DE19741392A1

DE19741392A1 - Verfahren zur Korrektur gemessener Entfernungswerte

Info

Publication number: DE19741392A1
Application number: DE19741392A
Authority: DE
Inventors: Taichi Tanigawa; Hideo Shimizu; Takehide Hirabayashi; Akio Izumi
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1996-09-26
Filing date: 1997-09-19
Publication date: 1998-04-02
Also published as: US5915033A; KR19980024964A; JP3147002B2; JPH10103949A; KR100473436B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zur Entfernungsmessung, insbesondere des Abstands zwischen Fahrzeugen zur Verhinderung einer Kollision, und bezieht sich genauer auf die Korrektur eines möglichen Fehlers einer Entfernung oder eines entfernungs bezogenen Indexwertes, die bzw. der anhand eines Bildes innerhalb des Gesichtsfeldes eines Bildaufnahmemoduls gemessen wird, welches zwei Bildsensoranordnungen enthält, von denen jede mehrere Bildsensoren sowie eine optische Einrichtung enthält, wobei der Fehler von einem Montagefehler in dem Bildaufnahmemodul herrührt.

Es sind bereits Techniken zur genauen Messung der Entfernung zu einem Ziel auf der Basis der Parallaxe zwischen zwei Bildern des Ziels entwickelt worden, die mittels zweier Bildsensoren aufgenommen werden. Solche, von dem Prinzip der Triangulation Gebrauch machende Entfer nungsmeßverfahren zeichnen sich durch ihre passive Natur aus und sind bei Autofokuskameras eingesetzt worden. Man geht jetzt davon aus, daß diese Verfahren von Nutzen zur Verhinderung von Kollisionen zwischen Fahrzeugen sind.

Bei den erwähnten Triangulationsverfahren wird zur Aufnahme von Bildern eines Ziels ein Modul eingesetzt, daß zwei Bildsensoren und eine optische Einrichtung, etwa eine Linse, aufweist. Im Fall des Einsatzes bei Autofokuskameras ist garantiert, daß das Ziel durch den Sucher identifi ziert wird, während bei Anwendungen zur Kollisionsverhinderung das Ziel nicht immer vor dem Modul liegen muß. Vielmehr kann sich beispielsweise ein vorausfahrendes Fahrzeug in einem unbekannten seitlichen Winkel befinden und muß erst gefunden werden, bevor der Abstand zu ihm ermittelt werden kann. Daher wird allgemein eine Anordnung verwendet, die zwei integrierte Schaltungschips je umfassend mehrere Bildsensoren sowie eine optische Einrichtung aufweist, wobei das zur Aufnahme von ein Ziel enthaltenden Bildern eingesetzte Gesichtsfeld relativ groß im Vergleich zu dem bei Autofokuskameras ist. Beispielsweise kann der Bildsensor eine CCD- Anordnung mit mehreren hundert oder mehr optischen Sensoren sein.

Um in solchen Fällen den Bereich innerhalb des Gesichtsfeldes zu identifizieren, innerhalb dessen ein zu messendes Ziel vorhanden ist, ist es am praktischsten, das weite Gesichtsfeld in mehrere Fenster oder Teilgesichtsfelder nach Art einer zweidimensionalen Matrix zu unterteilen, um die Parallaxe zwischen zwei Bildern oder die Entfernungen für zwei Bilder zu ermitteln, die für jedes Fenster für von den beiden Bildsensoren aufgenommen werden, um dann den zuverlässigsten Entfernungsbereich zu dem Ziel auf der Basis der Verteilung der Mehrzahl gemessener Entfer nungen herauszufinden und die Zone innerhalb des Gesichtsfeldes, innerhalb derer die diesem Bereich entsprechenden Fenster vorhanden sind, als Zone zu identifizieren, in der sich das Ziel befindet.

Um das von diesen mehreren Bildsensorpaaren erzeugte bzw. definierte Gesichtsfeld ähnlich einer Matrix in Fenster zu unterteilen, kann innerhalb des Teilgesichtsfeldes jedes Bildsensorpaa res eine Mehrzahl von Fenstern eingestellt und angeordnet werden. Um ein Fenster einzustellen, können die Fensterdatensätze, die dem jeweiligen Fenster entsprechen, von Bilddatensätzen extrahiert werden, welche eine Vielzahl von Sensordaten enthalten, die ein Bildmuster repräsen tieren, das von den einzelnen Bildsensoren aufgenommen wird, und zwar in solcher Weise, daß die Fensterdatensätze etliche zehn Sensordaten umfassen. Zur Ermittlung der Parallaxe zwischen dem Bild paar innerhalb eines Fensters, kann ein Paar von Fensterdatensätzen relativ zueinander verschoben werden, wobei geprüft wird, wie gut sie übereinstimmen. Wenn eine Übereinstim mung erzielt wird, kann der zugehörige Verschiebewert als eine als Anzahl von Sensordaten ausgedrückte Parallaxe angenommen werden.

