WO1999034235A1

WO1999034235A1 - Verfahren und vorrichtung zur aufnahme eines dreidimensionalen abstandsbildes

Info

Publication number: WO1999034235A1
Application number: PCT/DE1998/003344
Authority: WO
Inventors: Peter Mengel; Günter DOEMENS
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 1997-12-23
Filing date: 1998-11-14
Publication date: 1999-07-08
Also published as: JP2002500367A; KR100508277B1; EP1040366A1; KR20010033549A; EP1040366B1; US6373557B1; JP3860412B2; DE59809883D1

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung dreidimensionaler Abstandsbilder von räumlichen Objekten, wobei eine Kurzzeitbelichtung, beispielsweise durch Laserdioden des Objektes, durchgeführt wird. Als Bildsensor wird ein Sensor mit hoher Lichtempfindlichkeit eingesetzt, der pixelauflösend und wahlfrei auslesbar ist, sowie eine für jedes Pixel einstellbare Integrationszeit aufweist. Durch Auswertung der zurückgestreuten Laserimpulse in zwei Integrationsfenstern mit unterschiedlichen Integrationszeiten und durch Mittelung über mehrere Laserpulse lassen sich dreidimensionale Abstandsbilder mit hoher Zuverlässigkeit in beispielsweise maximal 5 ms aufnehmen.

Description

Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zur Aufnahme eines dreidimensionalen Abstandsbildes

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufnahme eines dreidimensionalen Abstandsbildes von räumlichen Objekten.

Dreidimensional aufnehmende und verarbeitende Sensorsysteme gewinnen für verschiedenste Aufgabenstellungen in der industriellen Technik zunehmend an Bedeutung. Bekannte optische Radarsysteme, wie beispielsweise Laserradar basieren entweder auf dem Prinzip der Laserimpuls-LaufZeitmessung oder auf der Bestimmung der Phasendifferenz von moduliertem Laserlicht zur Ableitung der Objektdistanz. Zum Aufbau eines dreidimensionalen bildgebenden Systemes sind zusätzliche mechanische Scaneinrichtungen erforderlich. Dies führt zu einem relativ teuren elektronischen und mechanischen Aufwand, der den Ein- satz solcher dreidimensionalen Systeme auf wenige Spezialan- wendungen beschränkt.

Es sind Verfahren bekannt, die eine CCD-Kamera (Charged Cou- pled Device) einsetzen, wobei für diese Halbeleiterkameras die Fernseh (TV)- Norm herangezogen wird. Somit lassen sich lediglich relativ lange Auslesezeiten erzielen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Aufnahme eines dreidimensionalen Abstandsbildes, sowie eine Vorrichtung dazu zur Verfügung zu stellen, womit ein schnelles und kostengünstiges Verfahren zur Gewinnung eines dreidimensionalen Abstandsbildes für räumliche Objekte ohne aufwendige mechanische Einrichtungen bereitgestellt wird.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmale des Anspruchs 1, 2 bzw. des Anspruches 23. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß unter Einsatz eines bildpunktauflösenden (pixelauflösenden) und wahlfrei auslesbaren optoelektronischen Sensors, dessen Integrationszeit punktweise einstellbar ist, eine extrem schnelle Bildaufnahme eines dreidimensionalen Abstandsbildes möglich ist. Dazu wird das Objekt mit einem oder mehreren sehr kurzen Lichtimpulsen beleuchtet, woraufhin Lichtimpulse der gleichen Länge vom Objekt zurückgestreut werden. Diese zurückgestreuten Lichtimpulse werden über eine entsprechende Optik auf den optoelektronischen Chip geleitet. Aufgrund der unterschiedlichen Abstände unterschiedlicher Objektpunkte vom Sensor werden mit jeweiligen Orten korrespondierende zurückgestreute Lichtimpulse zu jeweils unterschiedlichen Zeiten am Sensor ankommen. Für eine Abstandsmessung wird ein Zeitmeßfenster geöffnet, dessen Zeitdauer einer vorbestimmbaren Integrationszeit entspricht. Die Integrationszeit ist kleiner oder gleich der Länge der ausgesandten und damit auch der Länge der reflektierten Lichtimpulse. Somit ist sichergestellt, daß am Ende der Integrationszeit ein einheitliches Abschneiden der zurückgestreuten Lichtimpulse am Sensor erfolgt. Die zeitverzögert eintreffenden Lichtimpulse je Bildpunktelement werden hinten abgeschnitten, so daß aufgrund der unterschiedlichen Ladungen im Raster des optoelektronischen Sensors die unterschiedlichen Laufzeiten in Ladungsunterschiede umgesetzt werden können. Daraus läßt sich ein dreidimensionales Abstandsbild errechnen.

Die Erfindung kann auch derart gestaltet sein, daß anstelle eines Lichtimpulses mit definierter Länge lediglich ein Lichtintensitätsanstieg mit steiler Flanke Verwendung findet, der entsprechend am Sensor aufgenommen und ausgewertet wird. Dadurch wird das Meßergebnis unabhängig vom Verlauf der abfallenden Flanke des Lichtimpulses. Zum anderen kann der Einfluß eines Dunkelstromes, der beispielsweise durch die Be- triebswärme eines Sensorelementes erzeugt wird, sowie der Anteil des Umgebungslichtes (Störlicht) exakt für jeden Bildpunkt kompensiert werden. Durch insgesamt drei aufeinander- folgende Messungen werden zunächst der Dunkelstrom und das Umgebungslicht erfaßt, danach werden in Zusammenhang mit einer Belichtung die vom Objekt reflektierten und am Sensor empfangenen Lichtmengen in Form des Sensorsignalses inte- griert, was anschließend mit einer höheren Integrationszeit wiederholt wird. Daraus läßt sich durch entsprechende Interpolation die Laufzeit des Lichtes für jeden Objektpunkt ermitteln. Dies eröffnet die Verwendung von geringeren Lichtleistungen bei gleichzeitig genauer Messung der Laufzeit und damit der Entfernung zum Objekt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden mit einer sehr langen Integrationszeit sämtliche Lichtimpulse gleichzeitig mit der zuerst beschriebenen Messung oder zeit- versetzt danach mit ihrer vollständigen Länge aufgenommen.

