FR3043824A3 - Procede et dispositif d'etalonnage de parametres extrinseques d'une camera pour habitacle de vehicule automobile - Google Patents
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Abstract
Ce procédé d'étalonnage de paramètres extrinsèques d'une caméra placée dans l'habitacle d'un véhicule automobile comporte les étapes suivantes : - détermination du déplacement relatif de la caméra par rapport à l'habitacle du véhicule ; - détermination de variables représentatives du positionnement de la caméra dans un repère lié au véhicule ; - détermination de paramètres extrinsèques d'étalonnage permettant un changement de repère, d'un repère orthonormé lié au véhicule à un repère orthonormé lié à la caméra ; et - mémorisation des variables représentatives du positionnement de la caméra et des paramètres extrinsèques d'étalonnage.
Description
Procédé et dispositif d’étalonnage de paramètres extrinsèques d’une caméra pour habitacle de véhicule automobile
La présente invention concerne un système d’aide à la conduite pour véhicule automobile et, en particulier, les systèmes d’aide à la conduite fondés sur l’utilisation d’une caméra placée à l’intérieur de l’habitacle du véhicule. Une telle caméra peut être utilisée, par exemple, pour la détection de l’hypovigilance du conducteur
Comme on le conçoit, pour ce type d’application, la caméra est braquée vers le conducteur pour détecter des signes d’hypovigilance.
Pour pouvoir réaliser des mesures fiables, la caméra doit être parfaitement positionnée.
En effet, pour pouvoir délivrer des informations précises, il est nécessaire de connaître en permanence la position de la caméra par rapport à un repère lié au véhicule.
Ce problème se pose de façon accrue lorsque, comme visible sur la figure 1, la caméra C est positionnée sur une coquille supérieure 1 liée à un volant V du véhicule. Dans ce cas, elle n’est pas immobile par rapport au repère lié au véhicule en raison des réglages possibles de la position du volant, tels qu’illustrés par la flèche F.
En référence à la figure 2, dans un véhicule automobile, plusieurs repères orthonormés peuvent être considérés : - un repère terrestre orthonormé
- un repère orthonormé lié au véhicule
, qui peut être appelé « repère Véhicule » ; - un repère orthonormé lié à la caméra
désigné par le terme « repère Caméra » et dans lequel Oc désigne le centre optique de la caméra ; et - un repère orthonormé lié à l’image prise par la caméra
appelé également « repère Image ».
Pour pouvoir connaître la position d’un point P par rapport au repère lié au véhicule par la caméra, on détermine la relation entre les coordonnées spatiales (Pxv, Pyv, Pzv) dans le repère véhicule d’un point P de l’espace et les coordonnées (P’ui, P’vi) dans le repère image de son image P’ prise par la caméra.
Pour la mise en œuvre du calibrage de la caméra, on utilise un dispositif d’étalonnage. Le document WO 2009/142921 décrit à cet égard un procédé d’auto-étalonnage d’une caméra pour véhicule automobile, au cours de la conduite. Le déplacement de la caméra est mesuré à partir de l’analyse de points d’intérêt dans des images successives. A partir des points d’intérêt, une modélisation du sol est réalisée, et les mouvements de translation et de rotation de la caméra par rapport au sol sont déterminés.
Cette méthode nécessite par conséquent de capturer deux images avec au moins deux points d’intérêt situés au niveau du sol. Si ce procédé convient pour des caméras destinées à filmer vers l’extérieur du véhicule et cadrées vers une partie du sol, il est inadapté pour une caméra située dans l’habitacle dans la mesure où le sol n’est pas directement visible dans le cadre de la caméra.
Par ailleurs, l’étalonnage d’une caméra peut s’effectuer en deux étapes.