Wenn man die Parallaxe mit σ und die Feldteilung bzw. das Rastermaß der optischen Sensoren innerhalb eines Bildsensors mit h bezeichnet, ergibt sich die Entfernung d für das Bild im jeweiligen Fenster in bekannter Weise zu d = bh/σp, worin b die Basislänge der Triangulation, das heißt der Abstand zwischen den optischen Achsen eines Linsenpaares in der optischen Einrichtung ist, die ein Bild auf dem Bildsensorpaar erzeugen, und f ihre Brennweite ist. In dieser Gleichung ist bf/h natürlich eine Konstante, weshalb die Parallaxe σ direkt als Index oder Maß für die Entfernung d benutzt wird.

Wie voranstehend beschrieben, kann ein Gesichtsfeld eine Zone enthalten, in der ein Meßziel vorhanden ist, und die Entfernung zu dem Ziel kann entweder durch direkte Messung der Entfernung d oder aus der Parallaxe σ ermittelt werden. Bei letzterer handelt es sich um einen Index für jedes der Fenster, die durch Unterteilung des von mehreren Bildsensorpaaren definier ten Gesichtsfeldes gebildeten werden. Der Einsetzen eines Paares integrierter Schaltungschips in das Bildaufnahmemodul führt jedoch unweigerlich zu einem Montagefehler, der die Bildsensoren und die optische Einrichtung betrifft, und zu einem kleinen Fehler in dem in jedem Fenster aufgenommenen Bild führt. Wenn ein Fehler in dem Bild in jedem Fenster vorhanden ist, stimmen Paare von Fensterdatensätzen nicht überein. Anstatt den Grad der Übereinstimmung zwischen einem Paar zu prüfen, kann man in diesem Fall die Korrelation zwischen ihnen prüfen, wobei man davon ausgeht, daß der Verschiebewert dort, wo die sich beste Korrelation ergibt, die Parallaxe σ ist. In diesem Fall tritt jedoch unweigerlich ein Fehler im Wert der erhaltenen Parallaxe σ oder in der Entfernung d abhängig von der Position des Fensters innerhalb des Gesichtsfeldes auf, solange daß Modul mit einem Montagefehler behaftet ist, wodurch die Genauigkeit des geschätzten Bereichs zum Ziel oder der gemessenen Entfernung verringert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Probleme zu lösen und ein Verfahren zur Korrektur von Meßwerten zu schaffen, um ungeachtet irgendwelcher Montagefehler des Bildaufnahmemoduls immer ein genaue Parallaxe oder eine genaue Entfernung für jedes innerhalb des Gesichtsfeldes eingestellte Fenster zu erhalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Wie beim Stand der Technik wird das Gesichtsfeld des Bildaufnahmemoduls in mehrere nach Art einer zweidimensionalen Matrix angeordnete Fenster unterteilt wird, und die Entfernung zu dem Bild in jedem Fenster oder die Parallaxe zwischen einem von dem Bildsensorpaar aufgenomme nen Bildpaar für jedes Fenster wird gemessen. Darüber hinaus beruht die vorliegende Erfindung auf der Erkenntnis, daß

(a) sich der Fehler, der aufgrund eines Modulmontagefehlers in einer Entfernung oder einem Parallaxenwert auftreten kann, in enger Beziehung mit der Position des Fensters innerhalb des Gesichtsfeldes ändert, und daß ein Montagefehler in einem anderen Teil des Moduls einen ähnlichen Fehler in den Entfernungs- oder Parallaxenwerten hervorrufen kann, so daß die Charakteristik des Meßfehlers für jedes Fenster, der von einem Montagefehler herrührt, kollektiv als Polynom mit zwei rechtwinkligen Koordinaten (einer vertikalen und einer horizontalen Variable) ausgedrückt werden kann, welche die Position des Fensters innerhalb des Gesichtsfel des beschreiben,

und sieht vor, daß

(b) Entfernungen für mehrere Fenster innerhalb des Gesichtsfeldes gemessen werden, nachdem vor dem Bildaufnahmemodul ein Testmusterbild in einem bestimmten Abstand angeordnet wurde, um Koeffizienten von Variablen in dem Polynom (die von Modul zu Modul verschieden sind) zu bestimmen, und daß der Koeffizient für jeden Term des Polynoms, der eine Fehlercha rakteristik repräsentiert, auf der Basis der Meßergebnisse bestimmt wird, und diese Koeffizienten in einer Speicheranordnung gespeichert werden, und
(c) bei der tatsächlichen Entfernungs- oder Parallaxenmessung unter Verwendung des Moduls der Meßwert von jedem Fenster innerhalb des Gesichtsfeldes korrigiert wird, indem zu dem Meßwert der Wert des eine Fehlercharakteristik repräsentierenden Polynoms addiert bzw. von ihm subtrahiert wird, wobei die gespeicherten Koeffizientenwerte und die Koordinaten für das Fenster eingesetzt werden.

