 eine ähnliche Genauigkeit und Präzision wie bei der klassischen Histogrammisierung und Verarbeitung erreichen. A first advantage is data reduction: The amount of LiDAR data can be reduced so that it can be processed on embedded systems with limited resources. To give a rough impression of different variants, two concrete scenarios are assumed, which are shown in Table 1. The corresponding data volumes that must be stored for different variants are listed in Table 2. It can be seen that embodiments in
Tabelle 1 zeigt eine Parameterkonfiguration für zwei konkrete Szenarien: Tabelle 1
Tabelle 2 zeigt die Menge der zu speichernden Daten bei verschiedenen Varianten: Tabelle 2
Klassische digitale Verarbeitungsmethoden, die auf Histogrammen basieren, sind effektiv, aber rechenintensiv. Die meisten von ihnen können nicht auf einem eingebetteten System implementiert werden. Daher ist die am häufigsten verwendete Methode der globalen Maximum-Erkennung, die zwar recht einfach ist, in Bezug auf Präzision, Genauigkeit und Robustheit komplexeren Verfahren hinter Ausführungsformen zurückbleibt. Ein weiterer Vorteil mancher Ausführungsformen kann somit darin gesehen werden, dass die bereitgestellten Algorithmen relativ einfach und effizient sind. Daher besteht es die Möglichkeit, dass Ausführungsformen auf einem eingebetteten System implementiert werden können.Classical digital processing methods based on histograms are effective but computationally intensive. Most of them cannot be implemented on an embedded system. Therefore, the most commonly used method is global maximum detection, which, although quite simple lags behind more complex methods in terms of precision, accuracy and robustness. A further advantage of some embodiments can thus be seen in the fact that the algorithms provided are relatively simple and efficient. Therefore, there is the possibility that embodiments can be implemented on an embedded system.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder einer elektronischen Schaltung durchgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.Although some aspects have been described in the context of a device, it is to be understood that these aspects also represent a description of the corresponding method, so that a block or component of a device can also be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step. Analogously, aspects described in the context of or as a method step also represent a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device. Some or all of the method steps can be performed by a hardware apparatus (or using a hardware apparatus), such as a microprocessor, a programmable computer, or an electronic circuit. In some embodiments, some or more of the key method steps can be performed by such an apparatus.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software oder zumindest teilweise in Hardware oder zumindest teilweise in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer BluRay Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.Depending on particular implementation requirements, embodiments of the invention may be implemented in hardware or in software, or at least partially in hardware or at least partially in software. The implementation may be carried out using a digital storage medium, for example a floppy disk, a DVD, a BluRay disc, a CD, a ROM, a PROM, an EPROM, an EEPROM or a FLASH memory, a hard disk or another magnetic or optical memory on which electronically readable control signals are stored that can interact or interact with a programmable computer system in such a way that the respective method is carried out. Therefore, the digital storage medium may be computer readable.
Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.Some embodiments according to the invention thus comprise a data carrier having electronically readable control signals capable of interacting with a programmable computer system such that one of the methods described herein is carried out.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.In general, embodiments of the present invention may be implemented as a computer program product having a program code, wherein the program code is operable to perform one of the methods when the computer program product is run on a computer.
Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.The program code can, for example, also be stored on a machine-readable medium.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist. Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.Other embodiments include the computer program for carrying out one of the methods described herein, wherein the computer program is stored on a machine-readable medium. In other words, an embodiment of the method according to the invention is thus a computer program that has a program code for carrying out one of the methods described herein when the computer program runs on a computer.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist. Der Datenträger oder das digitale Speichermedium oder das computerlesbare Medium sind typischerweise greifbar und/oder nicht flüchtig.A further embodiment of the methods according to the invention is thus a data carrier (or a digital storage medium or a computer-readable medium) on which the computer program for carrying out one of the methods described herein is recorded. The data carrier or the digital storage medium or the computer-readable medium is typically tangible and/or non-transitory.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.A further embodiment of the method according to the invention is thus a data stream or a sequence of signals which represents or represents the computer program for carrying out one of the methods described herein. The data stream or the sequence of signals can, for example, be configured to be transferred via a data communication connection, for example via the Internet.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.A further embodiment comprises a processing device, for example a computer or a programmable logic device, which is configured or adapted to carry out one of the methods described herein.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.A further embodiment comprises a computer on which the computer program for carrying out one of the methods described herein is installed.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.A further embodiment according to the invention comprises a device or a system which is designed to transmit a computer program for carrying out at least one of the methods described herein to a recipient. The transmission can be carried out electronically or optically, for example. The recipient can be, for example, a computer, a mobile device, a storage device or a similar device. The device or system can, for example, comprise a file server for transmitting the computer program to the recipient.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.In some embodiments, a programmable logic device (e.g., a field programmable gate array, an FPGA) may be used to perform some or all of the functionality of the methods described herein. In some embodiments, a field programmable gate array may interact with a microprocessor to perform any of the methods described herein. In general, in some embodiments, the methods are performed by any hardware device. This may be general-purpose hardware such as a computer processor (CPU) or hardware specific to the method such as an ASIC.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.The embodiments described above are merely illustrative of the principles of the present invention. It is understood that modifications and variations of the arrangements and details described herein will be apparent to others skilled in the art. Therefore, it is intended that the invention be limited only by the scope of the following claims and not by the specific details presented in the description and explanation of the embodiments herein.