Dies wird zur Normierung benutzt, so daß Unterschiede im Reflexionsverhalten des Objektes erkannt und ausgeglichen werden können.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen entnommen werden.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung liegen darin, daß beispielsweise mechanische Shutter entfallen. Es können ex- trem kurze Bildaufnahmezeiten realisiert werden. Der verwendete optoelektronische Sensor wird allgemein als CMOS-Sensor bezeichnet, wobei dies lediglich die technologische Bezeichnung des Halbleiterbauelementes ist. Mit einem derartigen Sensor lassen sich minimale Integrationszeiten von 50 bis 30 nsec realisieren (Jitter bei weniger als 0,1 %) . Die technische Entwicklung schreitet bei den Integrationszeiten noch voran.

Im folgenden werden anhand von schematischen Figuren Ausfüh- rungsbeispiele beschrieben. Figur 1 zeigt das Funktionsprinzip zur Erfassung eines dreidimensionalen Abstandsbildes mit einem CMOS-Sensor,

Figur 2 zeigt die schematische Darstellung einer zeitlichen Verschiebung zweier Lichtimpulse deren zugehörige Objektpunkte einen unterschlichen Abstand zum CMOS-Sensor besitzen, relativ zu Integrationsfenstern,

Figur 3 zeigt zwei Varianten des Sensors zur gleichzeitigen Erfassung von dreidimensionalen Abstandsbildern und Intensi- täts- bzw. Grauwertbildern mit einem CMOS-Sensor,

Figur 4 zeigt die schematische Darstellung der Fahrzeuginnenraumüberwachung mit einem dreidimensionalen CMOS-Sensor.

Figur 5 zeigt die Entfernungsmessung mit integrierendem CMOS- Bildsensor, wobei das Signal der sendeseitigen Laserdiode und die empfangsseitigen Sensorsignale dargestellt sind,

Figur 6 zeigt die Entfernungsmessung mit integrierendem CMOS- Bildsensor, wobei in Figur 6a der sendeseitige Betrieb einer Laserdiode und in Figur 6b die durch fortlaufende Integration am Sensor erzielten Sensorsignale dargestellt sind,

Figur 7 zeigt in zeitlicher Korrelation die Zusammenhänge zwischen sendeseitiger Beleuchtung und empfangsseitiger De- tektion eines Laserimpulses, wobei die in der Figur 7 unten dargestellten Meßsignale in Verbindung mit einer kurzen Integrationszeit und einer sehr langen Integrationszeit darge- stellt werden,

Figur 8 zeigt in zeitlicher Korrelation die sende- und emp- fangsseitige Darstellung eines Laserimpulses, wobei auf die Beleuchtungssteuerung des Sensors bezogen zwei unterschiedli- ehe kurze Integrationszeiten vorgesehen sind. Es wird ein Verfahren zur seriellen oder gleichzeitigen Erfassung bzw. Erzeugung eines Intensitäts- und eines dreidimensionalen Abstandsbildes räumlicher Objekt mit einem optoelektronischen Sensor unter Kurzzeitbelichtung beschrieben. Das Verfahren nutzt die Laufzeitunterschiede der von den dreidimensionalen Objekten zurückgestreuten Lichtimpulse bei der bildpunktsynchronen (pixelsynchronen) Detektion am Sensor innerhalb kurzer Integrationszeiten. Dabei wird ein CMOS- Sensor eingesetzt. Dieser Sensor besitzt eine Lichtempfind- lichkeit von beispielsweise 1 mLux. Weiterhin weist er eine hohe Intensitätsdynamik von bis zu 10⁷ auf, einen wahlfreien Zugriff auf die einzelnen Bildpunkte (Pixel) , sowie eine einstellbare Integrationszeit (Sample & Hold) . Für die Messung der Ladungsmenge Q(t) bei Belichtung am einzelnen Bildpunkt.

Gegenüber Verfahren die eine CCD-Kamera einsetzen, lassen sich besondere Vorteile erzielen, wie beispielsweise die parallele Erfassung von Intensitäts- und dreidimensionalen Bildern, sowie die Realisierung kurzer Bildaufnahmezeiten, die deutlich unter den Auslesezeiten von CCD-Kameras liegen. Weiterhin benötigt der CMOS keine aufwendigen mechanischen Shut- ter und es müssen auch keine leistungsstarken Laserlichtquellen für die Kurzzeitbelichtung eingesetzt werden.

Das Verfahren ist insbesondere für die Erkennung von Personen und Bewegungsabläufen in der Raumüberwachung, beispielsweise Fahrzeuginnen/-außenüberwachung der Automatisierung von Krananlagen sowie der Navigation geeignet.

Die wesentlichen Funktionsmerkmale werden anhand von Figur 1 erläutert. Zunächst wird für die Beleuchtung der zu erfassenden räumlichen Objekte mit kurzen Lichtimpulsen beispielsweise <100 ns gesorgt. Die Beleuchtung kann mit Laserlicht, wie beispielsweise mit einer gepulsten Laserdiode oder mit Lichtquellen, wie beispielsweise einer gepulsten LED-Diode erfolgen. Das Verfahren ist unabhängig vom Winkel der Beleuchtung, die nicht unbedingt zentral zur allgemeinen Detek- tionsrichtung erfolgen muß. So ist beispielsweise auch bei koaxialer Beleuchtung und Detektion der Einsatz eines Ringlichtes denkbar. Die in Figur 1 dargestellte Anordnung dient nur zur schematischen Verdeutlichung des Funktionsprinzips.