Hierdurch wird ermöglicht, daß der Einfluß eines Modulmontagefehlers, so einer vorhanden ist, nahezu vollständig eliminiert wird und auf diese Weise eine gleichbleibend zuverlässige Technik zur Messung der Entfernung oder der Parallaxe für das Bild in jedem Fenster geschaffen wird.

Die Verwendung des Polynoms als charakteristische Funktion für den Fehler bei den Entfernungs- oder Parallaxenwerten für einzelne Fensterbilder hängt natürlich von den Arten der Modulmonta gefehlern ab, die auftreten können. Für die Praxis ist es jedoch normalerweise ausreichend, ein Polynom zweiter oder geringerer Ordnung in den beiden Koordinaten (der vertikalen und der horizontalen Variable) zu verwenden, die die Position des Fensters angeben. Ein zum Testen des Moduls verwendetes Muster sollte ein sich gleichförmig wiederholendes Muster, etwa vertikale Streifen, aufweisen. Dadurch, daß beim Test der einzelnen Module Entfernungen oder Parallaxen für mehrere, beispielsweise etliche zehn Fenster gemessen werden, die relativ zum Mittelpunkt des Gesichtsfeldes symmetrisch verteilt sind, können die Meßergebnisse geeignet kombiniert werden, um einfach und mit ausreichender Genauigkeit den Koeffizienten der einzelnen Variablen in dem Polynom zu bestimmen, das eine charakteristische Fehlerfunktion repräsentiert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Beispiel des Aufbaus eines Bildaufnahmemoduls zur Verwendung bei der Erfindung sowie seines Gesichtsfeldes, wobei (a) eine perspektivische Ansicht ist, die den Aufbau des Bildaufnahmemoduls zeigt, (b) ein schematisches Schaltbild eines Beispiels einer Entfernungsmeßschaltung mit Korrektureinrichtung darstellt und (c) eine Darstel lung ist, die die Positionen typischer Fenster innerhalb des Gesichtsfeldes des Bildauf nahmefelds zeigt,

Fig. 2 eine graphische Darstellung, die die Neigung der Parallaxe als Beispiel einer durch die Erfindung zu korrigierenden Größe sowie einen Grundwert für die Parallaxe zeigt, und

Fig. 3 eine graphische Darstellung zur Beschreibung eines Beispiels des Zusammenhangs zwischen einem Fehler in einem Meßwert und einem Montagefehler des Bildaufnah memoduls.

In der perspektivischen Darstellung von Fig. 1(a) ist in strichpunktierten Linien der rechtwinklig parallelepipedförmige Umriß eines Bildaufnahmemoduls 30 dargestellt. Das Modul enthält in einem gemeinsamen Gehäuse zwei Linsen 11 und 12 als optische Einrichtung 10 und zwei diesen Linsen jeweils zugeordnete Bildsensoranordnungen 20. Jede der Bildsensoranordnungen 20 ist ein integriertes Schaltungschip mit etlichen zehn Bildsensoren 21 bzw. 22, bei denen es sich normalerweise um CCD-Anordnungen handelt, und die über die Linsen 11 und 12 Licht L1 bzw. L2 empfangen. Die Bildsensoranordnungen werden auf einem Substrat 23 montiert und dann in dem Gehäuse des Moduls 30 angeordnet. Für die nachfolgende Beschreibung ist in Fig. 1(a) ein Koordinatensystem mit den Achsen x, y und z in seiner Relation zum Modul 30 darge stellt.

Der obere Teil von Fig. 1(b) zeigt Bilddatensätze ID1 und ID2, die je etliche hundert Sensordaten enthalten, die nachfolgend als Sensordatenwerte bezeichnet werden und ein Bildmuster repräsentieren, welches von der Mehrzahl der Bildsensoren 21 und 22 erfaßt wird. Mehrere Entfernungsmeßschaltungen 40 (in der Figur sind der Klarheit wegen nur drei gezeigt), die unterhalb der Bilddatensätze dargestellt sind, entsprechen den beiden Bilddatensätzen ID1 und ID2. Die Entfernungsmeßschaltungen 40 leiten aus den Bilddatensätzen ID1 und ID2 Fensterda tensätze WD1 bzw. WD2 (d. h. Teildatensätze der Bilddatensätze) ab, wie durch die entspre chenden Linien in der Figur angedeutet, um das Teilgesichtsfeld jedes Bildsensorpaares in mehrere Fenster zu unterteilen und anhand des Fensterdatensatzpaares WD1 und WD2 die Parallaxe σ zwischen dem Bild paar als Index oder Maß für die Entfernung für das Bild in dem jeweiligen Fenster gemäß dieser Ausführungsform zu ermitteln.

