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Die Erfindung betrifft eine Stereokamera mit Erzeugung eines zweidimensionalen Diagnosebildes sowie ein Verfahren zur Aufnahme einer dreidimensionalen Tiefenkarte und eines zweidimensionalen Diagnosebildes nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 beziehungsweise 9.
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Stereokameras können für dreidimensionale Überwachungsverfahren eingesetzt werden. Dazu werden nach dem Prinzip der Stereoskopie Bilder der zu überwachenden Szenerie mit einem Empfangssystem, das im Wesentlichen aus zwei zueinander beabstandeten Kameras besteht, aus leicht unterschiedlichen Perspektiven gewonnen. In den überlappenden Bildbereichen werden gleiche Strukturen identifiziert und aus der Disparität und den optischen Parametern des Kamerasystems mittels Triangulation Entfernungen und somit ein dreidimensionales Entfernungsbild beziehungsweise eine Tiefenkarte berechnet.
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Ein besonders anspruchsvolles Anwendungsfeld für Stereokameras ist die Sicherheitstechnik. Dabei wird eine gefährliche Maschine abgesichert, wie etwa eine Presse oder ein Roboter, wo bei Eingriff eines Körperteils in einen Gefahrenbereich um die Maschine herum eine Absicherung erfolgt. Dies kann je nach Situation die Abschaltung der Maschine oder das Verbringen in eine sichere Position sein. Stereoskopische Kamerasysteme bieten gegenüber herkömmlichen sicherheitstechnischen Sensoren wie Scanner und Lichtgittern den Vorteil, flächendeckend Tiefeninformationen aus einer zweidimensional aufgenommenen Beobachtungsszenerie zu ermitteln. Mit Hilfe der Tiefeninformationen können in sicherheitstechnischen Anwendungen Schutzbereiche variabler und genauer festgelegt und mehr und genauere Klassen von erlaubten Objektbewegungen unterschieden werden. Beispielsweise ist es möglich, Bewegungen des Roboters selbst oder Vorbeibewegungen eines Körperteils an der gefährlichen Maschine in einer unterschiedlichen Tiefenebene als ungefährlich zu erkennen. Das wäre mit einem zweidimensionalen System von einem unzulässigen Eingriff nicht unterscheidbar.
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Für eine zuverlässige Erkennung von gefährlichen Eingriffen ist erforderlich, dicht besetzte Tiefenkarten zu erzeugen, also einen zuverlässigen Abstandswert für jeden Bildbereich und bevorzugt nahezu jeden Bildpunkt verfügbar zu haben. Große strukturlose Flächen oder zueinander ähnliche Strukturmerkmale können eine eindeutige Zuordnung von Bildbereichen beim Auffinden der Korrespondenzen zwischen den Strukturelementen der Bilder verhindern. Die Abschaltung der Gefährdungsquelle unterbleibt dann möglicherweise, weil der Eingriff übersehen oder fehlerhaft als unkritisch eingestuft wird. Der Stereoalgorithmus liefert umso bessere Tiefenkarten, je mehr Strukturen die Szenerie hat.
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Deshalb kann mittels eines strukturierten Beleuchtungsmusters die Leistungsfähigkeit einer Stereokamera substantiell verbessert werden. Eine Beleuchtungseinheit prägt dabei der Szenerie mit zahlreichen Hell-Dunkel-Übergängen des Beleuchtungsmusters die erforderlichen Bildkontraste auf. Mit Hilfe dieser zusätzlichen Strukturmerkmale extrahiert der Stereoalgorithmus zuverlässige und dichte Abstandsdaten aus der Szenerie. Solche Beleuchtungsmuster können auch selbstunähnlich sein, also für die vorliegenden Überwachungen in erster Linie zumindest lokal, besser sogar global keine bezüglich Verschiebungen zueinander symmetrischen Bereiche aufweisen, um Mehrdeutigkeiten bei der Suche nach Korrespondenzen in den beiden Bildern auszuschließen.