Eine erste Bildaufnahme A wird mit einer kurzen Integrationszeit Δ_A am CMOS-Sensor verbunden. Die von den Objektpunkten G der dreidimensionalen Szene zurückgestreuten Lichtimpulse 3 der Länge Δ_L (< 100 nsec) werden an den zugehörigen Bildpunk- ten 9 des CMOS-Sensors innerhalb einer eingestellten kurzen Integrationszeit Δ_A < Δ_L erfaßt. Durch einen elektronischen Triggerimpuls wird dabei ein fester zeitlicher Bezug zwischen ausgesandtem Lichtimpuls 2 und dem Öffnen des Integrationszeitfensters am CMOS-Sensor hergestellt. Aufgrund der Lauf- zeit des Lichtes ergibt sich je nach Objektabstand R eine unterschiedliche zeitliche Verschiebung

τ = 2R / V_c (V_c = Lichtgeschwindigkeit)

zwischen ausgesandtem und am CMOS-Sensor detektierten Lichtimpuls. Die am Bildpunkt innerhalb der Integrationszeit Δ_A gemessene Ladung Q_A wird dadurch vom Abstand R zwischen Sensor und Objektpunkt G abhängig. Siehe hierzu Figur 2.

Io Intensität des ausgesandten Lichtimpulses 0_R Oberflächenreflexionskoeffizient am Objektpunkt G t_D Triggerpunktzeitverzögerung zwischen ausgesandtem Lichtim- puls und Start des Integrationsfensters am CMOS-Sensor

Für Objektpunkte G mit gleichem Oberflächenreflektionskoeffi- zienten 0_R wird abhängig von ihrem Abstand R eine unter- schiedliche Ladung Q_A am zugehörigen Bildpunkt des CMOS- Sensors gemessen. Damit werden kleine Laufzeitunterschiede der Lichtimpulse in Ladungsänderungen Q_A transformiert, so daß eine integrierte Ladung für jeweils einen Objektpunkt G mit seinem jeweiligen Abstand R_{(1 )} stellvertretend ist. Diese können bei einem CMOS-Sensor sehr empfindlich und mit hoher Dynamik detektiert werden. Üblicherweise besitzen die Objekte einer dreidimensionalen Szene eine unterschiedliche Oberflächenreflexion .

Es wird daher zur Normierung des Abstandsbildes noch eine zweite Bildaufnahme Q_B durchgeführt, die nur von der Oberflächereflexion der Objekte der dreidimensionalen Szene abhängig ist.

Die Durchführung einer zweiten Bildaufnahme B mit langer In- tegrationszeit Δ_B dient zur Normierung der Oberflächenreflexion der dreidimensionalen Szene, wobei im Prinzip das herkömmliche Intensitäts- oder Grauwertbild verwendet wird. Hierzu wird am CMOS-Sensor bei einer zweiten Bildaufnahme eine Integrationszeit Δ_B eingestellt, die sehr groß gegenüber der Länge eines Beleuchtungslichtimpulses ist; Δ_B » Δ_L z. B. 1 Mikrosekunde. Jetzt werden alle zurückgestreuten Lichtimpulse 3 unabhängig von ihrer Laufzeit in vollem Umfang am CMOS-Sensor detektiert. Die an einem Bildpunkt gemessene Ladung Q_B gibt sich zu

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Das erhaltene Bild ist nur von der Beleuchtungsintensität I₀, dem Oberflächenreflektions-Koeffizienten 0_R des zugehörigen Objektpunktes, sowie der Lichtimpulslänge Δ_L abhängig.

Die Erzeugung des zweidimensionalen Abstandsbildes Q_R geschieht durch die Berechnung aus der Differenz und Normierung von Bildaufnahme A und B bzw. Q_A und Q_B

Aus Gleichung (1) und (2) folgt mit t_d = 0 die Gleichung

Q_R ∞ - 2R / (V_C * A_L) (4)

Dieser Wert kann nach Auslesen und Digitalisieren sowie zusätzlicher Skalierung für alle Bildpunkte direkt als Abstandsbild Q_R ausgegeben werden. Ist die Triggerverzögerungszeit t_d ungleich 0, so addiert sich zu allen Punkten des Abstandsbildes Q_R ein konstanter Offset

R_D = t_D / (V_c * A_L ) (5)

R_D = Abstandswert bei t_D (Ladungsoffset)

Die gleichzeitige Aufnahme von Intensitäts- und dreidimen- sinalem Bild bezieht sich auf eine Ausführung einer örtlich und zeitlich parallelen Erfassung von Intensitäts-und Abstandswerten. Hierzu wird eine Chiparchitektur und pixelbezogene Integrationszeit derart gewählt, daß direkt benachbarte Pixel A und Pixel B entsprechend der Figur 3 auf dem CMOS- Sensor die zurückgestreuten Lichtimpulse 3 der dreidimensionalen Szene gleichzeitig mit kurzer Integrationszeit Δ_A < Δ_L (für Pixel A) aufnehmen und mit langer Integrationszeit ΔB » Δ_L (für Pixel B) erfassen. Durch eine auf dem Chip integrierte elektronische Schaltung kann dann direkt das zweidi- ensionale Abstandsbild

der zugeordneten Pixel A und B berechnet und ausgegeben wer- den.

