DE102010062297B4 - Method for calibrating a video camera in or on a vehicle - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Kalibrierung einer Videokamera in oder an einem Fahrzeug, mittels der dem Fahrzeugnutzer ein dem realen Umfeld entsprechendes Videobild zur Verfügung gestellt wird, dadurch gekennzeichnet , dass mehrere Standard-Kalibrierverfahren für sich jeweils speziellen Fahrzuständen und/oder Bewegungsbedingungen des Fahrzeugs zugeordnet werden, dass solange die für ein Standard-Kalibrierverfahren maßgeblichen Fahrzustände und/oder Bewegungsbedingungen des Fahrzeugs vorliegen das zugehörige Standard-Kalibrierverfahren eingesetzt wird, und dass auf ein anderes Standard-Kalibrierverfahren umgestellt wird, wenn dessen Fahrzustände und/oder Bewegungsbedingungen vorliegen.Method for calibrating a video camera in or on a vehicle, by means of which the vehicle user is provided with a video image corresponding to the real environment, characterized in that several standard calibration methods are assigned to specific driving states and / or movement conditions of the vehicle, so long as the driving conditions and/or movement conditions of the vehicle that are relevant for a standard calibration procedure are present, the associated standard calibration procedure is used, and that a switch is made to another standard calibration procedure if its driving conditions and/or movement conditions are present.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung einer Videokamera in oder an einem Fahrzeug, mittels der dem Fahrzeugnutzer ein dem realen Umfeld entsprechendes Videobild zur Verfügung gestellt wird.The invention relates to a method for calibrating a video camera in or on a vehicle, by means of which the vehicle user is provided with a video image that corresponds to the real environment.

In Kraftfahrzeugen werden Videokameras zur Erfassung des Fahrzeugumfeldes und insbesondere im Rahmen von Fahrerassistenzsystemen eingesetzt.Video cameras are used in motor vehicles to record the vehicle's surroundings and in particular as part of driver assistance systems.

Beispielsweise werden Videokameras als Einparkhilfe zur bildlichen Darstellung der rückwärtigen Umgebung des Fahrzeugs (sog. RearView) verwendet. Um den Fahrer beim Rangieren auf engstem Raum zu unterstützen wird das System optional um zwei weitere Kameras in den Seitenspiegeln ergänzt. Aus den drei einzelnen, sich teilweise überlappenden Videobildern wird ein vogelperspektivisches Gesamtbild des unmittelbaren Umfelds seitlich und hinter dem Fahrzeug erzeugt (sog. TopView).For example, video cameras are used as parking aids to provide an image of the surroundings behind the vehicle (so-called RearView). To support the driver when maneuvering in tight spaces, the system is optionally supplemented with two additional cameras in the side mirrors. From the three individual, partially overlapping video images, a bird's-eye view overall image of the immediate surroundings to the side and behind the vehicle is created (so-called TopView).

Die Kameras werden kalibriert, um die Einflüsse der Einbautoleranzen der Kameras im Fahrzeug zu beseitigen. Dies ist notwendig um dem Fahrer ein in seiner Geometrie bestmöglich dem realen Umfeld entsprechendes Videobild bereitzustellen.The cameras are calibrated to eliminate the influence of the installation tolerances of the cameras in the vehicle. This is necessary in order to provide the driver with a video image that best matches the geometry of the real environment.

Verfahren zur Kalibrierung von Videokameras in Kraftfahrzeugen sind bekannt.Methods for calibrating video cameras in motor vehicles are known.

Aus der DE 102 29 336 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zur Kalibrierung einer Videokamera mittels eines Kalibrierobjektes und eines Lagebezugsensors bekannt.From the DE 102 29 336 A1 For example, a method for calibrating a video camera using a calibration object and a position reference sensor is known.

Die EP 1 120 746 A2 beschreibt ein Verfahren zur Kalibrierung einer Videokamera in einem Kraftfahrzeug mittels eines Kalibrierobjektes, bei dem das Kalibrierobjekt mit dem Kraftfahrzeug verbunden und über eine mechanische Verstellvorrichtung bezüglich des Kraftfahrzeuges ausgerichtet wird.The EP 1 120 746 A2 describes a method for calibrating a video camera in a motor vehicle using a calibration object, in which the calibration object is connected to the motor vehicle and aligned with respect to the motor vehicle via a mechanical adjustment device.