Literatur:Literature:
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C. Zhang, S. Lindner, I. M. Antolovic, J. Mata Pavia, M. Wolf, and E. Charbon, „A 30-frames/s, 252×144 SPAD Flash LiDAR With 1728 Dual-Clock 48.8-ps TDCs, and Pixel-Wise Integrated Histogramming“, IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 54, no. 4, pp. 1137-1151, 2019, doi: 10.1109/JSSC.2018.2883720 C. Zhang, S. Lindner, IM Antolovic, J. Mata Pavia, M. Wolf, and E. Charbon, “A 30-frames/s, 252×144 SPAD Flash LiDAR With 1728 Dual-Clock 48.8-ps TDCs, and Pixel-Wise Integrated Histogramming,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 54, no. 4, pp. 1137-1151, 2019, doi: 10.1109/JSSC.2018.2883720 -
[2]
Anup K. Sharma, Arnaud Laflaquière, Gennadiy A. Agranov, Gershon Rosenblum, and Shingo Mandai, „SPAD array with gated histogram construction US 2017/0052065 Anup K. Sharma, Arnaud Laflaquière, Gennadiy A. Agranov, Gershon Rosenblum, and Shingo Mandai, “SPAD array with gated histogram construction US 2017/0052065 -
[3]
F. Gutierrez-Barragan, A. Ingle, T. Seets, M. Gupta, and A. Velten, „Compressive Single-Photon 3D Cameras“, 2022 F. Gutierrez-Barragan, A. Ingle, T. Seets, M. Gupta, and A. Velten, “Compressive Single-Photon 3D Cameras,” 2022 -
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Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Messinformation und LiDAR-Gerät DE 10 2020 203 796 A1 Method and device for determining measurement information and LiDAR device DE 10 2020 203 796 A1
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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DE 10 2020 203 796 A1 [0018, 0152]
DE 10 2020 203 796 A1 [0018, 0152] - US 2017/0052065 [0152]US 2017/0052065 [0152]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- C. Zhang, S. Lindner, I. M. Antolovic, J. Mata Pavia, M. Wolf, and E. Charbon, „A 30-frames/s, 252×144 SPAD Flash LiDAR With 1728 Dual-Clock 48.8-ps TDCs, and Pixel-Wise Integrated Histogramming“, IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 54, no. 4, pp. 1137-1151, 2019, doi: 10.1109/JSSC.2018.2883720 [0152]C. Zhang, S. Lindner, I. M. Antolovic, J. Mata Pavia, M. Wolf, and E. Charbon, “A 30-frames/s, 252×144 SPAD Flash LiDAR With 1728 Dual-Clock 48.8-ps TDCs, and Pixel-Wise Integrated Histogramming,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 54, no. 4, pp. 1137-1151, 2019, doi: 10.1109/JSSC.2018.2883720 [0152]
- Anup K. Sharma, Arnaud Laflaquière, Gennadiy A. Agranov, Gershon Rosenblum, and Shingo Mandai, „SPAD array with gated histogram construction [0152]Anup K. Sharma, Arnaud Laflaquière, Gennadiy A. Agranov, Gershon Rosenblum, and Shingo Mandai, “SPAD array with gated histogram construction [0152]
- F. Gutierrez-Barragan, A. Ingle, T. Seets, M. Gupta, and A. Velten, „Compressive Single-Photon 3D Cameras“, 2022 [0152]F. Gutierrez-Barragan, A. Ingle, T. Seets, M. Gupta, and A. Velten, “Compressive Single-Photon 3D Cameras,” 2022 [0152]
- Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Messinformation und LiDAR-Gerät [0152]Method and device for determining measurement information and LiDAR device [0152]
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