Jede Entfernungsmeßschaltung 40 prüft nacheinander die Korrelationen zwischen den Fenster datensätzen WD1 und WD2, die wie beim Stand der Technik durch allmähliche und relative Verschiebung erhalten werden, und bestimmt als Parallaxe den Verschiebewert, bei dem die beste Korrelation erhalten wird. Da diese Korrelationsprüfung einige Zeit erfordert, sind die dargestellten mehreren Entfernungsmeßschaltungen 40 zweckmäßigerweise in einer einzigen integrierten Halbleiterschaltung enthalten, um die Parallaxen σ für die jeweiligen Fenster gleichzeitig zu ermitteln und dadurch die Meßgeschwindigkeit zu maximieren. Solch eine integrierte Halbleiterschaltung ist vorzugsweise ein Gate-Array, das als für die jeweilige Anwen dung geeignete Schaltung konfiguriert werden kann.

Die von einer Entfernungsmeßschaltung 40 ermittelte Parallaxe ist oft ein Rechenwert, der sich aus der Überlagerung eines vorbestimmten Grundwerts auf die tatsächliche Parallaxe σ für ein Bildpaar in jedem Fenster ergibt. Dies soll unter Bezugnahme auf die graphische Darstellung in Fig. 2 erläutert werden. Da, wie oben beschrieben, die Parallaxe σ dem Kehrwert der Entfernung d für das Bild proportional ist, gilt σ = a (1/d), wobei a ein Proportionalitätskoeffizient ist. In der graphischen Darstellung ergibt sich somit die Parallaxe σ als gerade Linie der Steigung a über dem Reziprokwert der Entfernung d, wie in Fig. 2 gezeigt. Wenn die Entfernung d unendlich ist, ist ihr Reziprokwert 1/d = 0, womit auch die Parallaxe σ null wird. Wenn jedoch die Parallaxe σ aus irgendeinem unvorhersehbaren Grund, etwa einem Meßfehler, negativ wird, ergeben sich Probleme bei der nachfolgenden Datenverarbeitung. Daher ermittelt die Entfernungsmeßschal tung 40 zweckmäßigerweise einen Rechenwert der Parallaxe, der sich durch Überlagerung eines vorbestimmten Grundwerts bs auf die Parallaxe σ ergibt. Der Grundwert bs ist der Verschiebe wert an einem Punkt im Unendlichen, der zur Erfassung der Parallaxe verwendet wird. Der Rechenwert der Parallaxe wird nachfolgend als Parallaxe s bezeichnet.

Damit die Entfernungsmeßschaltung 40 die Parallaxe s ermitteln kann, kann einfach ein Refe renzpunkt, der zur Prüfung der Korrelationen zwischen den Fensterdatensätzen WD1 und WD2, während diese nacheinander verschoben werden, benutzt wird, gegenüber seiner Ursprungsposi tion am Beginn der Ermittlung versetzt wird. Die Parallaxe s, die auf diese Weise erhalten wird, wird in einem Speicher 51 in einem Prozessor 50 gespeichert, bei dem es sich um einen Mikrocomputer handelt, der für die erfindungsgemäße Korrektur der ermittelten Werte verwendet wird.

Wenn bei der Montage des Bildaufnahmemoduls 30 ein Fehler auftritt, führt dies zu einem Fehler in der Parallaxe σ und in der Neigung a in Fig. 2. Bei diesem Ausführungsbeispiel ermittelt die Entfernungsmeßschaltung 40 jedoch die Parallaxe s (d. h. den Rechenwert der Parallaxe), so daß der in der Parallaxe σ auftretende Fehler als im Grundwert bs des Rechenwerts auftretend angesehen werden kann; die Werte der Neigung a und des Grundwerts bs werden gemäß der vorliegenden Erfindung korrigiert.

Obwohl in einigen Fällen der Wert der Steigung a oder der Grundwert bs von einem Montagefeh ler des Bildaufnahmemoduls 30 nicht beeinflußt wird, sind in Fig. 1(a) sechs typische Montage fehler dargestellt, die diese Werte beeinflussen, wenn das Modul 30 den in der Figur gezeigten Aufbau besitzt. Ein erster Fehler ist ein Fehler E1 im Winkel des Substrats 23 für die Bildsensor anordnung um die y-Achse bei der Montage im Modul 30. Ein zweiter Fehler ist ein Fehler E2 im Winkel einer der Bildsensoranordnungen 20 um die y-Achse relativ zur anderen bei der Montage auf dem Substrat 23. Ein dritter Fehler ist der Versatz E3 der Montageposition einer der Bildsensoranordnungen 20 in Richtung der z-Achse. Ein vierter Fehler ist ein Fehler E4 im Montagewinkel des Substrats 23 um die x-Achse. Ein fünfter Fehler ist ein Fehler E5 im Montagewinkel einer der Bildsensoranordnungen 20 um die x-Achse. Ein sechster Fehler ist ein Fehler E6 seines Montagewinkels um die z-Achse. Die Werte dieser Fehler werden nachfolgend ebenfalls mit E1 bis E6 bezeichnet.