La première étape est appelée étalonnage intrinsèque. Elle permet de relier les coordonnées (Pxc, Pyc, Pzc) du point P dans le repère lié à la caméra, à la position (P’ui, P’vi) de son image P’ dans le repère image. Le résultat est une combinaison d’une projection perspective, permettant de projeter un objet en trois dimensions sur un plan en deux dimensions, et d’une transformation affine, permettant de caractériser le changement d’échelle et la translation entre les deux repères. L’étalonnage intrinsèque dépend uniquement de la composition interne de la caméra : type de capteur, caractéristiques de l’objectif, etc ... On considère que la composition interne de la caméra est figée. En effet, la longueur focale est fixe, le capteur, l’objectif et le positionnement de l’un par rapport à l’autre ne change pas. L’étalonnage intrinsèque n’est donc réalisé qu’une seule fois lors de l’assemblage de la caméra.
La deuxième étape de l’étalonnage de la caméra est appelée étalonnage extrinsèque. Cette étape permet de déterminer la relation entre les coordonnées (Pxv, Pyv, Pzv) du point P dans le repère lié au véhicule et les coordonnées (Pxc, Pyc, Pzc) du même point dans le repère lié à la caméra. Le résultat est une combinaison entre une translation et une rotation entre les deux repères. L’étalonnage extrinsèque dépend donc de la position et de l’orientation de la caméra par rapport aux repères liés au véhicule. Cet étalonnage doit donc être effectué à chaque changement de position relative, lorsque la position de la caméra est modifiée par rapport au repère lié au véhicule.
Dans l’état de la technique, la technique la plus couramment utilisée pour réaliser l’étalonnage extrinsèque d’une caméra consiste à utiliser une mire placée à une position connue dans le repère lié au véhicule. L’image de cette mire par la caméra permet de calculer la position relative de la caméra par rapport à la mire et, par conséquent, de calculer la relation liant le repère lié au véhicule et le repère lié à la caméra.
Comme on le conçoit, cette méthode est contraignante à mettre en œuvre pour le conducteur, qui doit suivre une procédure d’étalonnage à chaque fois que la position relative de la caméra est susceptible d’être modifiée. Lorsque la caméra est montée sur une coquille liée au volant, l’étalonnage extrinsèque doit être effectué chaque fois que la position du volant est modifiée. En outre, si le réglage du volant est effectué lors de la conduite, par exemple suite à une mauvaise manipulation, la caméra n’est plus calibrée et les mesures qu’elle fournit sont faussées.
Ainsi, les solutions disponibles dans l’état de la technique pour réaliser l’étalonnage extrinsèque sont trop contraignantes et engendrent des risques trop élevés de dégradation des prestations d’aide à la conduite réalisées à partir des informations fournies par la caméra.
Au vu de ce qui précède, le but de l’invention est de palier les inconvénients liés aux procédés d’étalonnage extrinsèque de l’état de la technique et, en particulier, de proposer un procédé et un dispositif d’étalonnage extrinsèque capable de déterminer en permanence le déplacement de la caméra par rapport à une position de référence. L’invention a donc pour objet, selon un premier aspect, un procédé d’étalonnage de paramètres extrinsèques d’une caméra placée dans l’habitacle d’un véhicule automobile comprenant les étapes suivantes : détermination du déplacement relatif de la caméra par rapport à l’habitacle du véhicule ; détermination de variables représentatives du positionnement de la caméra dans un repère lié au véhicule ; détermination de paramètres extrinsèques d’étalonnage permettant un changement de repère, d’un repère orthonormé lié au véhicule à un repère orthonormé lié à la caméra ; et mémorisation des variables représentatives du positionnement de la caméra et des paramètres extrinsèques d’étalonnage.
Ainsi, en cas de détection d’un déplacement relatif de la caméra dans le repère lié au véhicule, on peut utiliser la position relative de la caméra et les paramètres extrinsèques permettant le changement de repère pour traiter en conséquence les images délivrées par la caméra.
Selon une autre caractéristique de ce procédé, les variables représentatives du positionnement de la caméra sont calculées à partir d’une valeur de position précédente, du déplacement du véhicule et du déplacement de la caméra.
