WO2013107561A1 - Gewinnung von tiefeninformationen mit einer in einem fahrzeug verbauten monokamera - Google Patents

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Jan Egelhaaf
Raphael Cano
Michael Schumann
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    • B60W2540/18—Steering angle

Definitions

  • the present invention relates to a process for the production of
  • the invention relates to a vehicle which is suitable for carrying out this method.
  • Such information is usually obtained with a monocamera and calculates depth information from a movement of the camera.
  • This "structure-from-motion" method is illustrated in FIG. A camera 1 moves in the direction A, so that after a certain time it takes up the same scene from another angle T. Thus, a similar or similar result is obtained, as would be the case with a stereo camera.
  • a three-dimensional model of the environment can finally be generated.
  • a camera takes an image of the environment at time t. Subsequently, image features are extracted from it. At another time t + 1, the camera takes another picture of the environment. Feature points are also extracted on this image. Subsequently, the found features in the image recorded at time t are also tried at time t + 1
  • the "structure-from-motion" method is used to generate a spatial model from the image data and the known tilted path.
  • a camera is called, which is mounted in an exterior mirror of the vehicle and performs a defined movement when folding / unfolding the mirror.
  • the camera may be directly attached to a door of the vehicle and pivoted by opening and closing the door.
  • the teaching of the cited document has some disadvantages:
  • the method is indeed well suited to gain depth information after an extended stoppage of the vehicle, especially after a parking operation in which the driver must enter the vehicle.
  • self-driving eg in an automatic garage parker
  • this method is disadvantageous because either the door must be opened or the mirror must be swiveled.
  • this method is provided according to the invention for the lateral area of the vehicle, not for the front or rear area.
  • depth information is relevant, above all in the area in front of the vehicle.
  • the inventive method according to claims 1 and 7 can be used in a vehicle having a fixed and forward facing camera.
  • the independent claim 10 discloses a vehicle which is set up to gain depth information by means of the method according to the invention.
  • a variant of the method according to the invention can be applied both when the vehicle is stationary and when it is rolling.
  • a fixed camera is placed in various positions. This movement may, for example, a change in the orientation of the body relative to the ground of the
  • the camera records images during or after the movement so that a depth model of the environment can be calculated from it. Due to the movement of the complete vehicle relative to its wheels, the camera is not required to have a fixed location. This has the advantage that an individual, optimal installation location for the camera can be selected for each vehicle type.
  • the variant of the method according to the invention described is carried out by first a translational or preferably rotational movement of the vehicle relative to the wheels in a first
  • Direction is performed. During this movement, the camera captures at least one image of the surroundings. Subsequently, a movement takes place in a further direction, preferably in a direction which is opposite to the first direction. Again, at least one picture is taken by the camera. Thus, there are at least two images surrounding
  • This method has the advantage that the camera is moved in a very simple manner in two positions that have maximum distance from each other. This is advantageous because the quality of the depth information u.a. depends on the distance of the positions that make up the environment
  • the method is carried out when the movement described is a rolling motion.
  • the roll movement is preferred by turning the steering of the vehicle up to a maximum Steering angle generated.
  • the method is carried out when the movement is a pitching movement of the vehicle.
  • the pitching motion is preferably generated by accelerating or decelerating the vehicle. Both movements correspond to natural movements of the vehicle and can therefore be easily performed.
  • the method can be carried out in that said movement is a change in the level of the chassis.
  • this movement is also very easy to carry out.
  • Another alternative for carrying out the method according to the invention is an adjustment of the steering characteristic of the vehicle.
  • a transverse movement is generated, whereby the camera is brought from its original direction and thus records images of the environment from different positions.
  • the distance of the shooting positions of the camera thus generated helps to improve the quality of the calculated depth information.
  • This variant is preferably carried out by the assignment of steering angle to steering wheel angle is changed, or an additional steering torque in the
  • a vehicle according to the invention comprises at least one camera and can perform translational or rotational movements relative to its wheels. It is thus capable of the aforementioned methods
  • FIG. 1 shows a representation of the "structure-from-motion" principle
  • FIG. 2 shows an illustration of the method according to the invention according to the first embodiment
  • FIG. 3 shows a representation of the method according to the invention according to a second embodiment
  • FIG. 4 shows an illustration of the method according to the invention according to a third embodiment
  • Figure 5 is an illustration of the method according to the invention according to a fourth embodiment.
  • FIG. 1 has already been referred to in the introduction.