Solche Montagefehler verursachen Meßfehler Δa und Δbs im Wert der Steigung a und des Grundwerts bs, die von der Entfernungsmeßschaltung 40 erfaßt werden, und zwar abhängig von der Art des Montagefehlers. Da eine Beschreibung des Auftretens der Meßfehler Δa und Δbs für alle sechs Arten von Montagefehlern sehr kompliziert ist, soll ein Weg nur zur Abschätzung, wie die Meßfehler Δa und Δbs von dem ersten Fehler E1 verursacht werden, unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert werden.

Im oberen Teil von Fig. 3 ist eine Punktlichtquelle 1 gezeichnet, die die Mitte eines bestimmten Fensters innerhalb des Gesichtsfeldes des Bildaufnahmemoduls 30 anzeigt. Die Punktlichtquelle 1 liegt in einer Entfernung d von der optischen Einrichtung 10 in der Richtung eines Winkels θ gegenüber der z-Achse vor dem Modul 30 und in einem Winkel Φ (nicht dargestellt) in bezug auf die xz-Ebene. Der Winkel Φ wird zur Vereinfachung nicht berücksichtigt. Die Linsen 11 und 1 2 der optischen Einrichtung 10 empfangen Licht L1 bzw. L2 von der Punktlichtquelle 1 und erzeugen eine Abbildung auf der Lichtempfangsfläche der entsprechenden Bildsensoren 21 und 22. Wenn das Lichtaufnahmemodul nicht mit dem Montagefehler behaftet ist, ist die Lichtemp fangsfläche SF eine Ebene parallel zur x-Achse im Abstand der Brennweite f von den Linsen 11 und 12. Wenn jedoch ein Montagewinkelfehler E1 vorhanden ist, ist die Lichtempfangsfläche sf unter dem diesem Fehler entsprechenden Winkel E1 gegenüber der x-Achse geneigt, wie in der Figur dargestellt.

Die Positionen, an denen die Linsen 11 und 12 die Punktlichtquelle 1 abbilden, sind bezüglich der Lichtempfangsfläche SF mit P1 und P2 bezeichnet und bezüglich der Lichtempfangsfläche sf mit p1 und p2. Die Schnittpunkte der Geraden, die unter dem Winkel θ zur optischen Achse der Linsen 11 bzw. 12, den Mittelpunkt der Linsen 11 bzw. 12 durchsetzend verlaufen, mit der Lichtempfangsfläche SF sind mit R1 bzw. R2 bezeichnet, während die entsprechenden Schnitt punkte mit der Lichtempfangsfläche sf mit r1 bzw. r2 bezeichnet sind. Diese letzteren Schnitt punkte sind die Referenzpunkte, die zur Ermittlung der Parallaxe σ verwendet werden. Da jedoch bei diesem Ausführungsbeispiel die Entfernungsmeßschaltung die Parallaxe s (d. h. den Rechen wert der Parallaxe) einschließlich des Grundwerts bs ermittelt, erfolgt die Erfassung unter Verwendung derjenigen Punkte auf der Lichtempfangsfläche SF bzw. sf, die von den Schnitt punkten R1 und R2 bzw. r1 und r2 um eine Strecke entsprechend bs/2 nach innen versetzt sind (bs/2 ist dabei als Anzahl optischer Sensoren bzw. CCD-Elemente ausgedrückt).

Wenn der Abstand zwischen den Punkten P1 und R1 mit D1, der Abstand zwischen den Punkten p1 und r1 mit d1, der Abstand zwischen den Punkten P2 und R2 mit D2 und der Abstand zwischen den Punkten p2 und r2 mit d2 bezeichnet werden, stellt die Summe der beiden Abstände D1 + D2 die Parallaxe dar, wenn kein Winkelfehler E1 vorhanden ist. Ist ein Winkel fehler E1 vorhanden, dann ist die Parallaxe die Summe der beiden Abstände d1 + d2. Da die in Fig. 2 gezeigte Steigung a ein Proportionalitätskoeffizient der Parallaxe relativ zum Kehrwert der Entfernung d ist, kann ein in der Steigung a infolge des Winkelfehlers E1 möglicherweise auftretender Fehler durch Δa = (d1 + d2) - (D1 + D2) ausgedrückt werden. Die rechte Seite dieser Gleichung ist als trigonometrische Funktion der Entfernung d, der Basislänge b, der Brennweite f, des Winkels θ und des Winkelfehlers E1 kompliziert, kann aber genau ausgedrückt werden.