Figur 3 zeigt dazu schematisch zwei mögliche Anordnungen auf dem CMOS-Sensor für die parallele Erfassung von Intensitäts und dreidimensionalem Abstandsbild. Weitere Varianten hierzu sind möglich. Die gleichzeitige Erfassung von Intensitätsund dreidimensionalem Abstandsbild ist besonders für die Analyse bewegter dreidimensionaler Szenen von Bedeutung, bei- spielsweise die Erfassung von Personengestik oder die Objektverfolgung. Weitere besondere Kennzeichen der Erfindung sind:

Falls erforderlich kann eine zusätzliche Normierung des dreidimensionalen Abstandsbildes bezüglich Umgebungslicht durchgeführt werden. Hierzu wird zunächst ohne Beleuchtung der dreidimensionalen Szene bzw. des Objekts die Ladung eines Bildpunktes mit kurzer und langer Integrationszeit erfaßt und von den mit Beleuchtung gemessenen Ladungen Q_A und Q_B abgezo- gen. Anschließend erfolgt die Berechnung des Abstandsbildes QR .

Durch zeitliche Mittelung der Signale mehrerer Lichtimpulse kann eine Erhöhung der Empfindlichkeit des Verfahrens gegenüber dem Rauschen bei geringen zurückgestreuten Lichtintensitäten erreicht werden.

Die Meßunsicherheit für die Abstandsbestimmung hängt vom Signal/Rauschverhalten des CMOS-Sensors ab. Erwartet wird das Laufzeitunterschiede zwischen 0,1 ns noch detektiert werden können. Daraus folgt eine Meßunsicherheit von weniger als 3 cm für die Abstandsbestimmung.

Die wesentlichen Verwendungen des beschriebenen Verfahrens und der beschriebenen Vorrichtung betreffen die Überwachung von Innenräumen, insbesondere in Fahrzeugen in Verbindung mit volumetrischen Auswerteverfahren. Die Aufgabe der optischen Innenraummüberwachung bei Fahrzeugen ist die Erkennung der Sitzbelegung, wie beispielsweise Personen, Kindersitz, sonstige Objekte, die Erfassung der Sitzposition von Personen sowie der Diebstahlschutz, d.h. das unzulässige Eindringen in das Fahrzeuginnere von außen. Die Erkennung von Personen und ihrer Sitzposition ist für die stufenweise Auslösung eines Airbaigs (smart Airbaig) von hoher sicherheitsrelevanter Bedeutung und muß im Kollisionsfall sehr zuverlässig und in kurzen Meßzeiten erfolgen. Die Erfindung erfüllt diese Anfor- derungen durch eine schnelle und zuverlässige Erzeugung eines dreidimensionalen Abstandsbildes Q_R im Fahrzeuginneren, . wobei volumentrische Auswerteverfahren eingesetzt werden. Dabei werden aus den Abstandswerten R in einem Raumwinkelelement Ω die von Objekten 1 besetzten Nettovolumenanteile im Fahrzeuginnenraum als Differenz zu den Abstandswerten bei unbesetztem Fahrzeuginneren bestimmmt (siehe hierzu Fig. 4).

Das Verfahren und die Vorrichtung liefern weitere wesentliche Vorteile, wie:

Schnelle, globale Erfassung der aktuellen Sitzbelegung durch Differenzbildung eines dreidimensionalen Abstandsbildes vom Fahrzeuginneren ohne Objekte (dreidimensionales Referenzbild Q_R0) und dem aktuell auszuwertenden dreidimensionalen Abstandsbild mit einer Person oder einem sonstigen Objekt Q_RP auf einem Sitz. Dabei gilt für das Nettovolumen V_P der Sitzbelegung:

F, = J_JR₀(Ω) *</E-- {₂R_/,(Ω) *_ύ?E (7)

wobei R₀ die Abstandswerte ohne Person bzw. sonstigem Objekt und R_P die Abstandswerte mit Person bzw. sonstigem Objekt auf dem Sitz sind und dF eine differenzielle Fläche bezeichnet.

Die adaptive Ermittlung der Sitzbelegung aus der Berechnung der relativen Abstandsänderungen vor und nach dem Einsteigen einer Person ins Fahrzeug kann durchgeführt werden. Durch Anwendung regressiver und stochiastischer Auswerteverfahren kann die Zuverlässigkeit der Differenzbestimmung noch weitergesteigert werden.

- Die Größenbestimmung der erfaßten Objekte und globale Un- terscheidung von Objekten über Volumen- Vergleichsklassen ist möglich.

- Räumliche Zuordnung von besetzten Volumenanteilen ist möglich . - Bestimmung der räumlichen Extrempositionen (x,y,z) des besetzten Volumens im Innenraum für die Steuerung der Airbaig Auslösung kann bestimmt werden. -Volumetrische Verfolgung von Bewegungsabläufen im Raum bei zeitlich aufeinanderfolgenden Bildaufnahmen und Differenzbildung. Erkennuung von Personen und Gestik aus der Bewegungsa- nalyse.

Diese integrale Volumenbetrachtung ermöglicht eine globale Erfassung von Objekten und Positionen im Raum und ist nicht auf die Bestimmung von Merkmalen, wie beispielsweise Kontu- ren, Ecken, Kanten im Bild zur Objekterkennung angewiesen. Die Auswertezeiten können für die dreidimensionale Bildaufnahme und volumetrische Auswertung unter 10 ms liegen.