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Nachteilig ist, dass durch die strukturierte Beleuchtung die eigentliche Oberflächenstruktur von Objekten in der Szenerie zerstört wird. Dies ermöglicht zwar die zuverlässige Verarbeitung der Bilddaten zu einer dichten Tiefenkarte, aber eine visuelle Orientierung ist wegen der projizierten Muster nahezu unmöglich. Ein solches Bild ist deshalb als Grundlage für die Visualisierung, etwa zu Zwecken der Einrichtung, Wartung, Diagnose oder Dokumentation weitgehend ungeeignet. Es besteht demnach ein Widerspruch zwischen einem gut erkennbaren Abbild für eine Bedienperson und einer optimalen Struktur für den Stereoalgorithmus.
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Die strukturierte Beleuchtung erfolgt vorzugsweise im infraroten Wellenlängenbereich, um das Bedienpersonal nicht zu irritieren. Zugleich verwendet die Stereokamera ein schmalbandiges optisches Filter, das auf die Beleuchtungseinheit abgestimmt ist, so dass nur das Nutzlicht des Beleuchtungsmusters erfasst wird. Damit wird ein deutlich verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis gegenüber dem Umgebungslicht erreicht. Andererseits steht der Stereokamera das Umgebungslicht auch nicht zur Aufnahme eines visuell erfassbaren zusätzlichen Bildes zur Verfügung.
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Es ist bekannt, eine zusätzliche zweidimensionale Kamera ohne optisches Filter zu verwenden, die mit Hilfe des Umgebungslichts unabhängig von der Stereokamera ein visuell erfassbares Bild erzeugt. Das erfordert aber zusätzlichen apparativen Aufwand und Platzbedarf. Zudem entsteht Rechenaufwand, wenn man das visuell erfassbare Bild mit der Tiefenkarte überlagern möchte. Die verschiedenen Bildaufnahmen müssen zeitlich oder im Wellenlängenbereich voneinander getrennt werden, da sie sich gegenseitig beeinflussen.
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Aus der
EP 2 166 305 A1 ist eine Beleuchtungseinheit für eine Stereokamera zur Projektion eines Beleuchtungsmusters bekannt. Dabei wird mit Hilfe einer Optik das Nahfeld hinter einer Phasenplatte auf den Überwachungsbereich abgebildet. Durch Verschieben der Brennebene entsteht wahlweise ein homogenes Beleuchtungsmuster, in dem die Objektstrukturen erkennbar sind, oder ein selbstunähnliches Beleuchtungsmuster zur Unterstützung eines Stereoalgorithmus'. Zu unterschiedlichen Zeiten kann damit je nach gewählter Beleuchtung ein Bild für die Visualisierung oder eine Tiefenkarte aufgenommen werden. Zwar wird auf diese Weise eine zusätzliche Kamera entbehrlich. Dennoch muss jeweils für die Aufnahme eines visuell erfassbaren Bildes in einen anderen Beleuchtungszustand ohne strukturiertes Beleuchtungsmuster gewechselt werden. In den Umstellungszeiten und während der homogenen Beleuchtung stehen keine hinreichend dicht besetzten aktuellen Tiefenkarten zur Verfügung.
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Die
EP 1 269 762 B1 offenbart eine kamerabasierte Schutzvorrichtung zum Absichern eines Gefahrenbereichs. Es werden verschiedene Wege beschrieben, wie die Funktionsfähigkeit des Bildsensors überprüft werden kann. Eine Ausführungsform verschiebt dazu den Bildsensor relativ zu dem Objektbild. Die Beleuchtung, die ohnehin keine strukturierte Beleuchtung zur Unterstützung eines Stereoalgorithmus' ist, bleibt davon unberührt. Mit dreidimensionaler Bilderfassung beschäftigt sich die EP 1 269 762 B1 nicht.
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Aus der
DE 10 2006 001 634 B3 ist ein Verfahren zu Erstellung eines Abstandsbildes aus der Korrespondenz von mit einer Stereokamera aufgenommenen Pixeln bekannt, wobei die Szenerie zweifach unter verschiedenen Beleuchtungen erfasst und ein Helligkeitsverhältnis ausgewertet wird. Derart gewonnene Abstandsbilder können für Zwecke der Visualisierung mit Grauwertbildern oder Farbbildern kombiniert werden. Einige der offenbarten Möglichkeiten zur Variation der Beleuchtungsmuster sind die Bewegung eines Gitters zur Erzeugung eines Moiré-Effekts, das Drehen oder Oszillieren einer Maske oder die Vibration der Befestigung der Beleuchtungselemente.