Da jedoch der tatsächliche Winkel θ und der Winkelfehler E1 relativ kleine Werte sind, wird der Fehler Δa in der Praxis zweckmäßigerweise durch eine Näherung ausgedrückt. Das heißt, der Fehler Δa der Steigung a läßt sich angenähert durch folgende einfache Gleichung ausdrücken:

Δa = 2(bf/h)E1θ.

Wenn man annimmt, die Entfernung d wird durch eine als Anzahl optischer Sensoren ausge drückte Parallaxe σ, das heißt d = bf/hσ, wie oben erwähnt, ausgedrückt, dann ergibt dies aufgelöst nach σ σ = (bf/h)(1/d), so daß die Steigung a in Fig. 2 ausgedrückt werden kann als a = bf/h. Wenn man dies in die obige Gleichung einsetzt, ergibt sich: Δa = 2aE1θ.

Ein Fehler in der Parallaxe σ tritt auf, weil wegen des Winkelfehlers E1 die Meßreferenzpunkte R1 und R2 zu den Punkten r1 bzw. r2 wechseln. Wenn man den Abstand zwischen den Punkten R1 und R2 mit D12 und den Abstand zwischen den Punkten r1 und r2 mit d12 bezeichnet, kann daher der Fehler Δbs für den Grundwert bs gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ausgedrückt werden als (d12 - D12)/h. Der Abstand D12 ist gleich der Basislänge b, und der Abstand d12 ergibt sich aufgrund der geometrischen Verhältnisse zu: b cosθ/cos (θ+E1). Somit kann der Fehler Δbs einfach ausgedrückt werden als Δbs = bE1θ, wenn man die Differenz zwischen D12 und d12 ermittelt und annimmt, daß sowohl der Winkel θ als auch der Winkelfeh ler E1 kleine Werte sind.

Die Gleichung für den Fehler Δa der Steigung a und die Gleichung für den Fehler Δbs für den Grundwert bs zeigen, daß keiner dieser Fehler von der Entfernung d zum Ziel 1 abhängt. In gleicher Weise lassen sich der Fehler Δa der Steigung a und der Fehler Δbs des Grundwerts bs für die anderen Montagefehler berechnen. Die Einzelheiten dieser Berechnung sind hier nicht wiedergegeben, nachfolgend sind nur die jeweiligen Ergebnisse für die beschriebenen sechs Fehlerarten aufgelistet:

Für den Winkelfehler E1, Δa = 2aE1θ, Δbs = bE1θ
Für den Winkelfehler E2, Δa = aE2θ, Δbs = fE2θ²
Für den Versatz E3, Δa = bE3/2, Δbs = E3θ
Für den Winkelfehler E4, Δa = aE4Φ, Δbs = 0
Für den Winkelfehler E5, Δa = aE5Φ, Δbs = fE5Φ
Für den Winkelfehler E6, Δa = 0, Δbs = fE6Φ.

In diesen Gleichungen ist der Winkel θ der Winkel in der xz-Ebene des der Punktlichtquelle 1 entsprechenden Fensters relativ zur Vorderseite des Bildaufnahmemoduls 30, und der Winkel Φ ist der Winkel zwischen der Richtung der Punktlichtquelle und der xz-Ebene.

Wie sich aus der voranstehenden Beschreibung ergibt, besteht zwischen den Fehlern Δa und Δbs der Meßwerte der Steigung a bzw. des Grundwerts bs bei keinem der Montagefehler eine Abhängigkeit von der Entfernung d. Die vorliegende Erfindung nutzt diese Eigenschaft zur Korrektur des Meßwerts für jedes Fenster abhängig lediglich von den beiden Winkelvariablen θ und Φ, die die Position des Fensters innerhalb des Gesichtsfeldes angeben. Fig. 1(c) zeigt aus einer typischen Richtung für Fenster W, wie die Fenster in einer zweidimensionalen Matrix innerhalb eines Gesichtsfeldes V_w mit quadratischem Umriß des Bildaufnahmemoduls 30 angeordnet sind. In dieser Figur sind die beiden Variablen θ und Φ als Koordinaten entsprechend der x und der y-Achse mit der Mitte des Gesichtsfeldes V_w als Ursprung dargestellt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Charakteristik des Fehlers Δa oder Δbs im Meßwert für jedes Fenster W innerhalb des Gesichtsfeldes V_w bezüglich des Montagefehlers El schließlich als Polynom mit den beiden Winkelvariablen θ und Φ ausgedrückt, die die Position des Fensters angeben. Zunächst ist eine charakteristische Funktion fn für den Fehler Δa der Steigung a wie folgt gegeben:

fn = p + qθ + rΦ.

Der Zusammenhang zwischen den Koeffizienten p, q und r und dem Montagefehler in diesem Polynom ist folgt:

p = b E3/2, q = 2aE1 + aE2, r = aE4 + aE5.

Eine charakteristische Funktion Fn für den Fehler Δbs des Grundwerts bs wird ausgedrückt in der Form:

Fn = Pθ + Qθ² + RΦ + SθΦ.