Das Dokument WO 2009 / 142 921 A2 offenbart ein Verfahren zum Kalibrieren einer Kamera, die sich relativ zum Boden bewegt, wobei das Verfahren umfasst, dass mindestens zwei Merkmalspunkte in mindestens zwei Kamerabildern identifiziert werden, dass eine Kameratranslation und -rotation zwischen Kamerakoordinaten für verschiedene Positionen der Kamera an einer ersten Position der Kamera ermittelt wird, dass eine Bodenebene in Kamerakoordinaten definiert wird, dass eine Höhe der Kamera über dem Boden ermittelt wird und dass eine Rotation der Kamera in Fahrzeugkoordinaten identifiziert wird.The document WO 2009 / 142 921 A2 discloses a method for calibrating a camera that moves relative to the ground, the method comprising identifying at least two feature points in at least two camera images, camera translation and rotation between camera coordinates for different positions of the camera at a first position of the camera it is determined that a ground plane is defined in camera coordinates, that a height of the camera above the ground is determined and that a rotation of the camera is identified in vehicle coordinates.

Die Kalibrierung der Videokameras für RearView und TopView im Rahmen der Fertigung und des Services ist aufwendig. Sie erfordert teure Werkzeuge und kostet wertvolle Taktzeit.Calibrating the video cameras for RearView and TopView as part of production and service is complex. It requires expensive tools and costs valuable cycle time.

Bei Austausch einer Videokamera ist eine erneute Kalibrierung notwendig, die sehr aufwändig ist und nur durch erfahrene Mitarbeiter durchgeführt werden kann.When a video camera is replaced, a new calibration is necessary, which is very time-consuming and can only be carried out by experienced employees.

Darüber hinaus werden die Videokameras in der Regel nur einmalig bei der Fertigung oder der Inbetriebnahme kalibriert. Toleranzen hinsichtlich Alterung, Setzverhalten oder etwaiger Veränderungen am Fahrzeug werden nicht berücksichtigt.In addition, the video cameras are usually only calibrated once during production or commissioning. Tolerances regarding aging, settling behavior or any changes to the vehicle are not taken into account.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Kalibrierverfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine stets exakte Ausrichtung der eingesetzten Videokamera sicherstellt.The invention is based on the object of creating a calibration method of the type mentioned at the outset, which ensures that the video camera used is always precisely aligned.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Mitteln.The invention solves this problem with the means specified in claim 1.

Die Erfindung macht sich die Erfahrungen zu Nutze, die für Standard-Kalibrierverfahren auf Grund ihrer breiten Anwendung bestehen. Die Grenzen der Anwendung der Standard-Kalibrierverfahren werden insoweit berücksichtigt, als diese Kalibrierverfahren nur innerhalb dieser Grenzen eingesetzt werden. Diese Grenzen bestehen in speziellen Fahrzuständen und/oder Bewegungsbedingungen des Fahrzeugs für die und innerhalb derer diese Kalibrierverfahren einsetzbar sind.The invention makes use of the experience that exists for standard calibration procedures due to their wide application. The limits of the application of the standard calibration procedures are taken into account to the extent that these calibration procedures are only used within these limits. These limits exist in special driving states and/or movement conditions of the vehicle for which and within which these calibration methods can be used.

Werden die Grenzen überschritten, wird auf ein dann einsetzbares anderes Standard-Kalibrierverfahren umgestellt.If the limits are exceeded, a different standard calibration procedure can then be used.

Um einen allzu häufigen Wechsel des Kalibrierverfahrens zu vermeiden, wird dabei vorteilhafter Weise erst dann eine Wechsel des angewandten Verfahrens vollzogen, wenn dessen Anwendungsvoraussetzungen eine definierte Zeitspanne vorliegen.In order to avoid a too frequent change of the calibration method, a change of the method used is advantageously only carried out when its application requirements have been met for a defined period of time.

Auf diese Weise gelingt es, den Kalibriervorgang der Videokameras für RearView und TopView zu automatisieren und den Kalibrieraufwand in der Fertigung und im Service zu minimieren. Eine derartige Videokamera bedarf keiner Werks- oder Servicekalibrierung mehr, da sie eigenständig während des Fahrbetriebes kalibriert wird.This makes it possible to automate the calibration process of the video cameras for RearView and TopView and to minimize the calibration effort in production and service. Such a video camera no longer requires factory or service calibration, as it is calibrated independently while driving.