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In der
EP 2 025 991 A1 werden mit einer Stereokamera je zwei dreidimensionale Einzel-Entfernungsbilder unter unterschiedlichen Aufnahmebedingungen erzeugt und dann zu einem Gesamt-Entfernungsbild kombiniert. Veränderte Aufnahmebedingungen schließen Ein- und Ausschalten der Beleuchtung, deren Helligkeitsvariation, unterschiedliche eingestrahlte Muster, unterschiedliche Farben und einen variierten Basisabstand der Stereokamera ein.
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Die
US 2007/0263903 A1 offenbart ein System zu Berechnung von Abständen nach dem Stereoskopieprinzip, bei dem eine Beleuchtungseinheit mit einem diffraktiven optischen Element eine Textur erzeugt und die Szenerie mit einer oder mehreren Kameras aus unterschiedlichen Positionen aufgenommen wird.
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DE 10 2008 002 725 A1 zeigt ein weiteres Verfahren zur Erzeugung eines Abstandsbildes aus der Korrespondenz von Pixeln, die mit zwei Kameras in Stereoanordnung aufgenommen werden. Eine erste Lichtquelle projiziert homogenes Licht für ein Referenzbild, eine zweite Lichtquelle strukturiertes Licht für ein Strukturbild auf die aufzunehmende Objektoberfläche. Durch Verhältnisbildung von Strukturbild zu Referenzbild soll das Verfahren weitgehend unabhängig von Betrachtungswinkel, Farbe, Helligkeit, Oberflächenrauhigkeit, Oberflächenneigung und Textur der Objektoberfläche werden.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Stereokamera anzugeben, welche zugleich dichte Tiefenkarten erzeugt und ein visuell erfassbares Bild bereitstellt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Stereokamera gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zur Aufnahme einer dreidimensionalen Tiefenkarte und eines zweidimensionalen Diagnosebildes gemäß Anspruch 9 gelöst. Dabei geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, Rohbilder unter strukturierter Beleuchtung mit zwei Bildsensoren zu erfassen und daraus mittels eines Stereoalgorithmus' eine dichte Tiefenkarte zu berechnen. Die Rohbilder sollen zugleich auch verwendet werden können, um ein Diagnosebild genanntes visuell erfassbares Bild zu erzeugen. Dazu kann ein beliebiges der beiden Rohbilder oder eine Kombination aus beiden verwendet werden. Erfindungsgemäß bleibt die Projektion des strukturierten Beleuchtungsmusters während der Aufnahme des Diagnosebildes aktiv, muss also weder ausgeschaltet noch zu einer homogenen Beleuchtung umgeschaltet werden.
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Das Diagnosebild ist demnach letztlich ein gewöhnliches zweidimensionales Farb- oder Grauwertbild des Überwachungsbereichs, welches direkt mit dem menschlichen Auge betrachtet wird. Es wird angezeigt oder wie bei einem Videomitschnitt für eine spätere Auswertung gespeichert. In dem Diagnosebild ist das strukturierte Beleuchtungsmuster nicht zu sehen oder zumindest weit genug unterdrückt, damit die Szenerie des Überwachungsbereichs für das menschliche Auge gut erkennbar bleibt.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass die Rohbilder der Bildsensoren der Stereokamera auch für die zweidimensionale visuelle Darstellung in dem Diagnosebild verwendet werden. Es ist keine zusätzliche Kamera erforderlich. Damit reduziert sich der Platzbedarf im Gehäuse der Stereokamera, die somit besonders kompakt aufgebaut ist. Alle zusätzlichen Funktionen für das Diagnosebild sind in das notwendige Basissystem der Stereokamera integriert. Für die Erzeugung und Verarbeitung von Tiefenkarte und Diagnosebild genügt eine geringere Rechenleistung.