Als Anwendungsgebiet des beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung kommt insbesondere ein Fahrzeuginnenraum infrage. Dabei wird für die dreidimensionale Bildaufnahme mit LED- Lichtimpulsen von beispielsweise 50 ns (Nanosekunden) ein Objekt belichtet. Die Integrationszeiten am CMOS-Sensor werden für die Bildaufnahme Q_A zu 50 ns und für die Bildaufnahme Q_B zu 0,5 μs, gewählt. Die zu erfassende Szenendynamik im Fahrzeuginneren soll 200 : 1 betragen. Die Abstandswerte R sollen mit einer Meßunsicherheit <15cm (entsprechender Laufzeitunterschied eines Lichtimpulses = 1 ns) in einem Meßbereich bis 1,5 m (Laufzeit 10 ns) erfaßt werden.

Mit diesen Anforderungen wird am CMOS Sensor eine Intensitätsdynamik von (10 x 200 =) 2000 : 1 erforderlich. Die digitale Erfassung des dreidimensionalen Abstandsbildes Q_R wird damit durch einen 12 Bit A/D Wandler gewährleistet. Für eine Sensorortsauflösung von 50 x 50 Bildpunkten werden für die

Bildaufnahmen A mit kurzer Integrationszeit und B mit langer Integrationszeit maximal 10⁴ Ausleseoperationen notwendig, die bei Auslesefrequenzen, von beispielsweise 2 MHz zu einer gesamten Bildaufnahmezeit für das dreidimensionale Abstands- bild von maximal 5 ms führen. Die Berechnung der Differenzvolumina aus den 2500 Abstandswerten ist mit einem schnellen Prozessor, wie beispielsweise einem Pentium mit 200 Mhz in weiteren 5 ms ohne Schwierigkeit ausführbar.

In Figur 4 wird ein Schema für eine Anwendung der Erfindung in Fahrzeuginnenräumen dargestellt. Die Pfeile mit gepunkteten Linien sind stellvertretend für einen nichtbelegten Sitz und die mit durchgezogenen Linien für einen mit einer Person belegten Sitz. Für die globale Objekterkennung und Positionsbestimmung wird der umhüllende Nettovolumenanteil aus den dreidimensionalen Abstandsdaten bei besetztem und bei unbesetztem Fahrzeug bestimmt. Das Nettovolumen V_P einer Person oder eines sonstigen Objektes auf einem Autositz berechnet sich nach Gleichung (7) .

Das bisher beschriebene Verfahren zur Aufnahme eines Abstandsbildes beruht auf einem Differenzverfahren, wobei die Laufzeit T₀ = U_P / U_ges*A_A beträgt, wobei:

T₀ = Lichtlaufzeit, Δ_A = Integrationszeit,

Uges = Meßsignal bei Δ_B minus Dunkelstromanteil bei Δ_B, U_P = Uges minus (Meßsignalanteil bei Δ_A minus Dunkelstromanteil bei Δ_A) .

Die weitere hauptsächliche Lösung der Erfindung, die in Figur 8 dargestellt wird, wertet die aufgenommenen Meßsignale am Sensor mittels eines Interpolationsverfahrens aus. Dabei ergibt sich die Laufzeit des Lichtes von der Lichtquelle über das Objekt bis zum Sensor durch den Schnittpunkt der Kurve des Meßsignales in Figur 8, geschnitten mit der Kurve des Dunkelstromanteiles. Für die Lichtlaufzeit gilt

T₀ = 2R / V_c , woraus sich der Abstandswert R ergibt.

Die bei zahlreichen industriellen Anwendungen der Bildverarbeitung notwendige dreidimensionale Bilddatenerfassung ist insbesondere für die automatische Überwachung von Räumen, beispielsweise Autoinnenraum, notwendig. An die Genauigkeit des Entfernungsbildes/Abstandsbildes werden nicht allzu, hohe Anforderungen gestellt. Entfernungsbilder mit etwa 1000 J CO IV) IV) P¹ P¹ cn σ cn 0 cn 0 cn

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H 1 1 1 1 α Φ 1

das Meßsignal vom Zeitpunkt T₀ entsprechend der Helligkeit des jeweiligen Bildpunktes stärker an. Nach einer bestimmten Integrationszeit , wird dann die Spannung U_l für alle Bildpunkte ausgelesen und abgespeichert. Der gleiche Vorgang wie- derholt sich nun mit der bereits aus der ersten Dunkelstrommessung bekannten Integrationszeit T₂. T beträgt beispielsweise 30 ns und T₂ beträgt beispielsweise 60 ns. An den Stellen, an denen das Meßsignal die Zeiten T bzw. T₂ schneidet, was gleichbedeutend ist mit einem Abschneiden des empfangenen Lichtimpulses, ergibt sich der Punkt U_l bzw. der Punkt U₂ . Es gilt die Beziehung AU = U₂ - U_] . Die Lichtlaufzeit T₀ errechnet sich nach der Formel die in Figur 5 dargestellt ist. Verlängert man eine Gerade durch die Punkte U₂ und U_{] f} so schneidet diese Gerade nach unten hin die Dunkelstrom dar- stellende Gerade zwischen dem Ursprung des Koordinatensystems und der Spannung U_D . Am Schnittpunkt kann die Lichtlaufzeit T₀ abgelesen werden. Sämtliche Werte für U und U₂ bzw. AU werden ebenfalls für alle Bildpunkte ausgelesen und gespeichert. Aus den für jeden Bildpunkt abgespeicherten Spannungen U_D, Ui, U₂ und AU in Verbindung mit den vorgegebenen Integrationszeiten 7j und T₂ läßt sich eindeutig und exakt für jeden Bildpunkt die Laufzeit T_Q berechnen, auch wenn relativ hohe Dunkelstromanteile U_D vorliegen. Dabei gilt:

T₀ = Ui • ΔT - ΔU • Ti / (U_D • ΔT/T₂ - ΔU) .

