DE19517031A1 - Verfahren zur Bestimmung der Länge eines Fahrzeuges mit Hilfe einer das Fahrzeug aufnehmenden Videokamera und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung der Länge eines Fahrzeuges mit Hilfe einer das Fahrzeug aufnehmenden Videokamera und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

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Description

Stand der Technik
Die Längenmessung von Fahrzeugen in videobasierten Verkehrserfassungssystemen geschieht, wenn überhaupt, in der Regel anhand der Ausmessung verschiedener Fahrzeugpunkte in einem Videobild. Schwierigkeiten dabei verursacht einerseits die Auswahl geeigneter Punkte (je nach Blickwinkel), andererseits die Projektion dieser Punkte auf die Straßenebene, für die eine Korrespondenz zwischen den Bildschirmkoordinaten und den Straßenkoordinaten festzulegen ist. Dies erfordert eine aufwendige Kalibrierung des Systems. Die Länge ist eine wichtige Information für eine zuverlässige Fahrzeugklassifikation.
Ziele und Vorteile der Erfindung
Eine Längenbestimmung von Fahrzeugen ist in der Verkehrsflußanalyse mit Videotechnologie nützlich. In Kombination mit der Fahrzeughöhe läßt sich so nämlich eine sichere Klassifikation zwischen Personenkraftwagen, Lastkraftwagen und Personenkraftwagen mit Anhängern durchführen. Bei entsprechend genauer Längenbestimmung ist auch eine weitere Differenzierung denkbar (z. B. zwischen verschiedenen LKW-Klassen, Transportern usw.).
Der Hauptnutzen der vorgestellten Methode zur Längenbestimmung eines bewegten Objektes liegt darin, daß keine aufwendige Kamerakalibrierung notwendig ist. Die einzigen äußeren Parameter, die bekannt sein müssen, sind die Höhe hc der Kamera über der Ebene und der Winkel, mit dem die optische Kameraachse die Straßenebene schneidet und ggf. noch der Winkel zwischen optischer Kameraachse und Fahrtrichtung, der jedoch bei der hier vorgestellten Modellableitung als 0° angenommen wird. Diese Parameter sind leicht zu bestimmen ohne in den Verkehrsraum eingreifen zu müssen. Eine Sperrung der Straße für das Ausmessen oder zur Anbringung von Markierungen kann entfallen. Es lassen sich so sehr einfach und kostengünstig kalibrierbare, automatische Verkehrserfassungssysteme realisieren. Dies ist besonders für mobile Verkehrserfassungssysteme vorteilhaft.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind weitere vorteilhafte Ausbildungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich. Für eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist es vorteilhaft, wenn sie oberhalb der Fahrzeugebene mit einem solchen Blickwinkel angebracht wird, daß als obere Begrenzung der vorbei fahrenden Fahrzeuge die Vorderkante des Daches erscheint. In dem Fall sind die zu beobachtenden Punkte für die Vorderkante des Fahrzeuges und die Hinterkante des Fahrzeuges gut im Blickfeld und können leicht bestimmt werden.
Beschreibung der Zeichnungen
  • 1. Abb. 1 zeigt ein Fahrzeug (Ziffer 2), das sich auf einer Ebene (Straße) mit konstanter Geschwindigkeit v bewegt. Die Bewegung des Fahrzeugs wird durch eine stationäre (unbewegliche) Videokamera (Ziffer 1) beobachtet.
  • 2. Abb. 2 zeigt die Projektion der betrachteten Szene (Szenenkoordinate y) auf das Videobild (Ziffer 4, Bildkoordinate y′).
  • 3. Abb. 3 zeigt das betrachtete Fahrzeug zu vier verschiedenen Zeitpunkten, nämlich bei Eintritt der Vorderkante in den rechten Kamerahalbraum (t = 0), bei Eintritt der Hinterkante in den rechten Kamerahalbraum. Bei erstmaligem Erscheinen im Videobild (t = td, dies entspricht t′ = 0) und bei komplettem Erscheinen im Videobild (t′ = tf).
