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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur räumlichen
Bilderfassung.
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Derzeit
wird zur elektronischen stereoskopischen Bilderfassung meist ein
Kamerasystem eingesetzt, das aus zumindest einem Kamerapaar besteht. Jede
Kamera enthält
zumindest eine Optik zur Abbildung eines Objekts, und einen Bildsensor,
der die Lichtstrahlen in ein analoges Signal oder digitale Daten
umwandelt. Die digitalisierten Daten der Bildsensoren werden an
eine gemeinsame Bildverarbeitungseinheit zur stereoskopischen Bildverarbeitung und/oder
zur automatischen Objekterkennung geleitet. Nachteilig an dieser
Vorrichtung ist, dass pro Stereobild bzw. Tiefenkarte eines Teilraumes
zumindest zwei Kameras samt Bildsensoren nötig sind. Wird eine gleichzeitige
stereoskopische Erfassung mehrerer Teilräume angestrebt, entstehen enorme
Kosten durch mehrere Kamerasysteme und die Vernetzung der Bildsensoren
mit einer oder mehreren Bildverarbeitungseinheiten.
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Aus
dem Bereich der Photogrammetrie ist bspw. aus der
CH 600 305 A5 ein photogrammetrisches
Auswertegerät
zum stereoskopischen Beobachten von zwei Luftbildern mit zwei Okularen
bekannt. Die Lichtstrahlen der beiden Luftbilder treffen in etwa
senkrecht auf ein Umlenkprisma oder ein optisch entsprechendes Spiegelsystem,
werden anschließend
fokussiert und nochmals umgelenkt, so dass die durch die beiden
Okulare beobachtende Person ein Stereobild sieht. Diese Vorrichtung
ist zur Beobachtung von weit entfernten Objekten, wie es bei Luftbildern
der Fall ist, ausgelegt.
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Es
wäre auch
möglich,
eine digitale Bilderfassung auf einer vergleichbaren Einrichtung
zu basieren. Der Nachteil ist aber, dass auch eine sehr geringfügige Vibration
der Prismen bzw. sonstiger reflektierenden Flächen zu einer Störung des
digitalen Bildverarbeitungsprozesses führen würde. Es würde dementsprechend eine sehr
starre mechanische Verbindung mehrerer optischer Körper und
des Bildsensors untereinander voraussetzen, was zu erheblichen Kosten
führen
würde.
Dies macht den Einsatz dieser Einrichtung im Automobilbereich bspw.
wegen der Vibrations- und Temperaturbedingungen sehr problematisch.
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Aufgabe
der Erfindung ist, eine Vorrichtung zur einfachen und kostengünstigen
stereoskopischen Bilderfassung zumindest eines Raumteils anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Vorrichtung nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
sind die Gegenstände
der abhängigen
Ansprüche,
insbesondere eine Verwendung nach Patentanspruch 6.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur räumlichen
Bilderfassung zweier Raumteile, vorzugsweise im Kraftfahrzeug, mit
zumindest zwei reflektierenden Flächenteilen und mit zumindest
einem Bildsensor zeichnet sich dadurch aus, dass die reflektierenden
Flächenteile
derart ausgestaltet und zu den Raumteilen ausgerichtet sind, dass
die einfallenden Lichtstrahlen aus der Richtung des einen Raumteils
derart an zumindest einem Flächenteil
reflektiert werden, dass sie den einen Raumteil in Form von zwei
Bildern auf vorgegebene Bereiche des zumindest einen Bildsensors
abbilden und dass die einfallenden Lichtstrahlen des anderen Raumteils
derart an einem Flächenteil
reflektiert werden, dass sie den anderen Raumteil in Form von zwei
Bildern auf vorgegebene Bereiche des zumindest einen Bildsensors abbilden.