Dies eröffnet die Verwendung von geringeren Lichtleistungen bei gleichzeitig genauer Messung der Laufzeit und damit der Entfernung zum Objekt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, daß zur Verringerung der aus Kostengründen meist kritischen Laserleistung eine mehrfache Wiederholung des oben beschriebenen Vorgangs in hintereinander geschieht, wobei sich die ergebenden Werte für U_λ , U_D , und AU erst am Ende der Mehrfachbelichtung von

CMOS-Sensoren auslesen lassen und digitalisiert werden. Siehe hierzu die Figuren 6a und 6b. Eine analoge Mittelwertbildung für die Mehrfachbelichtung auf dem CMOS-Sensor vermeidet auch die relativ langen Auslesezeiten bei einer späteren digitalen Mittelung. Eine adaptive Einstellung auf diejeweilige Reflek- tivität des Objektes im Hinblick auf die Optimierung des Si- gnal-/Rauschverhältnisses der Meßwerte wird, dadurch erzielt, daß in wenigen Testbildern die Zahl der Belichtungen solange gesteigert wird, bis sich in einer gewissen Menge von Bildpunkten des Gesamtbildes eine Sättigung der Werte n(Uι+ΔU) einstellt; mit n = Anzahl der Mehrfachbelichtungen.

Durch die beschriebenen Schritte wird ermöglicht, daß eine exakte Berechnung von der Lichtlaufzeit T₀ bei vorliegendem

Dunkelstrom und Umgebungslicht möglich ist, daß das Auslesen des Signales vom CMOS-Sensor erst nach der Mehrfachbelichtung geschieht, woraufhin sich die Digitalisierung anschließt und daß eine adaptive Einstellung der Mehrfachbelichtung entspre chend der Objektreflektivität vorgenommen werden kann. Durch diese Maßnahmen kann eine bisher notwendige Laserleistung um den Faktor 10 bis 20 gesenkt werden bzw. die Genauigkeit er höht werden.

Das in dem Bildsensor verwendete Sensorprinzip ist ein inte grierendes Verfahren, beispielsweise auf der Basis einer n⁺ - p -Photodiode. Diese Photodiode ist Bestandteil eines elektronischen Kurzzeitintegrators, der weiterhin einen Kon densator und mehrere Transistoren aufweist. Die Verschaltung geschieht derart, daß sich beispielsweise die Kapazität des Kondensators in Abhängigkeit von dem auf die Photodiode ein fallenden Licht entlädt. Dies wird über einen sog. Shutter- Transistor gesteuert. Im Anschluß daran wird beispielsweise das in dem Kondensator verbleibende Potential ausgelesen. Um eine synchronisierte Beleuchtung zu gewährleisten wird die Zeitsteuerung des elektronischen Kurzzeitintegrators ein sog. Strobe-Signal zur Ansteuerung einer Lichtquelle erzeugen. Für jedes Bildpunktelement des Sensors 4 wird ein derartiger elektronischer Kurzzeitintegrator (elektronischer Shutter) verwendet. Anstelle der am Ende einer Messung im Kondensator verbleibenden Potential kann auch das bereits abgeführte Potential als Meßwert herangezogen werden.

In Figur 6a sind mehrere hintereinander geschaltete sendesei- tige Laserimpulse dargestellt. In Figur 6b wird beispielhaft die Integrationszeit T_x in Verbindung mit der jeweiligen Spannung U und dem Dunkelstromanteil U_D dargestellt. Gleiches kann für T₂ , U₂ und U_D aufgetragen werden. Es ergibt sich für jede Belichtung bzw. Mehrfachbelichtung ein Wert für die Lichtlaufzeit T₀ .

In der Gegenüberstellung der Figuren 7 und 8 ist zu erkennen, daß das Interpolationsverfahren entsprechend Figur 8 kürzere Beleuchtungszeiten aufweist. Die jeweils in der Mitte darge- stellten Shutter-Zeiten von beispielsweise 30ns und 60 ns in Figur 8 und 60 ns in Verbindung mit einer sehr langen Laserimpulszeit in Figur 7 sollen die Integrationszeiten am Sensor festlegen. In der Figur 7 ist im oberen Teil das zeitliche Verhältnis zwischen der sendeseitigen Beleuchtung und dem empfangsseitigen Eintreffen des Laserimpulses dargestellt. Die in den Figuren 5 bis 8 jeweils dargestellten Ausführungsbeispiele weisen keine Triggerverzögerungszeit auf. Dies bedeutet, daß empfangsseitig mit dem Beginn des Sensorimpulses das Meßfenster geöffnet wird. Dies bedeutet für die Darstellung in Figur 7, daß der Kurzzeit-Shutter (60ns) den empfangenen Laserpuls, jeweils bezogen auf einen Objekt- bzw. Bildelementpunkt, bei der Zeit Δ^ abschneidet. Die Zeitdauer des Lichtimpulses ist sende- wie empfangsseitig A_L . Es wird deutlich, das auf Grund von verschiedenen Lichtlaufzeiten der elektronische Kurzzeitintegrator am Sensor jeweils ein Potential als Meßwert liefern wird, daß in Abhängigkeit von der Laufzeit ab dem Zeitpunkt T₀ bis zum Ende von und Δ^ aufintegriert wird. Die Integrationszeit A_B wird im Falle der Figur 7 zum Ausgleich von Reflektivitätsunterschieden am Objekt 1 verwendet. Dabei wird ein Dunkelstrom und Fremdlichtanteil ermittelt, der entsprechend vom Meßsignal abgezogen werden kann. Die Figur 8 zeigt eine der Figur 7 entsprechende Darstellung, wobei der obere Teil identisch dem der Figur 7 ist. In der Mitte der Figur 8 werden zwei Kurzzeit-Shutterzeiten darge- stellt. Diese werden in ähnlicher Weise wie in Figur 7 zum Abschneiden der am Sensor 4 eintreffenden Laserimpulse verwendet. Somit ergeben sich eine kürzere Integrationszeit T_x und eine längere Integrationszeit T₂ . Das Meßsignal weist in den Figuren 7 und 8 einen Dunkelstrom und Fremdlichtanteil auf. Das Meßsignal ergibt sich somit aus der Addition des Photostromanteils zu dem Dunkelstrom und Fremdlichtanteil. Anders ausgedrückt kann der Photostromanteil ermittelt werden, indem vom Meßsignal der Dunkelstrom und Fremdlichtanteil angezogen wird. Die Lichtlaufzeit 7^ ergibt sich an der Stel- le auf der Zeitachse an der das Meßsignal bei einem eingehenden reflektierten Lichtimpuls von dem normalen Verlauf des Dunkelstrom- und Fremdlichtanteils abweist, weil der Photostromanteil nicht mehr Null ist. Die Auswertung, die die Lichtlaufzeit T₀ ergibt, ist in Zusammenhang mit Figur 5 be- schrieben worden.