Vorbereitend für die Beschreibung des erfindungsgemäßen Kalibriervorgangs werden nachfolgend vier bekannte Standard-Kalibrierverfahren mit ihren Anwendungsvoraussetzungen erläutert. Es sind dies die unter den Bezeichnungen

  • • Object-Tracking
  • • Motion-Blur-Analyse
  • • Car-Body-Analyse
  • • Vanishing-Point-Analyse
bekannten Verfahren.In preparation for the description of the calibration process according to the invention, four known standard calibration methods and their application requirements are explained below. These are the ones under the names
  • • Object tracking
  • • Motion blur analysis
  • • Car body analysis
  • • Vanishing point analysis
known procedures.

Das Object-Tracking basiert auf dem Verfolgen von markanten Farbmustem/Texturen auf der Fahrbahn. Durch die Beobachtung eines Farbmusters über mehrere Einzelbilder des Videos wird dessen Trajektorie bestimmt. Die Analyse mehrerer Trajektorien in verschiedenen Bereichen des Bildschirms im Vergleich zur eignen Fahrzeugbewegung ermöglicht die Berechnung der Kamerarotationen. Da eine minimale Anzahl an Frames bzw. Beobachtungen nötig ist um eine brauchbare Spur zusammenzusetzen, ist diese Methode nur bei relativ niedrigen Geschwindigkeiten anwendbar.Object tracking is based on tracking distinctive color patterns/textures on the road. By observing a color pattern over several frames of the video, its trajectory is determined. The analysis of multiple trajectories in different areas of the screen compared to the vehicle's own movement enables the calculation of camera rotations. Since a minimal number of frames or observations are required to compose a usable track, this method can only be used at relatively low speeds.

Die Motion-Blur-Analyse analysiert die Unschärfe eines Videobildes welche durch die schnelle Bewegung des Fahrzeugs entsteht. Dabei werden die Richtungsvektoren des Untergrunds in relevanten Bereichen des Bildes unter Zuhilfenahme einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) bestimmt. Anhand dieser Richtungsvektoren werden die Rotationsparameter der Kamera berechnet. Diese Methode ist nur bei relativ hohen Geschwindigkeiten oder in Situationen mit geringer Helligkeit anwendbar.Motion blur analysis analyzes the blurring of a video image caused by the rapid movement of the vehicle. The directional vectors of the background in relevant areas of the image are determined using a fast Fourier transformation (FFT). The rotation parameters of the camera are calculated using these direction vectors. This method is only applicable at relatively high speeds or in low brightness situations.

Bei der Car-Body-Analyse wird die Position markanter Kanten der Fahrzeugkarosserie im Videobild bestimmt. Für die Kalibrierung der RearView-Kamera beispielsweise wird die Kante des hinteren Stoßfängers genutzt. Für TopView-Kameras, die beispielsweise in den Außenspiegeln sitzen, werden jeweils der Schweller und die Kanten der geschlossenen Vordertür detektiert. Durch den Vergleich dieser geometrischen Daten mit einer vorgegebenen idealen Kameraposition, beispielsweise bekannt aus den Konstruktionsdaten des Fahrzeugs, lässt sich eine Verdrehung der Kamera erkennen und durch an sich bekannte elektronische Bildkorrekturmaßnahmen kompensieren. Dieses Verfahren liefert schnelle Ergebnisse, d.h. Aussagen über eine vom Idealzustand abweichende Drehlage der Kamera und ist bei einer von Null verschiedenen Geschwindigkeit des Fahrzeugs anwendbar. Da sie in Bezug auf die Karosserie durchgeführt wird, kann eine Neigung des Fahrzeugs nicht ohne Weiteres berücksichtigt werdenDuring car body analysis, the position of prominent edges of the vehicle body in the video image is determined. For example, the edge of the rear bumper is used to calibrate the RearView camera. For TopView cameras, which are located in the exterior mirrors, for example, the sill and the edges of the closed front door are detected. By comparing this geometric data with a predetermined ideal camera position, for example known from the design data of the vehicle, a rotation of the camera can be detected and compensated for using known electronic image correction measures. This procedure delivers quick results, i.e. statements about a rotational position of the camera that deviates from the ideal state and can be used when the vehicle speed is different from zero. Since it is carried out with respect to the body, tilting of the vehicle cannot easily be taken into account