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Die
Abbildungen werden durch die Bildsensoren in elektronische Signale
bzw. Daten umgewandelt. Die so erzeugten elektronischen Signale
bzw. Daten des zumindest einen Bildsensors können gespeichert und/oder weiterverarbeitet
und bspw. zum Zwecke der stereoskopischen Objekterkennung genutzt
werden. Um eine räumliche
Bilderfassung zu gewährleisten
wird die Erfassung von mindestens zwei Einzelbilder aus verschiedenen
räumlich
versetzten Perspektiven eingesetzt.
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Vorteilhafterweise
müssen
die zu erfassenden Raumteile nicht unmittelbar benachbart sein,
wie bspw. die Raumbereiche eines Fahrer- und Beifahrersitzes in
einem Kraftfahrzeug.
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Vorteilhafterweise
kann bei der Reflektion zusätzlich
eine Fokussierung der Lichtstrahlen erfolgen. Dies ist durch die
Krümmung
der besagten Flächenteile
möglich.
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Es
gibt mehrere Möglichkeiten
die reflektierenden Flächenteile
zu realisieren. Zum einen können
diese Flächenteile
gekrümmte
Spiegel sein, zum anderen können
die Flächenteile
Grenzenflächen zwischen
zwei Medien mit unterschiedlichen optischen Dichten sein, wobei
die Reflexionen in diesem Fall auf dem Effekt der Totalreflexion
basieren.
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Die
Flächen
können
vorteilhafterweise zu einem lichtdurchlässigen optischen Körper, der
bspw. etwa prismenförmig
gestaltet werden kann. Diese bevorzugte Vorrichtung ist besonders
vorteilhaft, wenn zwei oder mehreren nicht benachbarte Raumteile stereoskopisch
erfasst werden sollen. Bei einer herkömmlichen Methode sind hierzu
vier Kameras (zwei Kamerapaare) mit jeweils einem Bildsensor nötig. Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung
können bis
zu drei Bildsensoren eingespart werden, wenn die beiden lichtbrechenden
optischen Körper
auf einen Bildsensor angeordnet sind. Bei einer Zuordnung von jedem
lichtbrechenden und/oder reflektierenden Körper zu einem separaten Bildsensor,
können
zu den herkömmlichen
System zwei Bildsensoren eingespart werden.
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Vorteilhafterweise
könne sämtliche
zur Vorrichtung notwendigen Bildsensorflächen der Bildsensoren auf einem
Halbleiter-Kristall realisiert. Besonders vorteilhaft ist die Realisierung
bestimmter Umfänge
der elektronischen Signalverarbeitung und/oder Objekterkennung am
selben Halbleiterkristall, an dem die zwei oder mehreren, räumlich getrennten,
Bildsensorflächen
realisiert sind.
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Die
zur stereoskopischen Bilderfassung notwendigen zwei Bilder eines
jeden Raumteils können vorteilhafterweise
auf räumlich
getrennten Bildsensorflächen
des selben Halbleiter-Kristalls oder auf unterschiedlichen Bildsensoren
abgebildet werden. Die Zusammenführung
der für
die stereoskopische Bildverarbeitung zusammengehörigen Einzelbilder erfolgt
elektronisch. Vorteilhafterweise können bspw. unter Einsatz der
CMOS-Technologie, zwei oder mehrere räumlich abstehende Bildsensorbereiche sowie
eine elektronische Bildverarbeitungsschaltung auf dem selben Halbleiterkristall
realisiert werden und/oder alle notwendigen Reflektionsflächen als
Teil eines selben optischen Körpers
realisiert werden. Dies kann zu einer entscheidenden Kosten- und Platzreduktion
der gesamten Einrichtung einschl. Bildverarbeitung und Objekterkennung
führen.
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Die
Anordnung kann aber auch aus zwei räumlich getrennten Bildsensoren
mit getrennten oder gemeinsamen reflektierenden Flächen bestehen.
Bei dem Einsatz der erfindungsgemäßen Einrichtung im Kraftfahrzeug-Bereich
zur Erfassung der Positionen der Insassen für Sicherheits- und Komfortapplikationen
kann der zumindest eine Bildsensor vorteilhafterweise auf der im
Fahrzeugdachbereich horizontal verbauten Platine angebracht sein.