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Die Beleuchtungseinheit weist bevorzugt ein Mustererzeugungselement auf, insbesondere ein Dia, eine Maske, eine Phasenplatte oder ein diffraktives optisches Element. Beispielsweise werden auf dem Dia bestimmte Stellen geschwärzt oder in der Maske lichtundurchlässige Strukturen geschaffen, um die Musterstruktur zu erzielen. Eine Phasenplatte ist im Wesentlichen eine lichtdurchlässige Platte, etwa eine Glasplatte, die transmittiertem Licht durch eine ortsabhängige Dickenverteilung Phasenunterschiede aufprägt, so dass im Überwachungsbereich durch Interferenzen das Beleuchtungsmuster entsteht. Bei einem diffraktiven optischen Element (DOE) bewirkt eine Mikrostruktur die Musterentstehung. So wird jeweils auf einfache Weise ein lichtstarkes Beleuchtungsmuster in den Überwachungsbereich projiziert. Das Beleuchtungsmuster selbst kann regelmäßig sein, wie ein Streifen- oder Punktmuster, ist aber bevorzugt unregelmäßig oder sogar selbstunähnlich, um Mehrdeutigkeiten des Stereoalgorithmus' zu vermeiden.
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Die Stereokamera ist bevorzugt als sichere Stereokamera zur Überwachung einer Gefahrenquelle ausgebildet. Sicher bedeutet in diesem Zusammenhang die Einhaltung einschlägiger Sicherheitsnormen beim Einsatz in der Sicherheitstechnik zum Schutz von Bedienpersonal. Dazu weist die Stereokamera besonders bevorzugt einen sicheren Ausgang auf, über den bei Erkennung eines unzulässigen Eingriffs in einen Schutzbereich innerhalb des Überwachungsbereichs ein Abschaltsignal zur Absicherung der Gefahrenquelle ausgebbar ist. Eine solche Absicherung ist die sicherheitstechnische Kernaufgabe. Anstelle einer sicherheitsgerichteten Abschaltung kann je nach Anwendung und Auslegung der Schutzfelder zunächst nur eine Warnung ausgegeben werden.
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Die Diagnosebild-Erzeugungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, das strukturierte Beleuchtungsmuster in Zeitkonstanten kleiner einer Belichtungszeit der Bildsensoren zu bewegen. Dabei werden die Musterstrukturen während der Aufnahme verschmiert, so dass die eigentlichen Objektstrukturen in der Szenerie erkennbar hervortreten. Die Belichtungszeit muss möglicherweise etwas länger gewählt werden, weil die verschmierten Musterstrukturen zu einem etwas dunkleren Bild führen. Die Bewegung erfolgt durch Bewegung der Beleuchtungseinheit oder ihrer Elemente, speziell des Mustererzeugungselements.
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Die Diagnosebild-Erzeugungseinheit weist bevorzugt einen Lautsprecher, insbesondere einen Ultraschalllautsprecher, oder einen Piezoaktor auf, um die Beleuchtungseinheit zu bewegen. Damit wird die erforderliche schnelle, kurze Verschiebung der Beleuchtungseinheit mit geringem Aufwand erreicht, und nach Aufnahme eines Diagnosebildes kommt das Beleuchtungsmuster auch rasch und kontrolliert wieder zum Stillstand, um wieder Tiefenkarten aufnehmen zu können.
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Die Diagnosebild-Erzeugungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, das strukturierte Beleuchtungsmuster jeweils zwischen zwei Aufnahmen von Rohbildern zur Erzeugung einer Tiefenkarte zu bewegen. Somit gibt es wahlweise Zeitfenster, in denen Tiefenkarten erzeugt werden, und andere Zeitfenster, in denen ein Diagnosebild aufgenommen wird. Das Zeitfenster, in dem das Beleuchtungsmuster bewegt wird, kann beispielsweise als Rechenzeit genutzt werden, in welcher der Stereoalgorithmus die Tiefenkarte aus den zuvor erhaltenen Rohbildern berechnet. Die Lage des strukturierten Bewegungsmusters ist besonders bevorzugt vor und nach einer Bewegung verschieden. Somit werden vor und nach der Bewegung Tiefenkarten auf Basis von unterschiedlichen Rohbildern erzeugt, so dass insgesamt noch weniger Lücken in der Besetzung der Tiefenkarte verbleiben.