Beschreibung der Erfindung
Zur Vereinfachung der Längenbestimmung werden folgende Randbedingungen vorgegeben:
  • 1. Die Kamera blickt von hinten auf die Fahrzeuge
  • 2. Die Fahrzeuge bewegen sich auf einer Ebene (Modellierung der Straße als Ebene)
  • 3. Die Fahrzeuge bewegen sich mit konstanter Geschwindigkeit
  • 4. Die Kamera blickt in die Fahrzeugbewegungsrichtung
Unter diesen Randbedingungen läßt sich ein gut handhabbares mathematisches Bewe­ gungsmodell ableiten. Abweichungen von diesen Annahmen in realen Szenen werden zu mehr oder minder großen Geschwindigkeitsberechnungsfehlern führen.
Abb. 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung des Sachverhalts, aus dem die Bewe­ gungsmodellierung der beobachteten Fahrzeuge erfolgt. In der skizzierten Szene befindet sich ein Objekt (Fahrzeug) der Höhe hf, das sich mit konstanter Geschwindigkeit v in der y-z-Ebene des Kamerakoordinatensystems bewegt. Die Kamera befindet sich in einer Höhe hc über der Fahrbahn und hat einen Neigungswinkel α gegenüber dieser. Ziel soll die Modellierung der Fahrzeugkante sein, die in Abb. 1 durch einen Punkt (seitliche Betrachtung) an der rechten oberen Ecke des Fahrzeugs gekennzeichnet ist (Ziffer 3). In dem Moment (Zeitpunkt t = 0), zu dem das Fahrzeug in den rechten Kamerahalbraum eintritt, hat diese Kante eine Entfernung y₀ in y-Richtung des Szenenkoordinatensystems (dessen Ursprung im Brennpunkt der Kamera liegen soll). Es läßt sich mathematisch zeigen daß die Bewegung dieser Kante in y-Richtung dem funktionalen Zusammenhang
  • 2. Parameter c läßt sich aus einer Messung y′(t′ = 0) (der betrachtete Punkt ist erstmals im Kamerabild zu sehen) über geometrische Betrachtungen nach bestimmen, wobei β der Öffnungswinkel der Kamera ist (gemessen von der optischen Achse der Kamera) und y′max die halbe vertikale Ausdehnung des Videosensorchips. Nun kann man a aus einer zweiten Messung mit Hilfe von Gleichung 7 berechnen oder aus mehreren Messungen mit Hilfe der mathematischen Regression (erhöhte Genauigkeit).
  • 3. Die Parameter a und c können beide aus mehreren Messungen y′(t′) zu verschiedenen Zeitpunkten unter Minimierung des Bewegungsmodellierungsfehlers mit Hilfe der mathematischen Regression bestimmt werden.
Ausgehend von Gleichung 4 läßt sich nun eine Methode zur Bestimmung der Länge lf der betrachteten Objekte ableiten. Hierzu betrachte man Abb. 3. Aus geometrischen Überlegungen folgt
wobei tf die Zeit ist, die zwischen zwei aufeinanderfolgenden Videobildaufnahmen ver­ streicht. Löst man diese Gleichung nach der gesuchten Länge lf des Fahrzeugs, so erhält man
Die Länge lu berechnet sich aus der Zeit tdu vom Eintreten der vorderen Kante (Ziffer 3) in den rechten Kamerahalbraum bis zum ersten Erscheinen im Videobild und der Fahrzeuggeschwindigkeit nach lu = · -tdu. Äquivalent kann man ll zu ll = · tdl bestimmen, wobei tdl die Zeit vom Eintritt der Hinterkante (Ziffer 5) in den rechten Kamerahalbraum bis zum ersten Erscheinen der Hinterkante im Videobild ist.