Schließlich werden bei der Vanishing-Point-Analyse Fahrbahnmarkierungen erkannt und daraus deren Schnittpunkte durch Extrapolation berechnet. Der Schnittpunkt entspricht dem Fluchtpunkt des Bildes. Anhand dieser Bild-Geometrie lassen sich der tatsächliche Nick- und Gierwinkel der Kamera bestimmen und Abweichungen zur idealen Kameraposition korrigieren. Da diese Methode auf der Erkennung von Straßenmarkierungen basiert, werden äußere Einflüsse, die zu einer fehlerhaften Kalibrierung führen können, besonders berücksichtigt. Dazu zählen Kurven, Gefälle, Änderungen der Fahrbahntextur und natürlich mögliche Spurwechsel. Durch Vergleich mit den im Fahrzeug durch entsprechende Sensoren gelieferten Informationen über den jeweiligen Fahrzustand werden diese Einflüsse erkannt und dieses Kalibrierverfahren währenddessen nicht durchgeführt. Dieses Standard-Kalibrierverfahren ist vorzugsweise für die RearView-Kamera anwendbar. Finally, in the vanishing point analysis, road markings are recognized and their intersection points are calculated using extrapolation. The intersection point corresponds to the vanishing point of the image. Using this image geometry, the actual pitch and yaw angle of the camera can be determined and deviations from the ideal camera position can be corrected. Since this method is based on the detection of road markings, special consideration is given to external influences that can lead to incorrect calibration. These include curves, slopes, changes in road texture and, of course, possible lane changes. These influences are recognized by comparing them with the information about the respective driving condition provided in the vehicle by corresponding sensors and this calibration procedure is not carried out during this time. This standard calibration procedure is preferably applicable to the RearView camera.

Neben diesen vier genannten Standard-Kalibrierverfahren können auch noch andere bekannten Kalibrierverfahren zum Einsatz kommen. Nur beispielhaft sei hier das PGM (=Parallel Geometrie Method)-Verfahren genannt.In addition to these four standard calibration procedures mentioned, other known calibration procedures can also be used. The PGM (=Parallel Geometry Method) method is just an example.

Bei der ersten Inbetriebnahme des Fahrzeugs startet die Online-Kalibrierung in einem „Fast-Calibration-Mode“. Dabei werden die Car-Body- und Vanishing-Point-Analyse in Verbindung mit verringerten Filterkonstanten genutzt um schnellstmöglich ein erste Korrektur grober Verdrehungen der Kamera durchzuführen. Somit stehen die Kamerafunktionen dem Fahrzeugnutzer unmittelbar zur Verfügung.When the vehicle is put into operation for the first time, the online calibration starts in a “fast calibration mode”. The car body and vanishing point analysis are used in conjunction with reduced filter constants to carry out an initial correction of major rotations of the camera as quickly as possible. This means that the camera functions are immediately available to the vehicle user.

Nach Erreichen einer definierten Qualität wechselt die Online-Kalibrierung in einen „Normal-Calibration-Mode“. Nun werden die Filterkonstanten erhöht damit die Kalibrierparameter in kleineren Schritten gegen die „optimale Kalibrierung“ konvergieren. Jetzt werden auch die zeitlich aufwändigeren Methoden genutzt.After reaching a defined quality, the online calibration switches to “normal calibration mode”. Now the filter constants are increased so that the calibration parameters converge in smaller steps towards the “optimal calibration”. Now the more time-consuming methods are also used.

Die zeitliche Abfolge der für die Online-Kalibrierung eingesetzten Standard-Kalibrierverfahren reagiert gezielt auf die aktuelle Kalibrierungs-Qualität der verschiedenen Kameras und deren einzelner Rotationen. Somit wird immer die Methode aktiviert, die zur aktuellen Kalibrierung den besten Beitrag leisten kann.The chronological sequence of the standard calibration procedures used for online calibration reacts specifically to the current calibration quality of the various cameras and their individual rotations. This means that the method that can make the best contribution to the current calibration is always activated.

Wird eine Kamera im Service getauscht, werden auch die zugehörigen Qualitätswerte zurückgesetzt. Auf diese Weise wird die betroffene Kamera automatisch beim zeitlichen Ablauf bevorzugt bis sie zur Qualität der restlichen verbauten Kameras aufgeschlossen hat.If a camera is replaced during service, the associated quality values are also reset. In this way, the camera in question is automatically given priority over time until it catches up to the quality of the other cameras installed.

Die Kalibrierung des Systems im Werk kann entfallen, dadurch können Kosten für die nötigen Werkzeuge eingespart und die Prozesszeit verkürzt werden. Im Falle eines nötigen Services der eine Kalibrierung erfordert, kann auch diese eingespart.Calibration of the system in the factory can be eliminated, thereby saving costs for the necessary tools and shortening the process time. In the case of a necessary service that requires calibration, this can also be saved.