  • structure-from-motion In order to gain depth information, the environment must be recorded from two different angles. This can be done for example by two cameras whose position is known to each other. However, to save on the hardware cost of a camera, a single camera can be used, but then move to capture the environment from two different angles. For this, the distance traveled by the camera must be known.
  • FIG. 2 illustrates a first embodiment of the method according to the invention.
  • a roll angle is generated, so that the camera 1 is brought by the distance B1 from the center line of the vehicle.
  • the roll angle is generated by turning the steering of the vehicle completely in one direction. This full wrap will be in both
  • FIG. 3 illustrates a second embodiment of the method according to the invention.
  • the inertia causes its Rear raised and lowered the front.
  • the beginning and end of this pitching movement can be precisely determined, for example, with acceleration sensors.
  • By lowering the front of the camera 1 is lowered to the level C1.
  • the camera captures the image 3 of the environment from a position different from the normal position.
  • the deviation C2-C1 serves as the basis for calculating depth information.
  • FIG. 4 illustrates a third embodiment of the method according to the invention.
  • the suspension control of a vehicle 2 is used to lower the camera 1 to a height D1 or to raise to a height D2. This results in different images 3 of the environment, resulting from the different shooting positions of the camera.
  • the difference of the heights D2-D1 can in turn be used as a basis for the calculation of
  • FIG. 1 A fourth embodiment of the method according to the invention is illustrated in FIG.
  • the steering characteristic of the vehicle is changed, so that the vehicle 2 follows at a fixed steering wheel angle F different tracks E1 and E2. Therefore, with a constant steering wheel angle another track can be realized, which leads to a larger transverse deviation of the camera position. Due to this additional shift the camera in
  • the various embodiments may be combined in any suitable manner. So it makes sense, for example, in addition to a transverse offset of the camera by a roll angle and the chassis level to change to increase the total offset of the camera. In this way, the quality of the obtained depth information can be further improved.

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Description

Beschreibung Titel
Gewinnung von Tiefeninformationen mit einer in einem Fahrzeug verbauten Monokamera
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von
Tiefeninformationen durch eine einzelne Kamera, die in einem Fahrzeug verbaut ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, das zur Durchführung dieses Verfahrens geeignet ist.
Bei modernen Kraftfahrzeugen spielen Fahrerassistenzsysteme eine zunehmend wichtige Rolle. Viele dieser Assistenzsysteme benötigen ein dreidimensionales Bild der Umgebung des Kraftfahrzeugs (z.B. Bremsassistent,
Abstandhalteassistent, Hinderniserkennung). Solche Informationen werden zumeist mit einer Monokamera gewonnen und Tiefeninformationen aus einer Bewegung der Kamera berechnet. Dieses "structure-from-motion" genannte Verfahren wird in Figur 1 veranschaulicht. Eine Kamera 1 bewegt sich in die Richtung A, so dass diese nach einer gewissen Zeit die gleiche Szenerie aus einem anderen Blickwinkel T aufnimmt. Somit wird ein gleiches bzw. ähnliches Ergebnis erhalten, wie es mit einer Stereokamera der Fall wäre. Aus den Bewegungsinformationen und den beiden aufgenommenen Bildern lässt sich schließlich ein dreidimensionales Modell der Umgebung generieren. Dazu nimmt eine Kamera zum Zeitpunkt t ein Bild der Umgebung auf. Anschließend werden Bildfeatures daraus extrahiert. Zu einem anderen Zeitpunkt t+1 nimmt die Kamera ein weiteres Bild der Umgebung auf. Auf diesem Bild werden ebenfalls Featurepunkte extrahiert. Anschließend wird versucht die gefunden Features im zum Zeitpunkt t aufgenommenen Bild auch im zum Zeitpunkt t+1
aufgenommenen Bild zu finden. Dann kann mit Hilfe der bekannten