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Die Diagnosebild-Erzeugungseinheit weist bevorzugt eine Bildbearbeitungseinheit auf, um das Diagnosebild durch Glätten von Strukturen des strukturierten Beleuchtungsmusters in dem Rohbild zu erzeugen. Dies kann alternativ oder kumulativ zu einer Bewegung des Beleuchtungsmusters erfolgen. Durch digitale Nachbearbeitung, insbesondere Tiefpassfilterung oder eine ähnliche Glättung, wird die sehr feinkörnige Struktur des Beleuchtungsmusters verschmiert, und es entsteht ein visuell erfassbares Bild.
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Die Bildbearbeitungseinheit umfasst bevorzugt einen Tiefpassfilter mit einem Filterkern, dessen Filterfenster so breit ist wie die Strukturgröße des strukturierten Beleuchtungsmusters. Dabei geht es nicht darum, das Filterfenster exakt auf eine bestimmte numerische Strukturgröße abzustimmen, sondern eine von der Größenordnung zu der Musterstruktur passende Wirkbreite des Filters zu wählen. Ziel ist, dass auf die Pixel nach Filterung die Umgebung bis zum jeweils nächsten Hell-Dunkel-Übergang wirkt, aber nicht wesentlich weiter, so dass nicht unnötig auch Objektstrukturen durch die Glättung verschmiert werden. Ein grobes beispielhaftes Maß für die Strukturgröße ist daher die mittlere Länge einer Linie durch das Beleuchtungsmuster, welche zunächst einen Hell-Dunkel-Wechsel und anschließend noch einen Dunkel-Hell-Wechsel überstreicht.
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Die Diagnosebild-Erzeugungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, die Auflösung des Diagnosebildes im Vergleich zu dem Rohbild zu reduzieren, insbesondere auf höchstens die Hälfte der Auflösung. Dies ist besonders im Falle einer Glättung durch digitale Bildbearbeitung vorteilhaft, denn dabei verliert das Diagnosebild an Kontrast. Mit entsprechend geringerer Auflösung wird dieser Kontrastverlust aber kaum mehr wahrgenommen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf ähnliche Weise weitergebildet werden und zeigt dabei ähnliche Vorteile. Derartige vorteilhafte Merkmale sind beispielhaft, aber nicht abschließend in den sich an die unabhängigen Ansprüche anschließenden Unteransprüchen beschrieben.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die einzige Abbildung der Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische räumliche Gesamtdarstellung einer erfindungsgemäßen Stereokamera.
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1 zeigt in einer schematischen dreidimensionalen Darstellung den Aufbau einer erfindungsgemäßen Stereokamera 10, die zur sicherheitstechnischen Überwachung eines Raumbereichs 12 eingesetzt ist. Zwei Kameramodule sind in einem bekannten festen Abstand zueinander montiert und nehmen jeweils Bilder des Raumbereichs 12 auf. In jeder Kamera ist ein Bildsensor 14a, 14b vorgesehen, üblicherweise ein matrixförmiger Aufnahmechip, der ein rechteckiges Pixelbild aufnimmt, beispielsweise ein CCD- oder ein CMOS-Sensor. Den Bildsensoren 14a, 14b ist ein Objektiv mit einer abbildenden Optik zugeordnet, welche als Linsen 16a, 16b dargestellt sind und in der Praxis als jedes bekannte Abbildungsobjektiv realisiert sein können. Der Sichtwinkel dieser Optiken ist in 1 durch gestrichelte Linien dargestellt, die jeweils eine Sichtpyramide 18a, 18b bilden.