Selon encore une autre caractéristique, les variables représentatives du positionnement de la caméra sont définies à partir des coordonnées du centre optique de la caméra dans le repère lié au véhicule et des coordonnées d’une base orthonormée d’un repère lié à la caméra.
Par exemple, les variables représentatives du positionnement de la caméra comprennent la localisation et l’orientation de la caméra.
Dans un mode de mise en œuvre, les variables représentatives du positionnement de la caméra sont délivrées par une centrale inertielle comprenant un ensemble d’accéléromètres et un ensemble de gyromètres.
Par exemple, les paramètres d’étalonnage extrinsèques comprennent une matrice de rotation et une matrice de translation permettant ledit changement de repère.
Selon encore une autre caractéristique du procédé d’étalonnage de paramètres extrinsèques, on met en œuvre un étalonnage de référence par acquisition de paramètres extrinsèques d’étalonnage et de variables représentatives de la position de la caméra dans une position de référence de la caméra.
Dans un mode de mise en œuvre, le procédé comprend en outre une étape de réinitialisation de l’étalonnage en positionnant la caméra dans la position de référence et en affectant aux variables représentatives du positionnement de la caméra et aux paramètres extrinsèques des valeurs extraites de moyens de mémorisation.
Par exemple, l’étape de réinitialisation est réalisée manuellement à la demande du conducteur.
En variante, cette étape peut être réalisée dès qu’un indicateur de confiance représentatif de la qualité de l’étalonnage est inférieur à une valeur de seuil. L’invention a également pour objet, selon un deuxième aspect, un dispositif d’étalonnage de paramètres extrinsèques d’une caméra placée dans l’habitacle d’un véhicule automobile pour la mise en œuvre d’un procédé tel que défini ci-dessus.
Ce dispositif comporte des moyens pour déterminer un déplacement relatif de la caméra par rapport à l’habitacle du véhicule, un calculateur comprenant un premier étage de calcul de variables représentatives du positionnement de la caméra dans un repère lié au véhicule et un deuxième étage de détermination de paramètres extrinsèques d’étalonnage permettant un changement de repère, d’un repère orthonormé lié au véhicule à un repère orthonormé lié à la caméra et des moyens de mémorisation pour la mémorisation des variables représentatives du positionnement de la caméra et des paramètres extrinsèques d’étalonnage délivrés par le calculateur. D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple nullement limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : les figures 1 et 2, dont il a déjà été fait mention, sont des schémas illustrant respectivement un exemple de montage d’une caméra sur une coquille de volant de véhicule automobile, d’une part, et les différents repères orthonormés qui peuvent être mis en œuvre pour déterminer la position d’un point à l’intérieur d’un habitable de véhicule automobile ; - la figure 3 est un schéma synoptique illustrant l’architecture générale d’un dispositif d’étalonnage de paramètres extrinsèques selon l’invention ; - la figure 4 illustre les principales phases d’un procédé d’étalonnage conforme à l’invention ;
La description qui va suivre concerne l’étalonnage de paramètres extrinsèques d’une caméra placée sur la coquille supérieure d’une colonne de direction d’un véhicule automobile, placée au voisinage du volant du véhicule. Toutefois, on ne sort pas du cadre de l’invention lorsque la caméra est placée à toute autre endroit de l’habitacle du véhicule.
En se référant tout d’abord à la figure 3, le dispositif d’étalonnage des paramètres extrinsèques d’une caméra comporte une centrale inertielle 2 destinée à mesurer les mouvements mvt cam de la caméra dans le repère terrestre et un calculateur 3 qui communique avec la centrale inertielle 2 et avec le réseau 4 de bord du véhicule pour recevoir des informations mvt vehic portant sur les mouvements du véhicule, tels que la vitesse du véhicule et l’angle du volant.
Le dispositif comporte encore une mémoire non volatile 5 dans laquelle sont stockées des variables pos t représentatives de la position de la caméra dans un repère lié au véhicule et des paramètres extrinsèques d’étalonnage étai t délivrés par le calculateur 3.