Kamerabewegung von t nach t+1 eine Triangulation durchgeführt werden und so für die Featurepunkte, welche in beiden Bildern vorhanden waren eine SD- Position berechnet werden. Bei entsprechender Anzahl an Featurepunkten wird somit ein dreidimensionales Modell der Umgebung rekonstruiert. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt in dessen Natur: Sollte sich die Kamera nicht bewegen, so können auch keine Tiefeninformationen gewonnen werden. Dies bedeutet, dass die Assistenzsysteme bei stehendem Fahrzeug nicht wirksam arbeiten können. Diesem Nachteil versucht die Druckschrift DE 10 2009 031 809 A1 zu begegnen. Sie offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Umfelddaten bei einem stehenden Kraftfahrzeug. Dazu wird eine Kamera um einen bekannten Weg geschwenkt, um die gleiche Szenerie aus unterschiedlichen Blickwinkeln aufnehmen zu können. Anschließend wird das "structure-from-motion"-Verfahren angewendet, um aus den Bilddaten und dem bekannten geschwenkten Weg ein räumliches Modell zu generieren. Als Beispiel wird eine Kamera genannt, die in einem Außenspiegel des Fahrzeugs montiert ist und bei Ein-/Ausklappen des Spiegels eine definierte Bewegung vollführt. Alternativ kann die Kamera auch direkt an einer Tür des Fahrzeugs befestigt sein und durch das Öffnen und Schließen der Tür geschwenkt werden. Die Lehre der genannten Druckschrift weist jedoch einige Nachteile auf: So ist das Verfahren zwar gut geeignet, um Tiefeninformationen nach einem längeren Stillstand des Fahrzeugs zu gewinnen, insbesondere nach einem Parkvorgang, bei dem der Fahrer das Fahrzeug betreten muss. Bei selbstständigen Fahrten (z.B. bei einem automatischen Garagenparker) ist dieses Verfahren nachteilig, da entweder die Tür geöffnet oder der Spiegel verschwenkt werden muss.
Weiterhin ist dieses Verfahren erfindungsgemäß für den seitlichen Bereich des KFZ vorgesehen, nicht für den vorderen bzw. hinteren Bereich. Jedoch sind gerade bei den eingangs genannten Assistenzsystemen Tiefeninformationen vor allem im Bereich vor dem Fahrzeug relevant.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 7 kann in einem Fahrzeug verwendet werden, das eine fest installierte und nach vorne gerichtete Kamera aufweist. Der nebengeordnete Anspruch 10 offenbart ein Fahrzeug, das eingerichtet ist, mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens Tiefeninformationen zu gewinnen.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann sowohl bei stehendem als auch bei rollendem Fahrzeug angewandt werden. Durch eine Bewegung des Fahrzeugs relativ zu dessen Rädern wird eine fest installierte Kamera in verschiedene Positionen gebracht. Diese Bewegung kann beispielsweise eine Änderung der Ausrichtung der Karosserie relativ zu dem Untergrund des
Fahrzeugs sein. Die Kamera zeichnet während oder nach der Bewegung Bilder auf, so dass daraus ein Tiefenmodell der Umgebung berechnet werden kann. Durch die Bewegung des kompletten Fahrzeugs relativ zu dessen Rädern, ist für die Kamera kein fester Einbauort vorgeschrieben. Dies hat den Vorteil, dass für jeden Fahrzeugtyp ein individueller, optimaler Einbauort für die Kamera ausgewählt werden kann.
In vorteilhafter Weise wird die beschriebene Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt, indem zunächst eine translatorische oder bevorzugt rotatorische Bewegung des Fahrzeugs relativ zu dessen Rädern in eine erste
Richtung durchgeführt wird. Während dieser Bewegung nimmt die Kamera mindestens ein Bild der Umgebung auf. Anschließend erfolgt eine Bewegung in eine weitere Richtung, bevorzugt in eine Richtung, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist. Auch hier wird wiederum mindestens ein Bild durch die Kamera aufgenommen. Somit stehen mindestens zwei Bilder Umgebung zur
Verfügung, die aus einer jeweils unterschiedlichen Position aufgenommen wurden. Daher kann auf Grundlage dieser Bilder ein Tiefenmodell der Umgebung generiert werden. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass die Kamera auf eine sehr einfache Weise in zwei Positionen bewegt wird, die maximalen Abstand zueinander haben. Dies ist vorteilhaft, da die Güte der Tiefeninformationen u.a. von dem Abstand der Positionen abhängt, aus denen die Umgebung
aufgenommen wird.
Besonders vorteilhaft wird das Verfahren ausgeführt, wenn die beschriebene Bewegung eine Wankbewegung ist. Die Wankbewegung wird bevorzugt durch das Einschlagen der Lenkung des Fahrzeugs bis zu einem maximalen Lenkwinkel erzeugt. Genauso vorteilhaft wird das Verfahren ausgeführt, wenn die Bewegung eine Nickbewegung des Fahrzeugs ist. Die Nickbewegung wird bevorzugt durch Beschleunigen oder Abbremsen des Fahrzeugs erzeugt. Beide Bewegungen entsprechen natürlichen Bewegungen des Fahrzeugs und können daher leicht durchgeführt werden.