Zur deutlichen Reduzierung der Laserleistung ist vorgesehen, daß ein Meßobjekt seriell partiell beleuchtet wird. Beleuchtung und Auswertung geschehen gleichzeitig. Somit wird ein Objekt 1 partiell seriell beleuchtet und jeweils ausgewertet, wobei jeweils einer von mehreren Lichtquellen 10 ein bestimmter Teil des Objektes 1 zugeordnet ist. Darüberhinaus kann die Anstiegszeit der Intensität einer Lichtquelle 10, beispielsweise eines Lasers, deutlich verkürzt werden, wie etwa auf 0,1 ns.

Figur 9 zeigt schematisch eine Anordnung von drei Lichtquellen 10, die ein Objekt 1 jeweils in einem vorbestimmten Bereich 11 beleuchten. Der Sensor 4 empfängt die den partiellen Bereichen 11 auf dem Objekt 1 entsprechenden reflektierten Lichtanteile^" und verarbeitet sie weiter. Diese Ausgestaltung ermöglicht die Begrenzung beispielsweise der Laserleistung einer Beleuchtungseinheit mit einem Laser. Die serielle Beleuchtung und Detektion ist kostengünstig realisierbar und durch bestimmte Normen vorgegebene maximale Laserleistungen werden problemlos unterschritten. Außerdem läßt sich begleitend dazu die Anstiegszeit der Laserintensität deutlich, beispielsweise auf 0,1 nsec, verkürzen.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Aufnahme eines dreidimensionalen Abstandsbildes von räumlichen Objekten unter Einsatz eines bild- punktauflösenden optoelektronischen Sensors (4) mit an jedem Bildpunktelement (9) vorhandenen elektronischen Kurzzeitintegrator, wobei eine Integrationszeit einstellbar ist, bestehend aus folgenden Schritten:

das Objekt (1) wird mit mindestens einem Lichtimpuls (2) vorgegebener Zeitdauer Δ_L beleuchtet, von Objektpunkten (G) zurückgestreute Lichtimpulse (3) werden an zugehörigen Bildpunkten des Sensors (4) innerhalb einer vorgegebenen kurzen Integrationszeit Δ_A, mit Δ_A < Δ, erfaßt, wobei der Zeitpunkt für den Beginn der Integrationszeit Δ_A vor dem Eintreffen des ersten zurückgestreuten Lichtimpulses (3) liegt, der dem nächstliegenden Objektpunkt (G) entspricht, aus den entsprechend ihrer unterschiedlichen Laufzeiten resultierenden unterschiedlichen aufgenommenen Intensitäten der zurückgestreuten Lichtimpulse (3) werden Abstandswerte ermittelt.

2. Verfahren zur Aufnahme eines dreidimensionalen Abstands- bildes von räumlichen Objekten unter Einsatz eines bild- punktauflösenden optoelektronischen Sensors (4) mit an jedem Bildpunktelement (9) vorhandenem elektronischen Kurzzeitintegrator, wobei eine Integrationszeit einstellbar ist, bestehend aus folgenden Schritten:

Aufnahme und Integration des einen Dunkelstrom und Umgebungslicht darstellenden Sensorsignales von dem Beginn der Aufnahme und Integration bis zu einer vorgegebenen Integrationszeit T₂, - Beginn der Belichtung eines Objektes (1) durch eine Beleuchtungseinrichtung (5) zeitgleich mit dem Beginn der Aufnahme und der Integration des Sensorsignales am Sensor (4), wobei innerhalb eines Lichtintensitätsanstieges des am Sensor (4) empfangenen Lichtes bis zu einer Integrationszeit T_x integriert wird und Ti kleiner ist als T₂,