Die Koeffizienten P, Q, R und S in diesem Polynom sind:

P = bE1 + E3, Q = fE2, R = fE6, S = fE5.

Gemäß der Erfindung wird die charakteristische Funktion für den Fehler im Meßwert in der Praxis vorzugsweise durch ein Polynom zweiter oder geringerer Ordnung ausgedrückt.

Nachdem die Koeffizienten des Polynoms für die charakteristische Funktion fn bzw. Fn bestimmt wurden, kann der Meßwert für jedes Fenster W innerhalb des Gesichtsfeldes V_w korrigiert werden. Es ist allerdings nicht praktisch (und sehr schwierig), den Montagefehler E1 oder ähnliches zu messen. Daher sieht die vorliegende Erfindung vor, daß ein Testmusterbild in einer bestimmten Entfernung zu dem montierten Bildaufnahmemodul 30 angeordnet wird, um die Entfernung entsprechend des Bildes für mehrere Fenster W innerhalb des Gesichtsfeldes V_w (bei diesem Ausführungsbeispiel die Parallaxe s) zu ermitteln und dann anhand des Meßergebnisses die Werte der Koeffizienten in dem Polynom zu bestimmen, das eine Fehlercharakteristik repräsentiert. Das Testmuster sollte ein sich gleichförmig wiederholendes Muster, etwa vertikale Streifen aufweisen, und seine Entfernung zu dem Bildaufnahmemodul 30 muß nicht genau vorgegeben werden.

Als die Koeffizienten des eine Fehlerfunktion repräsentierenden Polynoms für ein tatsächliches Bildaufnahmemodul 30 bestimmten wurden, stellte sich heraus, daß die Koeffizienten in dem Polynom der charakteristischen Funktion fn für den Fehler der Steigung a sehr klein waren und somit der Fehler Δa praktisch vernachlässigt werden konnte. Solange die Entfernung für das Bild in jedem Fenster W als Parallaxe σ oder Rechenwert der Parallaxe s ermittelt wird, braucht somit der Fehler Δa der Steigung a nicht bestimmt zu werden. Die folgende Beschreibung beschränkt sich daher auf Prozeduren zur Bestimmung der Koeffizienten in einem Polynom, das den Fehler Δbs des Grundwerts bs ausdrückt, sowie auf die Verwendung der charakteristischen Funktion Fn der Korrektur des Meßwerts der Parallaxe s.

Beim Test des Bildaufnahmemoduls 30 sollte die Parallaxe s für eine Mehrzahl (im dargestellten Beispiel 25) typischer Fenster W in symmetrischer Verteilung bezogen auf die Mitte des Gesichtsfeldes V_w gemäß Darstellung in Fig. 1(c) ermittelt werden. Numerische Variablen i und j, die sich sowohl in positiver als auch in negativer Richtung ändern, werden zur Vereinfachung anstelle der Winkelvariablen θ und Φ als die Position des Fensters W innerhalb des Gesichtsfeldes V_w anzeigende Koordinaten benutzt. Unter Verwendung der Variablen i und j kann die charakte ristische Fehlerfunktion fn ausgedrückt werden als:

Fn = Pi + Qi² + Rj + Sÿ.

Der Koeffizient P in diesem Polynom ist der Einfachheit halber unter Verwendung derselben Symbole wie bei den vorigen Gleichungen ausgedrückt. Bei den numerischen Variablen i und j handelt es sich natürlich um ganze Zahlen, die sich bei dem in Fig. 1(c) dargestellten Beispiel mit 25 Fenstern W von -2 bis +2 ändern.

Genau genommen sollte zur Berechnung der vier Koeffizienten in dem Polynom Fn auf der Basis der für 25 Fenster W ermittelten Parallaxen s das Verfahren der kleinsten Quadrate verwendet werden. Nachfolgend wird jedoch eine einfachere Prozedur zur Bestimmung der Koeffizienten beschrieben. Zunächst werden die für die 25 Fenster W ermittelten Parallaxen s gemittelt, um die Differenz Δs zwischen diesem Mittelwert und dem jeweiligen Wert s der Parallaxe zu bestimmen. Da die 25 Fenster W symmetrisch bezogen auf die Mitte des Gesichtsfeldes V_w verteilt sind, und sich die Variablen i und j symmetrisch bezogen auf Null ändern, ergibt sich die Summe Σ Fn der Polynome Fn mit den Variablen i und j zugewiesenen ganzzahligen Werten innerhalb des obigen Bereichs durch einfache Berechnung zu 50Q, da die anderen Koeffizienten als Q, der Koeffizient von i², null sind. Somit kann durch Berechnen von ΣΔs entsprechend der Summe der Fehler Δs, die dem obigen Wert entsprechen, der Koeffizient Q ganz einfach aus der Gleichung Q = ΣΔs/50 ermittelt werden. Die Summe Σ Fn der Polynome für vier Fenster W, die diagonal oben rechts und diagonal unten links bezogen auf die Mitte des Gesichtsfeldes V_w liegen, ist 20Q + 18S, da nur der Koeffizient Q von i² und der Koeffizient S von ÿ übrigbleiben. Der Wert des Koeffizienten S der Variablen ÿ läßt sich leicht aus der Summe ΣΔs der Parallaxe s entsprechend dem obigen Wert und dem bekannten Wert des Koeffizienten Q berechnen.