Ebenso besonders vorteilhaft kann das Verfahren durchgeführt werden, indem die genannte Bewegung eine Veränderung des Niveaus des Fahrwerks ist. Bei Fahrzeugen mit einer dynamischen Fahrwerksregelung ist auch diese Bewegung sehr einfach durchführbar.
Eine andere Alternative zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt eine Verstellung der Lenkcharakteristik des Fahrzeugs dar. Hierdurch wird eine Querbewegung erzeugt, wodurch die Kamera aus deren ursprünglichen Richtung gebracht wird und somit Bilder der Umgebung aus unterschiedlichen Positionen aufzeichnet. Der so erzeugte Abstand der Aufnahmepositionen der Kamera hilft die Qualität der berechneten Tiefeninformationen zu verbessern.
Diese Variante wird bevorzugt ausgeführt, indem die Zuordnung von Lenkwinkel zu Lenkradwinkel verändert wird, oder ein zusätzliches Lenkmoment in die
Lenkung eingebracht wird. Beide Möglichkeiten können von modernen
Lenksystemen auf einfache Weise ausgeführt werden.
Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug umfasst mindestens eine Kamera und kann translatorische bzw. rotatorische Bewegungen relativ zu dessen Rädern durchführen. Es ist damit in der Lage, die vorgenannten Verfahren
durchzuführen.
Zeichnung
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
Figur 1 eine Darstellung des "structure-from-motion"-Prinzips, Figur 2 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach ersten Ausführungsform,
Figur 3 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach einer zweiten Ausführungsform,
Figur 4 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach einer dritten Ausführungsform,
Figur 5 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach einer vierten Ausführungsform.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Auf Figur 1 wurde bereits in der Einleitung Bezug genommen. Hier wird das Funktionsprinzip der Tiefenberechnung mit "structure-from-motion" dargestellt: Um Tiefeninformationen zu gewinnen, muss die Umgebung aus zwei unterschiedlichen Blickwinkeln aufgenommen werden. Dies kann beispielsweise durch zwei Kameras geschehen, deren Lage zueinander bekannt ist. Um sich jedoch die Hardwarekosten für eine Kamera zu sparen, kann auch eine einzige Kamera verwendet werden, die sich dann jedoch bewegen muss, um die Umgebung aus zwei unterschiedlichen Blickwinkeln aufzunehmen. Dazu muss der zurückgelegte Weg der Kamera bekannt sein.
Figur 2 veranschaulicht eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei einem Fahrzeug 2 wird ein Wankwinkel erzeugt, so dass die Kamera 1 um den Abstand B1 aus der Mittellinie des Fahrzeugs gebracht wird. Der Wankwinkel wird erzeugt, indem die Lenkung des Fahrzeugs vollständig in eine Richtung eingeschlagen wird. Dieser Volleinschlag wird in beide
Lenkrichtungen durchgeführt, so dass die Kamera nach links (B1) und nach rechts (B2) maximal aus ihrer mittigen Lage gebracht wird. Aus diesen beiden Extrempositionen kann die Kamera nun Bilder der Umgebung aufnehmen, aus denen schließlich ein dreidimensionales Modell generiert werden kann.
Figur 3 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Beim Abbremsen des Fahrzeugs 2 bewirkt die Trägheit, dass dessen Heck angehoben und dessen Front abgesenkt wird. Der Beginn und das Ende dieser Nickbewegung kann beispielsweise mit Beschleunigungssensoren präzise bestimmt werden. Durch das Absenken der Front wird auch die Kamera 1 auf die Höhe C1 abgesenkt. Somit nimmt die Kamera das Bild 3 der Umgebung aus einer Position auf, die zu der Normalposition unterschiedlich ist. Wird das
Fahrzeug 2 anschließend wiederum beschleunigt, so bewirkt die Trägheit, dass dessen Heck abgesenkt und dessen Front angehoben wird. Folglich wird auch die Kamera 1 auf die Höhe C2 gehoben und stellt daher das Bild 3 der
Umgebung wiederum aus einer anderen Position dar. Die Abweichung C2-C1 dient als Basis für die Berechnung von Tiefeninformationen.