Dies erspart die Ausrichtung der einzelnen Sensoren auf die Insassen,
sowie aufwendige Signalübertragungsstrecken.
Die elektromagnetische Verträglichkeit
des Systems (EMV) gegenüber
herkömmlichen
Systemen kann dadurch ebenfalls verbessert werden.
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Soll
bspw. die Airbagsteuerung für
den Fahrer und Beifahrer überwacht
und/oder vorgenommen werden, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw.
ihre Weiterbildung im Kraftfahrzeughimmel zwischen dem Fahrer und
Beifahrer angeordnet werden. Mit der Vorrichtung kann eine Sitzbelegungserkennung
sowie eine Kopfpositionserkennung von Fahrer und Beifahrer vorgenommen
werden. Abhängig
von der Auswertung der erfassten stereoskopischen Bildern kann die
Steuerung der Airbagzündung
wie bei bekannten Vorrichtungen (herkömmliche Kamerasysteme) vorgenommen
werden. Um die erfindungsgemäße Vorrichtung
auch bei Dunkelheit und bei stark variierender Beleuchtung im Kraftfahrzeug
verwenden zu können,
ist es vorteilhaft, wenn zusätzlich noch
Lichtquellen im Kraftfahrzeug angebracht sind, die den Raumteil
anstrahlen. Bspw. können
die Lichtquellen ein Infrarot-Licht aussenden, damit die Kraftfahrzeuginsassen
nicht gestört
werden.
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Zusätzlich zur
Airbagzündung
kann eine Reihe von Komfortapplikationen, wie adaptive oder gestikgesteuerte
Einstellungen im Fahrzeug vorgenommen werden.
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Beim
Einsatz im Kraftfahrzeug-Bereich ist ebenfalls eine Ausweitung der
Einrichtung auf die optische Erfassung sonstiger Teilräume im Fahrzeug, bspw.
der Rücksitze
möglich.
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In
der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der
Erfindung dargestellt. Es zeigt
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1 eine bekannte Vorrichtung
zur stereoskopischen Bilderfassung,
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2 eine mögliche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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3 eine alternative Ausgestaltung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und
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4 die zu 3 dazugehörenden Bildsensoren.
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Die 1 zeigt eine bekannte Vorrichtung zur
stereoskopischen ms. Je ein Kamerapaar 21ab bzw. 21cd,
wobei jede Kamera aus einer Optik 1a, 1b, 1c oder 1d und
einem dazugehörigen
Bildsensor 2a, 2b, 2c oder 2d bestehen,
nimmt die Lichtstrahlen eines aufzunehmenden Raumteils 10 bzw. 20 aus unterschiedlich
Richtungen auf. Die Bildsensoren 2a bis 2d wandeln
die Lichtstrahlen in digitale Daten und senden diese über ein
Datenkabel 3a bis 3d an einen Chip 4a bis 4d,
der auf einer Platine 5 einer Bildverarbeitungseinheit
angebracht ist. Dort wird aus den digitalen Daten des Kamerapaars 21 ab
und aus den digitalen Daten des Kamerapaars 21cd jeweils
ein digitales Stereobild, bspw. in Form einer Tiefenkarte, erzeugt.
Die Stereobilder können
dann bspw. für
eine Gestikerkennung verwendet werden. Anhand der 1 wird nochmals deutlich, dass pro Stereobild ein
Kamerapaar 21 ab bzw. 21cd nötig ist, und pro Kamera zumindest
ein Datenkabel 3a, 3b, 3c, bzw. 3d,
das die digitalen Daten auf die Platine 5 der Bildverarbeitungseinheit überträgt, wodurch
hohe Kosten entstehen.
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Im
Gegensatz dazu sind in 2 und 3 zwei Ausgestaltungen der
erfindungsgemäßen, kostengünstigeren
und platzsparenderen Vorrichtung dargestellt.