Die Qualität über Lebensdauer der Funktionen wird erhöht, da durch die fortlaufende Kalibrierung externe Einflüsse berücksichtigt werden.The quality over the lifespan of the functions is increased because external influences are taken into account through continuous calibration.

Im Rahmen dieser Erfindung wird eine vollautonome (Online-)Kalibrierung realisiert. Eine Kalibrierung im Rahmen der Fahrzeugherstellung oder im Service kann dann entfallen. Die Online-Kalibrierung wird im Hintergrund ausgeführt und sorgt somit für eine ständig fortschreitende Verfeinerung bzw. Kontrolle der aktuellen Kalibrierparameter der Kamera.As part of this invention, a fully autonomous (online) calibration is realized. Calibration during vehicle production or service can then be omitted. The online calibration is carried out in the background and thus ensures constant refinement and control of the camera's current calibration parameters.

Keines der Standard-Kalibrierverfahren ist für sich ausreichend, um alle notwendigen Parameter der Kameras zu berechnen. Die Algorithmen unterscheiden sich hinsichtlich der erreichbaren Genauigkeit, der jeweiligen Anforderungen an die Fahrsituation und der grundsätzlichen Fähigkeit einzelne Rotationsparameter der Kameras zu bestimmen. Zusätzlich ergeben sich durch die verschiedenen Einbaupositionen der Kameras am Fahrzeug unterschiedliche Ausgangssituationen bzw. „Blickwinkel“ für die Kalibrierung. Das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren vereint verschiedene Methoden der Bildverarbeitung zu einer Gesamtfunktion. Durch diese Kombination wird eine automatische Kalibrierung des gesamten Kamerasystems möglich. Dabei wird je nach aktueller Fahrsituation der Algorithmus aktiviert dessen Anforderungen mit den aktuellen Bedingungen übereinstimmen. Die Ergebnisse der einzelnen Methoden werden unter Berücksichtigung einer Gewichtung fusioniert.None of the standard calibration procedures is sufficient to calculate all the necessary parameters of the cameras. The algorithms differ in terms of the accuracy that can be achieved, the respective requirements of the driving situation and the basic ability to determine individual rotation parameters of the cameras. In addition, the different installation positions of the cameras on the vehicle result in different starting situations or “viewing angles” for the calibration. The calibration method according to the invention combines various image processing methods into an overall function. This combination enables automatic calibration of the entire camera system. Depending on the current driving situation, the algorithm is activated whose requirements match the current conditions. The results of the individual methods are merged taking weighting into account.

Sollten sich im Zuge der Weiterentwicklung der einzelnen Methoden bzw. durch die Ergänzung weiterer Algorithmen geänderte Anforderungen ergeben, kann die kombinierte Kalibrierung durch Applizierung relevanter Parameter flexibel angepasst werden.If requirements change as the individual methods are further developed or as additional algorithms are added, the combined calibration can be flexibly adjusted by applying relevant parameters.

Claims (2)

Verfahren zur Kalibrierung einer Videokamera in oder an einem Fahrzeug, mittels der dem Fahrzeugnutzer ein dem realen Umfeld entsprechendes Videobild zur Verfügung gestellt wird, dadurch gekennzeichnet , dass mehrere Standard-Kalibrierverfahren für sich jeweils speziellen Fahrzuständen und/oder Bewegungsbedingungen des Fahrzeugs zugeordnet werden, dass solange die für ein Standard-Kalibrierverfahren maßgeblichen Fahrzustände und/oder Bewegungsbedingungen des Fahrzeugs vorliegen das zugehörige Standard-Kalibrierverfahren eingesetzt wird, und dass auf ein anderes Standard-Kalibrierverfahren umgestellt wird, wenn dessen Fahrzustände und/oder Bewegungsbedingungen vorliegen.Method for calibrating a video camera in or on a vehicle, by means of which the vehicle user is provided with a video image corresponding to the real environment, characterized in that several standard calibration methods are assigned to specific driving states and / or movement conditions of the vehicle, so long as the driving conditions and/or movement conditions of the vehicle that are relevant for a standard calibration procedure are present, the associated standard calibration procedure is used, and that a switch is made to another standard calibration procedure if its driving conditions and/or movement conditions are present. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der ersten Inbetriebnahme des Fahrzeugs ein „Fast-Calibration-Mode“ eingesetzt wird, bei dem eine Car-Body- und Vanishing-Point-Analyse in Verbindung mit verringerten Filterkonstanten genutzt wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that when the vehicle is first put into operation, a “fast calibration mode” is used, in which a car body and vanishing point analysis is used in conjunction with reduced filter constants.
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