- wiederholte Belichtung des Objektes (1) durch die Beleuch- tungseinrichtung (5) mit zeitgleichem Beginn der Aufnahme und der Integration des Sensorsignales am Sensor (4), wobei innerhalb des Lichtintensitätsanstieges des am Sensor (4) empfangenen Lichtes bis zu der Integrationszeit T₂ integriert wird, - zu den Zeitpunkten Ti und T₂ wird für alle Bildpunkte der jeweils integrierte Wert des Sensorsignales ausgelesen und gespeichert und aus den gespeicherten Werten werden für jeden Bildpunkt die Laufzeit T₀ des Lichtes von der Beleuchtungseinrichtung (5) über das Objekt (1) bis zum Sensor (4), sowie ein entsprechender Abstandswert, berechnet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin die einzelnen Verfahrensschritte zur Gewinnung eines Sensorsignales jeweils mehrfach wiederholt werden, und die daraus resultierenden Signale für jeden einzelnen Bildpunkt integriert werden und sich erst in Anschluß an die Mehrfachbelichtung das Auslesen, Abspeichern und Auswerten der Sensorsignale anschließt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin abgespeicherte Werte digitalisiert werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, worin eine adaptive Einstellung auf die jeweilige Reflektivität eines Objektes (1) dadurch geschieht, daß die Zahl der Mehrfachbelichtungen solange gesteigert wird, bis in einer vorgegebenen Menge von Bildpunkten des Gesamtbildes die integrierten Intensitätswerte bei Ti und bei T₂ in die Nähe einer Sättigung kommen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, worin die Zahl der Mehrfachbelichtungen oder die Intensität der Laserstrahlung solange ge- steigert wird, bis für jeden einzelnen Bildpunkt des Gesamtbildes bei Ti und bei T₂ die einzelnen integrierten Intensitätswerte in die Nähe einer Sättigung kommen.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, worin das integrierte Sensorsignal im wahlfreien Bildpunktzugriff für jeden einzelnen Bildpunkt oder für ein Segment von Bildpunkten ausgelesen wird, wobei ein Segment eine Zeile des optoelektronischen Bildsensors sein kann.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein räumliches Objekt (1) mittels mehrerer partiell das Objekt beleuchtender Lichtquellen (10) beleuchtet wird, diese Lichtquellen (10) seriell aktiviert werden und die Auswertung entsprechend bei der jeweiligen Beleuchtung geschieht.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Integrationszeit bildpunktweise einstellbar ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 9, worin zur gleichzeitigen oder nachfolgenden Normierung der Oberflächenreflexion des Objektes (1) zusätzlich sämtliche zurückgestreuten Lichtimpulse (3) mit einer langen Integrationszeit Δ_B » Δ_L vollständig erfaßt werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 10, worin der Beginn einer Integrationszeit Δ_A;Δ_B mit einer Triggerimpulsverzögerung gegenüber dem Sendeimpuls verbunden ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 11, worin eine Integrationszeit Δ_A weniger als 100 ns beträgt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 12, worin eine Integrationszeit Δ_B ca. Iμs beträgt.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin eine Lichtimpulslänge weniger, als 100 ns beträgt.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin zur gleichzeitigen Aufnahme eines dreidimensionalen Bildes und eines Grauwertbildes auf dem Sensor (4) zeilenweise un- terschiedliche Integrationszeiten Δ_A bzw. Δ_B oder Ti bzw.T₂ eingestellt werden.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin zur gleichzeitigen Aufnahme eines dreidimensionalen und eines Grauwertbildes auf dem Sensor (4) bildpunktweise unterschiedliche Integrationszeiten Δ_A bzw. Δ_B oder Ti bzw.T₂ abwechselnd eingestellt werden.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Objekt (1) mit Lichtimpulsen eines Lasers oder einer gepulsten Leuchtdiode beleuchtet wird.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Sensor (4) wahlfrei auslesbar ist.

19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Sensor (4) ein CMOS Sensor ist.

20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Entfernung vom Sensor (4) zu mindestens einem Punkt als

Referenzabstand bekannt ist.

21. Verfahren nach Anspruch 20, worin beim Einsatz in einem Fahrzeug ein Referenzpunkt am Türrahmen positioniert ist.

22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin eine Erkennung von statischen Objekten und/oder von Bewegungsabläufen vorgenommen wird.

23. Verfahren nach Anspruch 22, worin Objekte überwacht werden, wie Gegenstände oder Personen in Räumen oder in Fahrzeuge.

24. Verfahren nach Anspruch 22, worin Fahrzeuge oder Krananlagen überwacht werden und/oder worin eine allgemeine Positionsbestimmung in einem Navigationssystem vorgenommen wird.

25. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, worin eine Sitzbelegung und/oder eine Sitzposition beispielsweise einer Person in einem Fahrzeug erkannt wird.

26. Vorrichtung zur Aufnahme eines dreidimensionalen Abstand- bildes, bestehend aus:

- einer Beleuchtungseinrichtung (5), die Lichtimpulse (2) über eine Optik (6) auf ein Objekt (1) sendet, einem optoelektronischen Sensor (4) mit einer vorgeschal- teten Optik (7), der die vom Objekt (1) zurückgestreuten

Lichtimpulse (3) detektiert, wobei der Sensor (4) durch eine Vielzahl von Bilpunktelementen (9) bildpunktauflösend aufgebaut und wahlfrei auslesbar ist und eine Integrationszeit bildpunktweise einstellbar ist, - einer Triggereinrichtung (8) zur zeitlichen Abstimmung zwischen Beleuchtungseinrichtung (5) und Sensor (4), einer Recheneinheit zur Berechnung eines dreidimensionalen Bildes aus entsprechenden Ladungen der Bildpunktelemente (9) des Sensors (4 ) .

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, worin an den Bildpunktelementen (9) des Sensors (4) Zeilen- oder spaltenweise abwechselnd eine kurze Integrationszeit Δ_A bzw. Ti und eine lange Integrationszeit Δ_B bzw. T₂ eingestellt ist.

28. Vorrichtung nach Anspruch 26, worin an den Bildpunktelementen (9) des Sensors (4) abwechselnd kurze und lange Integrationszeiten Δ_A bzw. Δ_B oder Ti bzw. T₂ eingestellt sind.

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 28, worin die Recheneinheit auf dem Sensor (4) angeordnet ist.