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In 2 besteht die Vorrichtung
zur Erzeugung digitaler Stereobildern im Raum aus zwei gekrümmten Spiegeln 11a und 11b und
einem Bildsensor 12, wobei die gekrümmten Spiegel 11a und 11b derart
ausgestaltet und zu den aufzunehmenden Raumteilen 101 und 102 ausgerichtet
sind, dass der gekrümmte
Spiegel 11a die Lichtstrahlen 13 des aufzunehmenden
Raumteils 101 auf den vorgegebenen Bereiche 12L des
Bildsensors 12 lenkt. Ebenso lenkt der gekrümmte Spiegel 11b die
Lichtstrahlen 14 des aufzunehmenden Raumteils 102 auf
den vorgegebenen Bereiche 12R des Bildsensors 12.
Um ein Stereobild zu erhalten, werden parallel zu den Lichtstrahlen 13 und 14 der
Raumteile 101 und 102 zusätzlich Lichtstrahlen der Raumteile 101 und 102 in
etwa parallel auf einen vorgegebenen Bereich des Bildsensors 12 gelenkt.
Der Bildsensor 12, der direkt mit der Platine 15 einer
Bildverarbeitungseinheit (hier nicht näher dargestellt) verbunden
ist, erzeugt aus den Bildern der Lichtstrahlen 13 und 14,
sowie den Bildern aus den parallelen Lichtstrahlen zu 13 und 14 (hier nicht
dargestellt) digitale Daten, aus denen in der nicht näher dargestellten
Bildverarbeitungseinheit ein digitales Stereobild generiert wird.
Durch die direkte Anbindung des Bildsensors kann eine aufwendige Datenübertragung
mit einem Datenkabel vermieden werden.
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Eine
Alternative zu dieser dargestellten Ausgestaltung der gekrümmten Spiegel
könnte
sein, dass die Spiegel derart gekrümmt sind, dass die Strahlen
von den für
die Stereoskopie notwendigen zwei Perspektiven eines Raumteils durch
geeignete Krümmung
derart auf die vorgegebenen Bereich des Bildsensors projiziert werden,
dass der Bildsensor möglich
klein dimensioniert werden kann.
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4 ist ebenfalls eine besonders
vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung, wenn zwei Raumteile
aufgenommen werden sollen. Zwei lichtbrechenden Körper 11c und 11d sind
derart ausgestaltet und ausgerichtet, dass sie die Lichtstrahlen 13a, 13b, 14a und 14b für zwei aufzunehmende
Raumteile 10 und 20 jeweils aus zwei unterschiedlichen
Richtungen auf vorgegebene Bereiche 12cL und 12cR bzw. 12dL und 12dR zweier
Bildsensoren 12c und 12d lenken. Die Bildsensor 12c und 12d sind
direkt auf der Platine 15 der Bildverarbeitungseinheit
(hier nicht dargestellt) angeordnet, wo die digitalen Daten der Bildsensoren 12c und 12d weiterverarbeitet
und bspw. zur Objekterkennung genutzt werden können. Die lichtbrechenden Körper 11c und 11d sind
in etwa prismenförmig
ausgebildet, so dass z. B. ein Lichtstrahl 13a vom aufzunehmenden
Raumteil 10 durch eine Eintrittsfläche 11cL durchgeht
und an einer Austrittsfläche 11cR nach
dem Prinzip der Totalreflexion derart reflektiert wird, dass der
Lichtstrahl 13a auf einem vorgegebenen Bereich des Bildsensors 12c auftritt.
Ein Lichtstrahl 13b vom aufzunehmenden Raumteil 10,
der den Raumteil 10 aus einer anderen Perspektive abgebildet,
geht durch eine Eintrittsfläche 11dL und
wird an einer Austrittsfläche 11dR nach dem
Prinzip der Totalreflexion derart reflektiert, dass der Lichtstrahl 13b auf
einem vorgegebenen Bereich des Bildsensors 12d auftritt.