Nun gilt aber nach Gleichungen 6 und 7
td = c · a, (11)
d. h. tdu = cu·au und tdl = cl·al, wobei au und al die Bewegungsparameter der Bewegungs­ modellierung der Vorder- bzw. Hinterkante sind, die sich nach oben genannten Verfahren bestimmen lassen. Daraus folgt, daß
Nimmt man weiterhin an, daß aus dem gewählten Kamerablickpunkt die Fahrzeughinter­ kante durch Stoßstange oder Reifen gebildet wird, welche nahe der Fahrbahnebene (Höhe 0 m) liegen, so kann ld näherungsweise durch ld = tan(α)·hf beschrieben werden. In diesem Fall folgt
gehorcht. Mit Hilfe der abbildenden Geometrie kann dieser funktionale Zusammenhang in die zweidimensionale Bildschirmebene (x′-y′-Koordinatensystem) des von der Kamera erzeugten Bildes (Projektion auf den Kamerasensorchip) abgebildet werden (siehe Abb. 2). Daraus folgt folgende Bewegungsgleichung
wobei y′ die vertikale Koordinatenkomponente auf dem zweidimensionalen Videosensorchip und f die Brennweite der Kameraoptik ist. Qualitativ läßt sich diese Bewegungsbeschrei­ bung durch
mit
und
b = f · tan(α) (5)
wiedergeben. Nun bestehen zwei Probleme zur quantitativen Festlegung der Bewegungs­ gleichung (Bestimmung des Parameters a; b ist durch die Szenengeometrie bereits fest­ gelegt): zum einen ist die Fahrzeuggeschwindigkeit v bei Betrachtung des Videobildes unbekannt, zum anderen kennt man den betrachteten Zeitpunkt nicht (zeitlicher Abstand zum Zeitpunkt t = 0, der den Eintritt in den rechten Kamerahalbraum markiert), da der Eintritt in den rechten Kamerahalbraum aufgrund des begrenzten Kamerablickwinkels nicht beobachtet werden kann. Daher wird ein neuer Zeitmaßstab t′ eingeführt der um die Verzögerungszeit td zum Zeitmaß t verschoben ist (td sei die Zeit, die zwischen Eintritt in den rechten Kamerahalbraum und erster Beobachtung des Fahrzeugs im Videobild verstreicht). Daraus resultiert die Bewegungsbeschreibung
Eine weitere mathematische Analyse des Problems, die hier nicht wiedergegeben ist, führt zu der Erkenntnis, daß die Parameter a und td eine gegenseitige lineare Abhängigkeit besitzen. Es folgt die endgültige Bewegungsbeschreibung
mit einem zu bestimmenden Faktor c. Diese Bewegungsgleichung ist der Ausgangspunkt für alle weiteren Überlegungen.
Zur Bestimmung der Parameter a und c bieten sich mehrere Möglichkeiten an:
  • 1. Im einfachsten Fall mißt man zwei Positionen y′(t′) zu zwei verschiedenen Zeitpunkten t′. Setzt man die beiden Meßwerte in Gleichung 7 ein, so erhält man zwei Gleichungen mit zwei Unbekannten.
Die Berechnung der Parameter cu und cl kann nach erfolgter Bestimmung der Parameter au und al aus Gleichung 7 mit den Meßwerten jeweils eines Videobildes geschehen.
Die Bestimmung der Fahrzeughöhe hf kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen. Im einfachsten Fall kann die Fahrzeughöhe ausgehend von dem aufgenommenen Videobild geschätzt werden. Die Fahrzeughöhe kann auch über eine Videobildauswertung, ähnlich wie die hier vorgestellte, berechnet werden. Eine weitere Methode der Fahrzeughöhenbestimmung besteht darin, die Höhe über ein Scan-Verfahren mit Hilfe von Lichtvorhängen zu bestimmen. Auch eine Bildauswertung von Stereovideobildern erlaubt eine Fahrzeughöhenbestimmung.
Zusammenfassende Vorgehensweise zur Längenbestimmung
  • 1. Messe Kamerahöhe hc, Kameraneigungswinkel α und ggf. die Kamerabrennweite f.
  • 2. Verfolge einen Punkt an der Vorderseite des Fahrzeuges. Hierfür eignet sich bei dem in den Abbildungen dargestellten Beispielen die Vorderkante des Fahrzeugdaches. Bestimme die Parameter au und cu nach einem der zuvor beschriebenen Verfahren.
  • 3. Verfolge einen Punkt an der Hinterseite des Fahrzeugs. Bei den in den Abbildungen gezeigten Beispielen eignet sich hierfür die Stoßstange oder ein Punkt der hinteren Reifen des Fahrzeuges. Bestimme die Parameter al und cl nach einem der zuvor beschriebenen Verfahren.