La centrale inertielle 2 comporte, par exemple, trois accéléromètres et trois gyromètres et est placée dans une position fixe par rapport au repère lié à la caméra, par exemple sur le volant ou directement dans la caméra.
Elle permet de mesurer en temps réel les rotations et les translations réalisées par la caméra dans l’espace. Chaque accéléromètre permet de mesurer une accélération linéaire. La combinaison de trois accéléromètres non coplanaires permet de détecter les accélérations selon trois axes formant le repère lié à la centrale inertielle. Les repères liés à la caméra et liés à la centrale inertielle étant fixes l’un par rapport à l’autre, la combinaison d’une translation et d’une rotation, déterminée à l’aide d’un étalonnage unique lors du montage du dispositif, permet de passer de l’un vers l’autre. Le repère lié à la caméra peut dès lors être écarté, seul le repère lié à la centrale inertielle étant par la suite considéré. Ainsi, la centrale inertielle est destinée à mesurer les rotations et les translations effectuées par la caméra dans le repère terrestre.
Le calculateur 3 comporte un premier étage 6 destiné à calculer les variables post représentatives de la position de la caméra dans le repère lié au véhicule. Cet étage assure la comparaison entre les mouvements de la caméra et les mouvements du véhicule afin de détecter un éventuel mouvement relatif entre la caméra et le véhicule, et délivrer, en sortie, la variable pos t qui traduit le déplacement relatif entre la caméra et le véhicule.
Le calculateur 3 comporte un deuxième étage 7 de détermination des paramètres extrinsèques d’étalonnage. Ce deuxième étage reçoit la variable pos t issue du premier étage 6 ainsi que les variables de position pos_t-l et les paramètres extrinsèques d’étalonnage etal_t-l déterminés à l’instant précédent.
On va maintenant décrire, en référence, à la figure 4, les principales phases du procédé d’étalonnage conforme à l’invention. Ce procédé est réalisé de manière cyclique.
Pour procéder à l’étalonnage, les variables suivantes sont utilisées : post qui représente la localisation et l’orientation actuelle de la caméra dans le repère lié au véhicule. Cette variable contient les coordonnées cartésiennes du centre optique Oc de la caméra ainsi que les coordonnées cartésiennes de la base orthonormée
du repère lié à la caméra exprimées dans le repère du véhicule :
pos_t-l qui représente la localisation et l’orientation précédente de la caméra dans le repère lié au véhicule. Cette variable contient les coordonnées cartésiennes du centre optique Oc de la caméra ainsi aue les coordonnées cartésiennes de la base orthonormée
du repère lié à la caméra exprimées dans le repère du véhicule :
étai t qui représente l’étalonnage extrinsèque actuel. Cette variable contient une matrice de passage 4x4 composée d’une matrice de rotation R.3x3 et d’une matrice de translation t3xi permettant de passer du repère lié au véhicule au repère lié à la caméra
etal_t-l qui représente l’étalonnage extrinsèque précédent. Cette variable contient une matrice de passage 4x4 composée d’une matrice rotation R.3x3 et d’une matrice translation t3xi permettant de passer du repère lié au véhicule au repère lié à la caméra :
pos_ref qui représente la position de référence enregistrée en usine, lors de la fabrication du dispositif. Cette variable est utilisée pour la réinitialisation du système. Elle contient les coordonnées cartésiennes du centre optique Oc de la caméra ainsi que lescoordonnées cartésiennes de la base orthonormée
du repère lié à la caméra exprimées dans le repère lié au véhicule :
etal_ref qui représente l’étalonnage extrinsèque de référence enregistré en usine avec la caméra positionnée dans la position de référence. Cette valeur est utilisée pour la réinitialisation du système. Elle contient une matrice de passage 4x4 composée d’une matrice rotation R.3x3 et d’une matrice translation t3xi permettant de passer du repère lié au véhicule au repère lié à la caméra :
mvt vehic qui correspond aux mouvements du véhicule par rapport aux repères universels. Elle contient la vitesse du véhicule ainsi que l’angle du volant :
- mvt cam : cette variable permet de déterminer les déplacements de la caméra. Elle contient les accélérations et les vitesses angulaires de la caméra selon les trois axes du repère lié à la centrale inertielle.