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In der Mitte zwischen den beiden Bildsensoren 14a, 14b ist eine Beleuchtungseinheit 20 dargestellt, wobei diese räumliche Anordnung nur als Beispiel zu verstehen ist und die Beleuchtungseinheit ebenso asymmetrisch oder sogar außerhalb der Stereokamera 10 angeordnet sein kann. Die Beleuchtungseinheit 20 umfasst eine Lichtquelle 22, etwa als LED oder Laserlichtquelle ausgebildet, eine strahlformende Optik 24, die einen Homogenisier umfassen kann, und ein Mustererzeugungselement 26. Damit wird in den Raumbereich 12 ein strukturiertes Beleuchtungsmuster 28 projiziert.
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Eine Stereoskopieverrechnungseinheit 30 ist mit den beiden Bildsensoren 14a, 14b verbunden und empfängt so Bilddaten des Raumbereichs 12 in Form von jeweils zwei Rohbildern. Daraus berechnet die Stereoskopieverrechnungseinheit 30 mit Hilfe einer stereoskopischen Disparitätsschätzung eine Tiefenkarte beziehungsweise ein Entfernungsbild mit dreidimensionalen Bilddaten des Raumbereichs 12. Das strukturierte Beleuchtungsmuster 20 sorgt dabei für einen guten Kontrast und eine eindeutig zuordenbare Struktur jedes Bildelements in dem beleuchteten Raumbereich 12.
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Mit zwei Bildsensoren 14a, 14b tritt dabei ein bekanntes Problem auf, dass Strukturen längs der Epipolarlinie nicht für die Disparitätsschätzung herangezogen werden können, weil hier kein Triangulationswinkel auftritt oder, anders ausgedrückt, das System nicht lokal unterscheiden kann, ob die Struktur in den beiden Bildern aufgrund der Perspektive gegeneinander verschoben aufgenommen oder ob lediglich ein ununterscheidbarer anderer Teil derselben, parallel zur Basis des Stereosystems ausgerichteten Struktur verglichen wird. Um dies zu lösen, können in anderen Ausführungsformen ein oder mehrere weitere Kameramodule eingesetzt werden, welche gegenüber der Verbindungsgeraden der ursprünglichen beiden Kameramodule versetzt angeordnet sind.
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Eine Steuerung 32 ist mit der Stereoskopieverrechnungseinheit 30 und der Beleuchtungseinheit 20 verbunden. Sie erhält die Bilddaten der Tiefenkarte von der Stereoskopieverrechnungseinheit 30 und veranlasst die Beleuchtungseinheit 20, das strukturierte Beleuchtungsmuster 28 zu erzeugen und bei Bedarf zu aktivieren, deaktivieren oder in seiner Intensität zu variieren.
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In dem von der Stereokamera 10 überwachten Raumbereich 12 können sich bekannte und unerwartete Objekte befinden. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Roboterarm, eine Maschine, eine Bedienperson und anderes handeln. Der Raumbereich 12 bietet Zugang zu einer Gefahrenquelle, sei es weil es ein Zugangsbereich ist oder weil sich eine gefährliche Maschine in dem Raumbereich 12 selbst befindet. Um diese Gefahrenquelle abzusichern, können ein oder mehrere virtuelle Schutz- und Warnfelder konfiguriert werden. Aufgrund der dreidimensionalen Auswertung ist es möglich, diese Felder ebenfalls dreidimensional zu definieren, so dass eine große Flexibilität entsteht. Die Steuerung 32 wertet die Tiefenkarte auf unzulässige Eingriffe aus. Die Auswertungsregeln können beispielsweise vorschreiben, dass in Schutzfeldern überhaupt kein Objekt vorhanden sein darf. Flexiblere Auswertungsregeln sehen vor, zwischen erlaubten und nicht erlaubten Objekten zu differenzieren, etwa anhand von Bewegungsbahnen, Mustern oder Konturen, Geschwindigkeiten oder allgemeinen Arbeitsabläufen, die sowohl vorab als erlaubt eingelernt als auch anhand von Bewertungen, Heuristiken oder Klassifikationen noch während des Betriebs eingeschätzt werden.