  • 4. Bestimme die Fahrzeuggeschwindigkeit und die Fahrzeughöhe hf. Berechne den Abstand zwischen dem verfolgten Punkt der Vorderseite und dem verfolgten Punkt der Hinterseite des Fahrzeuges nach Gleichung 13. Bei der in den Abbildungen gewählten Kameraposition würde man also den Abstand zwischen der Vorderseite des Fahrzeugdaches und des hinteren Fahrzeugendes berechnen.
Zur Durchführung des Verfahrens muß die Kamera nicht notwendigerweise in Fahrtrichtung zeigen. In diesem Fall ist dann aber eine Korrektur der berechneten Geschwindigkeit entsprechend der Abweichung der Blickrichtung von der Fahrtrichtung der Objekte vorzunehmen.

Claims (7)

1. Verfahren zur Bestimmung der Länge eines Fahrzeuges mit Hilfe einer das Fahrzeug aufnehmenden Videokamera, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Punkt (3) des Fahrzeuges (2), der für die Vorderkante des Fahrzeuges charakteristisch ist und ein Punkt (5), der für die Hinterkante des Fahrzeuges charakteristisch ist, in einer Anzahl von Videobildern verfolgt wird, wobei für die Videobilder jeweils die vertikalen Positionen der Punkte für die Vorder- und/oder Hinterkante des Fahrzeuges auf dem Videoschirm und der Beobachtungszeitpunkt bestimmt wird, daß ausgehend von den gemessenen Werten in den Videobildern eine Anzahl von Parametern (au, cu; al, cl) jeweils eines Bewegungsmodells für die vertikale Bewegung des Punktes für die Vorderkante des Fahrzeuges und die vertikale Bewegung des Punktes der Hinterkante des Fahrzeuges bestimmt werden, daß weiter die Geschwindigkeit (v) des Fahrzeuges gemessen wird und die Höhe (hf) des Fahrzeuges (2) bestimmt wird und daß die Fahrzeuglänge (lf) aus den bestimmten Parametern (au, cu; al, cl) der Bewegungsmodelle für die Bewegung des Punktes (3) für die Vorderkante und die Bewegung des Punktes (5) für die Hinterkante des Fahrzeuges, der Fahrzeuggeschwindigkeit (v), der Fahrzeughöhe (hf), dem Neigungswinkel (α) der Kamera gegenüber der Fahrbahn und der Zeit (tf) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Videobildern der Videokamera bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahrzeuglänge (lf) nach der Formel berechnet wird, wobei v die Fahrzeuggeschwindigkeit; tf die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Videobildern der Videokamera; hf die Höhe des Fahrzeuges; α der Neigungswinkel der Videokamera gegenüber der Fahrbahn; au, cu zwei Parameter des Bewegungsmodells für die vertikale Bewegung des Punktes für die Vorderkante des Fahrzeuges und al, cl zwei Parameter des Bewegungsmodells für die vertikale Bewegung des Punktes für die Hinterkante des Fahrzeuges sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsmodelle für die Bewegungen der Punkte (3, 5) für die Vorder- und Hinterkante des Fahrzeuges die Form haben, wobei y′ die vertikale Koordinatenkomponente des entsprechenden Punktes des Fahrzeuges auf dem Videosensorchip; t′ eine Zeitkoordinate und a, b, c die Parameter des jeweiligen Bewegungsmodells sind.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter au, cu und al, cl ausgehend von den in den Videobildern bestimmten Werten über eine Regressionsrechnung bestimmt werden, wobei die Bedingung vorgegeben wird, daß der Bewegungsmodellierungsfehler minimal wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Punkt (3) des Fahrzeuges, der für die Vorderkante des Fahrzeuges charakteristisch ist, ein Punkt der Dachvorderkante des Fahrzeuges gewählt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Punkt (5) des Fahrzeuges, der für die Hinterkante des Fahrzeuges charakteristisch ist, ein Punkt der hinteren Fahrzeugstoßstange oder ein Punkt eines hinteren Fahrzeugreifens gewählt wird.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Videokamera (1) und ein Bildauswertesystem umfaßt, daß die Videokamera (1) in einer bestimmten Höhe (hc) über einer Fahrbahn unter einem bestimmten Neigungswinkel (c′) gegenüber der Fahrbahn, insbesondere in Fahrtrichtung, so angebracht ist, daß als obere Begrenzung der vorbeifahrenden Fahrzeuge die Dachvorderkante erscheint.
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