Comme le montre la figure 4, le procédé débute par une première étape 10 correspondant à une détection d’ouverture du véhicule, suivie d’étapes 12, 13 et 14 correspondant respectivement à une activation de la caméra, une activation de la centrale inertielle et une activation du calculateur 3.
On notera que le processus illustré à la figure 4 représente le diagramme d’activité du dispositif une fois l’étalonnage de référence effectué en usine, les valeurs pos ref et etal ref étant enregistrées dans la mémoire non volatile 5 et copiées dans les variables post et etal_t.
Lors de l’étape 15 suivante, les variables pos t et etal_t sont chargées à partir de la mémoire non volatile. Ces deux variables représentent ainsi la position et l’étalonnage à partir desquels les autres positions et les autres paramètres d’étalonnage seront calculés. Ces variables sont copiées dans les variables pos_t-l et etal_t-l (étape 16).
Lors des étapes 17 et 18, le calculateur récupère les mouvements mvt_cam et mvt_vehic de la caméra et du véhicule et le premier étage 6 du calculateur procède au calcul de la variable pos_t représentative de la position de la caméra dans le repère lié au véhicule (étape 19). En particulier, les déplacements de la caméra et du véhicule sont comparés. S’il est déterminé, lors de l’étape 20 suivante, que la position relative de la caméra n’a pas été modifiée, aucun calcul d’étalonnage n’est réalisé. Dans ce cas, lors de l’étape 21 suivante, on détecte si le véhicule est fermé et éteint. Si tel n’est pas le cas, le procédé retourne à l’étape 16 précédente. Si tel est le cas, les valeurs de position post et les paramètres extrinsèques étai t sont sauvegardés en mémoire (étape 22).
Si un mouvement relatif entre le véhicule et la caméra a été détecté, le calculateur détermine la nouvelle position de la caméra dans le repère lié au véhicule à partir de la valeur des variables pos_t-l, mvtcam et mvtvehic. Cette nouvelle position est copiée dans la variable pos t (étape 23). Au cours de cette étape, le calculateur détermine les nouveaux paramètres extrinsèques d’étalonnage. Il s’agit en particulier de mettre à jour les paramètres des matrices de rotation et de translation permettant de passer du repère lié au véhicule au repère lié à la caméra.
Les nouveaux paramètres extrinsèques d’étalonnage sont ensuite délivrés à la caméra C (étape 24) et les variables pos t et étai t sont sauvegardés dans la mémoire non volatile 5 (étape 25).
Comme indiqué précédemment, cette procédure est répétée de manière cyclique jusqu’à l’extinction et la fermeture du véhicule. Lorsque le véhicule est fermé et éteint, les paramètres pos_t et étai t sont sauvegardés pour qu’au prochain démarrage l’étalonnage correspondant à la position actuelle de la caméra soit chargé.
On notera par ailleurs qu’en cas de dysfonctionnement, le dispositif d’étalonnage extrinsèque peut être réinitialisé. Il s’agit de récupérer les paramètres d’étalonnage extrinsèques réalisés lors de l’assemblage du dispositif et sauvegardés en tant qu’étalonnage de référence. Cet étalonnage est effectué dans une position de la caméra particulière appelée position de référence. Cette position doit pouvoir être trouvée aisément et doit être parfaitement reproductible. Par exemple, si la caméra se trouve sur la coquille de la colonne de direction liée au volant, la position de référence peut correspondre à un angle extrême de rotation du volant, en butée. Les coordonnées de la caméra, exprimées dans le repère lié au véhicule dans cette position de référence, ainsi que les paramètres d’étalonnage extrinsèques, correspondent à un étalonnage de référence et sont sauvegardés dans la mémoire non volatile. La procédure de réinitialisation consiste à replacer la caméra dans la position de référence et à récupérer l’étalonnage de référence à partir de la mémoire non volatile.