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Erkennt die Steuerung 32 einen unzulässigen Eingriff in ein Schutzfeld, so wird über einen sicheren Ausgang 34 (OSSD, Output Signal Switching Device) die Gefahrenquelle abgesichert, beispielsweise ein Roboterarm oder eine sonstige Maschine gestoppt. Dabei hängt es von der Anwendung ab, ob eine Warnung genügt, beziehungsweise es ist eine zweistufige Absicherung vorgesehen, bei der zunächst gewarnt und erst bei fortgesetztem Objekteingriff oder noch tieferem Eindringen abgeschaltet wird. Statt einer Abschaltung kann die angemessene Reaktion auch das sofortige Verbringen in eine ungefährliche Parkposition sein.
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Um für sicherheitstechnische Anwendungen geeignet zu sein, ist die Stereokamera 10 fehlersicher ausgelegt. Dies bedeutet unter anderem, dass die Stereokamera 10 sich selber in Zyklen unterhalb der geforderten Ansprechzeit testen kann, insbesondere auch Defekte der Beleuchtungseinheit 20 erkennt und somit sicherstellt, dass das Beleuchtungsmuster 28 in einer erwarteten Mindestintensität verfügbar ist, und dass der Sicherheitsausgang 34 sicher, beispielsweise zweikanalig ausgelegt sind. Ebenso ist auch die Stereoskopieverrechnungseinheit 30 und die Steuerung 32 selbstsicher, wertet also zweikanalig aus oder verwendet Algorithmen, die sich selbst prüfen können. Derartige Vorschriften sind für allgemeine berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen in der EN 61496-1 bzw. der IEC 61496 und der IEC 61508 normiert. Eine entsprechende Norm für Sicherheitskameras befindet sich in der Vorbereitung.
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Die Stereokamera 10 wird von einem Gehäuse 36 umgeben und geschützt. Durch eine Frontscheibe 38 kann Licht in und aus dem Raumbereich 12 hindurchtreten. Die Frontscheibe 38 hat Filtereigenschaften, welche auf die Sendefrequenz der Beleuchtungseinheit 20 abgestimmt ist. Selbst mit lichtstarken Beleuchtungseinheiten 20 kann nämlich bei ungünstigen Bedingungen, wie sehr hellen Umgebungen, großen Überwachungsvolumina oder großen Abständen von 5 Metern und mehr, das Nutzsignal im Rauschen des Gesamtspektrums nicht hinreichend detektiert werden. Mit einer Beleuchtungseinheit 20, die nur Licht in einem oder mehreren schmalen sichtbaren, ultravioletten oder infraroten Bändern aussendet, und einem darauf abgestimmten Filter 38 kann das Signa/Rauschverhältnis ganz erheblich verbessert werden, weil Umgebungslicht außerhalb dieser Bänder keine Rolle mehr spielt. Der optische Filter 38 kann auch anders realisiert sein, etwa in den Objektiven der Kameramodule.
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Die in der Stereoskopieverrechnungseinheit 30 erzeugte Tiefenkarte eignet sich für die automatische Auswertung von Schutzfeldern auf unzulässige Eingriffe. Erfindungsgemäß ist aber zusätzlich vorgesehen, ein zweidimensionales Diagnosebild auszugeben, in dem die natürlichen Objektkonturen der Szenerie in dem Raumbereich 12 zu Prüf- oder Konfigurationszwecken auch für das menschliche Auge erkennbar sind. Objekte sind nämlich ohne Auswertung der Tiefeninformationen in den Rohbildern wegen des feinkörnigen Beleuchtungsmusters 28 kaum sichtbar.
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Um ein solches Diagnosebild zur Verfügung zu stellen, ist eine Diagnosebild-Erzeugungseinheit 40 mit einem der Bildsensoren 14a, der Beleuchtungseinheit 20 und der Steuerung 32 verbunden. Alternativ besteht eine Verbindung zu dem anderen Bildsensor 14b oder zu beiden Bildsensoren 14a–b. Die Diagnosebild-Erzeugungseinheit 40 erhält von dem Bildsensor 14a die Bilddaten des Rohbildes. Das Rohbild wird durch zwei Maßnahmen so aufbereitet, dass die Objektkonturen trotz des Beleuchtungsmusters 28 für das menschliche Auge erkennbar sind, wobei diese Maßnahmen hier aufeinanderfolgend beschrieben werden, in anderen Ausführungsformen aber auch nur einzeln eingesetzt werden können.