Figur 4 veranschaulicht eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei wird die Fahrwerksregulierung eines Fahrzeugs 2 verwendet, um die Kamera 1 auf eine Höhe D1 abzusenken oder auf eine Höhe D2 anzuheben. Es ergeben sich unterschiedliche Bilder 3 der Umgebung, die von den unterschiedlichen Aufnahmepositionen der Kamera herrühren. Die Differenz der Höhen D2-D1 kann wiederum als Grundlage für die Berechnung von
Tiefeninformationen dienen. Eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Figur 5 veranschaulicht. Hier wird die Lenkcharakteristik des Fahrzeugs geändert, so dass das Fahrzeug 2 bei einem festen Lenkradwinkel F unterschiedlichen Spuren E1 bzw. E2 folgt. Daher kann bei gleichbleibendem Lenkradwinkel eine andere Spur realisiert werden, die zu einer größeren Querabweichung der Kameraposition führt. Durch diese zusätzliche Verschiebung der Kamera in
Querrichtung kann die Gewinnung von Tiefeninformationen verbessert werden.
Die verschiedenen Ausführungsformen können in beliebiger geeigneter Weise kombiniert werden. So ist es beispielsweise sinnvoll, neben einem Querversatz der Kamera durch einen Wankwinkel auch das Fahrwerksniveau zu ändern, um den gesamten Versatz der Kamera zu erhöhen. Auf diese Weise kann die Güte der gewonnenen Tiefeninformationen weiter verbessert werden.
Neben der voranstehenden schriftlichen Offenbarung wird hiermit zur weiteren Offenbarung der Erfindung ergänzend auf die Darstellung in den Figuren 2 bis 5 Bezug genommen.

Claims

Verfahren zur Gewinnung von Tiefeninformationen mittels einer in einem Fahrzeug (2) verbauten Kamera (1), dadurch gekennzeichnet, dass durch eine translatorische und/oder rotatorische Bewegung des Fahrzeugs (1) relativ zu dessen Rädern die Kamera in verschiedene Positionen gebracht wird,
während und/oder nach der Bewegung Bilder (3) von der Kamera
aufgezeichnet werden, und
aus diesen Bildern Tiefeninformationen berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 , umfassend die folgenden Schritte:
Durchführen einer translatorischen und/oder rotatorischen Bewegung des Fahrzeugs (2) relativ zu dessen Rädern in eine erste Richtung,
Aufnehmen mindestens eines Bildes (3) mit der Kamera (1) während und/oder nach der Bewegung,
Durchführen einer translatorischen und/oder rotatorischen Bewegung des Fahrzeugs (2) relativ zu dessen Rädern in eine zweite Richtung,
Aufnehmen mindestens eines Bildes (3) mit der Kamera (1) während und/oder nach der Bewegung, und
Berechnen der Tiefeninformationen aus den aufgenommenen Bildern.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung eine Wankbewegung und/oder eine Nickbewegung ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
Wankbewegung durch Einschlagen der Lenkung des Fahrzeuges (2) bis zu einem maximalen Lenkwinkel erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
Nickbewegung durch Beschleunigen und/oder Abbremsen des Fahrzeuges (2) erzeugt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung eine Veränderung des Fahwerkniveaus ist.
7. Verfahren zur Gewinnung von Tiefeninformationen mittels einer in einem Fahrzeug (2) verbauten Kamera (1), dadurch gekennzeichnet, dass durch Verstellung einer Lenkcharakteristik des Fahrzeuges eine
Querbewegung erzeugt wird, wodurch die Kamera (2) aus deren Richtung gebracht wird,
während und/oder nach der Bewegung Bilder (3) von der Kamera aufgezeichnet werden, und
aus diesen Bildern Tiefeninformationen berechnet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung von Lenkwinkel zu Lenkradwinkel verändert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass ein Lenkmoment in die Lenkung eingebracht wird.
10. Fahrzeug (2), umfassend eine Kamera (1), wobei das Fahrzeug eingerichtet ist, eine translatorische und/oder rotatorische Bewegung relativ zu dessen Rädern durchzuführen und/oder dessen Lenkcharakteristik zu verändern, um das Verfahren einer der vorstehenden Ansprüche auszuführen.
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DE102013222304A1 (de) 2013-11-04 2015-05-07 Conti Temic Microelectronic Gmbh Verfahren zur Bestimmung von Objektentfernungen mit einer in einem Kraftfahrzeug verbauten Kamera

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