Für den
Raumteil 20 gilt das gleiche. Ein Lichtstrahl 14a vom
aufzunehmenden Raumteil 20 geht durch eine Eintrittsfläche 11dR und
wird an einer Austrittsfläche 11dL nach
dem Prinzip der Totalreflexion derart reflektiert, dass der Lichtstrahl 14a auf
einem vorgegebenen Bereich des Bildsensors 12d auftritt.
Ein Lichtstrahl 14b vom aufzunehmenden Raumteil 10,
der den Raumteil 10 aus einer anderen Perspektive beleuchtet,
geht durch eine Eintrittsfläche 11cL und
wird an einer Austrittsfläche 11cL nach
dem Prinzip der Totalreflexion derart reflektiert, dass der Lichtstrahl 13b auf
einem vorgegebenen Bereich des Bildsensors 12c auftritt.
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Durch
die hier dargestellte Ausgestaltung der beiden lichtbrechenden Körper 11c und 11d entsteht
auf den Bildsensoren 12c und 12d eine räumliche Trennung
der einfallenden Lichtstrahlen der beiden aufzunehmenden Raumteile 10 und 20.
Die räumliche
Aufteilung der Bildsensoren 12c und 12d ist in 5 dargestellt. So ist der Bildsensor 12c in zwei
Bereiche aufgeteilt, 12cL und 12cR. Die Lichtstrahlen
des aufzunehmenden Raumteils 10 treffen im Bereich 12cR auf
den Bildsensor 12c, die Lichtstrahlen des aufzunehmenden
Raumteils 20 treffen auf den Bereich 12cL des
Bildsensors 12c. Bei dem Bildsensor 12d, der samt
seines lichtbrechenden Körpers 11d um
einen vorgegebenen Abstand zu dem Bildsensor 12c und lichtbrechenden
Körper 11c verschoben
ist, verhält
es sich identisch. So ist auch der Bildsensor 12d in zwei
Bereiche aufgeteilt, 12dL und 12dR. Die Lichtstrahlen
des aufzunehmenden Raumteils 10 treffen im Bereich 12dR auf
den Bildsensor 12d, die Lichtstrahlen des aufzunehmenden
Raumteils 20 treffen auf den Bereich 12dL des Bildsensors 12c.
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Bei
der Datenaufbereitung entsteht aus den digitalen Daten vom Bereich 12cR des
Bildsensors 12c und dem Bereich 12dR des Bildsensors 12d ein digitales
Stereobild bspw. in Form einer Tiefenkarte des aufzunehmenden Raumteils 10,
aus den digitalen Daten vom Bereich 12cL des Bildsensors 12c und
dem Bereich 12dL des Bildsensors 12d ein digitales
Stereobild bspw. in Form einer Tiefenkarte des aufzunehmenden Raumteils 20.
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Eine
derartige Vorrichtung wie aus 4 ist für die Verwendung
im Kraftfahrzeuginnenraum besonders vorteilhaft. Wird bspw. mittels
dieser Vorrichtung ein digitales Stereobild des Fahrer-Raumteils und
des Beifahrer-Raumteils
erzeugt, kann mit dessen Hilfe die Steuerung der Airbagzündung vorgenommen
werden. Sobald das digitale Stereobild vorliegt, ist die Vorgehensweise
identisch einem System, das die digitalen Stereobilder mit einem
Kamerapaar erzeugt. Durch die einfache Ausgestaltung der Vorrichtung
entsteht eine vereinfachte Integration im Kraftfahrzeug im Vergleich
zu herkömmlichen
Kamerasystemen, wie z. B. eine Anordnung im Bereich der Leseleuchten
im Fahrzeughimmel. Dies ist durch die Unterbringung der Bild sensoren
auf der Platine der Bildverarbeitungseinheit bzw. des Steuergeräts, das
die Bildverarbeitungseinheit enthält, möglich.
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Es
können
eine Vielzahl weiterer Details durchaus abweichend von obiger Beschreibung
gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.