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Als erste Maßnahme umfasst die Diagnosebild-Erzeugungseinheit 40 einen Aktor 42, beispielsweise einen Piezo-Aktor, mit dem die Beleuchtungseinheit 20 oder auch nur deren Mustererzeugungselement 26 bewegt werden kann. Damit wird auf Anforderung der Diagnosebild-Erzeugungseinheit oder der Steuerung 32 das Beleuchtungsmuster 28 in Bewegung versetzt beziehungsweise verschoben. Diese Bewegung ist schnell gegenüber der Belichtungszeit der Bildsensoren 14a–b, so dass sich in dem Rohbild das Beleuchtungsmuster 28 verschmiert und als solches nicht mehr erkennbar ist. Stattdessen entsteht effektiv ein grauer Hintergrund. In dem Rohbild bewirkt die Bewegung somit eine geringere Aussteuerung der Bilddynamik, die über eine etwas längere Belichtungszeit ausgeglichen werden kann.
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Für den Verschmierungseffekt reichen sehr kleine Verschiebungen des Mustererzeugungselements 26 aus. Es genügen je nach Körnigkeit des Beleuchtungsmusters 28 schon Verschiebungen oder Vibrationen um wenige Bruchteile eines Millimeters in der Projektionsoptik. Dies kann alternativ zu einem Piezo-Aktor auch auf anderen Wegen erreicht werden, beispielsweise durch einen Lautsprecher speziell im Ultraschallbereich.
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Die Generierung des Diagnosebildes erfolgt jeweils zwischen zwei Aufnahmen für eine Tiefenkarte. Es kann vorteilhaft sein, wenn die Bewegung der Beleuchtungseinheit 20 zwischen diesen beiden Aufnahmen das Beleuchtungsmuster 28 nicht in die Ausgangslage zurückbringt, sondern zu einer resultierenden Verschiebung führt. Dabei werden nämlich die Musterstrukturen auf andere Objektbereiche verschoben, so dass Tiefenkarten aus einer Kombination von zwei unabhängigen Rohbildpaaren erzeugt werden können. Dies verbessert die Auflösung an Tiefensprüngen, übersteuerten oder untersteuerten Bildbereichen.
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Als zweite Maßnahme umfasst die Diagnosebild-Erzeugungseinheit 40 eine Bildbearbeitungseinheit 44. Dort wird unter Hinnahme eines Auflösungsverlustes die Struktur des Beleuchtungsmusters 28 aus dem Rohbild herausgerechnet. Dazu wird ein Tiefpass- oder Glättungsfilter eingesetzt. In einer Implementierung werden in einem Fensterbereich des Filters die Grauwerte nach ihrer Helligkeit geordnet und für den Aufpunkt, also den Mittelpunkt des Filterfensters, ein Helligkeitswert eines definierten Ranges verwendet. Dies entspricht in dem Verhalten einem Tiefpassfilter und führt in der Folge zu einem Kontrastverlust. Wenn nun bei der Visualisierung des Diagnosebildes die Bilddarstellung reduziert wird, beispielsweise auf die Hälfte, so ist dieser Qualitätsverlust kaum noch wahrzunehmen.
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Die Bildbearbeitungseinheit 44 ist somit abweichend von der Darstellung in 1 auch in der Lage, ein normales Rohbild der Bildsensoren 14a–b zu Visualisierungszwecken aufzubereiten. Umgekehrt ist abweichend von der Darstellung in 1 möglich, das während einer Bewegung des Beleuchtungsmusters 28 aufgrund des Aktors 42 aufgenommene Diagnosebild direkt und ohne nachfolgende Aufbereitung in der Bildbearbeitungseinheit 44 zur Visualisierung zu verwenden. In allen diesen Fällen bedarf es keiner zusätzlichen Kamera, sondern es werden die während der aktiven Projektion des Beleuchtungsmusters 28 aufgenommenen Rohbilder der Bildsensoren 14a–b der Stereokamera 10 genutzt, um ein Diagnosebild zu erzeugen.