Cette réinitialisation peut être faite manuellement, à la demande de l’utilisateur. Toutefois, comme illustré sur la figure 4, cette réinitialisation peut être commandée à partir de la valeur d’un indicateur de confiance Conf qui traduit la qualité de l’étalonnage. Cet indicateur de confiance est fourni par la caméra au calculateur (étape 26). Lors de l’étape 27 suivante, cet indicateur de confiance est comparé à une valeur de seuil.
Comme on le voit, si l’indicateur de confiance Conf devient inférieur à cette valeur de seuil, une alerte est émise par le calculateur pour requérir une réinitialisation.
Dans ce cas, l’utilisateur positionne le volant dans la position de référence (étape 28). On fournit alors à la caméra les valeurs de position de référence pos ref et les paramètres d’étalonnage de référence etal ref (étape 29) et l’on sauvegarde en mémoire les variables de position pos t et pos_t-l.
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Procédé d’étalonnage de paramètres extrinsèques d’une caméra (C) placée dans l’habitacle d’un véhicule automobile, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes : - détermination du déplacement relatif de la caméra par rapport à l’habitacle du véhicule ; - détermination de variables représentatives du positionnement de la caméra dans un repère lié au véhicule ; - détermination de paramètres extrinsèques d’étalonnage permettant un changement de repère, d’un repère orthonormé lié au véhicule à un repère orthonormé lié à la caméra ; et - mémorisation des variables représentatives du positionnement de la caméra et des paramètres extrinsèques d’étalonnage.
- 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les variables représentatives du positionnement de la caméra sont calculées à partir d’une valeur de position précédente, du déplacement du véhicule et du déplacement de la caméra.
- 3. Procédé selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel les variables représentatives du positionnement de la caméra sont définies à partir des coordonnées du centre optique de la caméra dans le repère lié au véhicule et des coordonnées d’une base orthonormée d’un repère lié à la caméra.
- 4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel les variables représentatives du positionnement de la caméra comprennent la localisation et l’orientation de la caméra.
- 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel les variables représentatives du positionnement de la caméra sont délivrées par une centrale inertielle (2) comprenant un ensemble d’accéléromètres et un ensemble de gyromètres.
- 6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les paramètres d’étalonnage extrinsèques comprennent une matrice de rotation et une matrice de translation permettant ledit changement de repère.
- 7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel on met en œuvre un étalonnage de référence par acquisition de paramètres extrinsèques d’étalonnage et de variables représentatives de la position de la caméra, dans une position de référence de la caméra.
- 8. Procédé selon la revendication 7, comprenant en outre une étape de réinitialisation de l’étalonnage en positionnant la caméra dans la position de référence et en affectant aux variables représentatives du positionnement de la caméra et aux paramètres extrinsèques des valeurs extraites de moyens de mémorisation (5).
- 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel l’étape de réinitialisation est réalisée dès qu’un indicateur de confiance (Conf) représentatif de la qualité de l’étalonnage est inférieur à une valeur de seuil.
- 10. Dispositif d’étalonnage de paramètres extrinsèques d’une caméra placée dans l’habitacle d’un véhicule automobile, pour la mise en œuvre d’un procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu’il comprend : des moyens (2) pour déterminer un déplacement relatif delà caméra par rapport à l’habitacle du véhicule ; un calculateur comprenant un premier étage (6) de calcul de variables représentatives du positionnement de la caméra dans un repère lié au véhicule et un deuxième étage (7) de détermination de paramètres extrinsèques d’étalonnage permettant un changement de repère, d’un repère orthonormé lié au véhicule à un repère orthonormé lié à la caméra ; et des moyens (5) de mémorisation pour la mémorisation des variables représentatives du positionnement de la caméra et des paramètres extrinsèques d’étalonnage délivrés par le calculateur.
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