Der Koeffizient P von i oder der Koeffizient R von j in dem Polynom Fn kann auf ähnliche und einfache Weise durch Bilden geeigneter Kombinationen berechnet werden, in denen die Werte der Koeffizienten P bis S in dem Polynom Fn für eine charakteristische Fehlerfunktion aus einer Mehrzahl von Meßwerten für typische Fenster W extrahiert werden, die symmetrisch innerhalb des Gesichtsfeldes V_w verteilt sind. Die Werte der Koeffizienten P bis S für die Variablen in dem Polynom Fn, das eine charakteristische Fehlerfunktion darstellt, die in obiger Weise bestimmt wurden, werden als speziell für das jeweilige Bildaufnahmemodul 30 geltende Werte permanent gespeichert. Eine solche Speicherung erfolgt beispielsweise in einem PROM als der Speicherein richtung 52 in dem Prozessor 50 in Fig. 1(b), so daß die Werte nach Bedarf zur Korrektur gemessener Entfernungswerte gemäß dem vorliegenden Verfahren verwendet werden können. Da die in oben beschriebener Weise gewonnen Koeffizienten den Variablen i und j zugeordnet sind, die die Position eines typischen Fensters angeben, sollten sie vor der Speicherung in Werte transformiert werden, die für die numerischen Variablen i und j geeignet sind, welche alle Fensterpositionen innerhalb des Gesichtsfeldes V_w spezifizieren können.

Nachdem die Werte der Koeffizienten P bis S in dem Polynom Fn für eine charakteristische Fehlerfunktion in oben beschriebener Weise berechnet und gespeichert wurden, kann die berechnete Parallaxe s für jedes Fenster W, die von der Entfernungsmeßschaltung 40 für ein tatsächlich innerhalb des Gesichtsfeldes V_w des Bildaufnahmemoduls 30 aufgenommenes Bild ausgegeben wird, unter Verwendung der in der Speichereinrichtung 32 gespeicherten Werte exakt korrigiert werden. Hierzu sollte eine Routine zur Implementierung einer Korrektureinrich tung 60 als Software in dem Prozessor 50 in Fig. 1(b) geladen werden. Die Korrektureinrichtung 60 berechnet den Fehler Δbs, der zur Korrektur für jedes Fenster W verwendet wird, indem das Polynom Fn mit den aus der Speichereinrichtung 52 ausgelesenen Werten der Koeffizienten P bis S und den Werten der numerischen Variablen i und j für das Fenster berechnet wird, und korrigiert dann einen Meßwert eines tatsächlichen Bildes durch Addieren oder Subtrahieren des Fehlers Δs zu bzw. von dem Meßwert. Die Korrektureinrichtung 60 korrigiert die Parallaxe σ als Index bzw. Maß für die Entfernung nachfolgender Gleichung:

σ = s-(bs + Δbs).

Nachdem der Fehler Δa der Steigung a bestimmt wurde, kann ein Meßwert der Entfernung d unter Verwendung der oben beschriebenen korrigierten Parallaxe σ zu einem sehr genauen Wert korrigiert werden:

d = (a + Δa)/σ.

Da aber, wie oben beschrieben, der Fehler Δa, ohne Probleme zu verursachen, vernachlässigt werden kann, kann die Entfernung d einfach berechnet werden als d = a/σ.

Obwohl bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der Aufbau des Bildaufnahmemoduls 30 gemäß Darstellung in Fig. 1(a) ist, treten bei anderen Modulaufbauten andere Montagefehler auf, und in solchen Fällen müssen andere Formen des Polynoms Fn oder fn zur Darstellung einer Fehlercharakteristik verwendet werden.

Das Verfahren zur Korrektur gemessener Entfernungswerte gemäß dieser Erfindung unterteilt das Gesichtsfeld eines Bildaufnahmemoduls in mehrere Fenster, die in matrixartiger Form angeordnet sind, um die Entfernung entsprechend dem Bild in jedem Fenster auf der Basis seiner Parallaxe zu bestimmen. Die Charakteristik eines Fehlers in der für jedes Fenster gemessenen Entfernung, der von einem Fehler bei der Montage des Moduls hervorgerufen wird, wird als ein Polynom mit einer vertikalen und einer horizontalen Variable ausgedrückt, die die Position des Fensters innerhalb des Gesichtsfeldes angeben. Die Entfernungen oder Parallaxen für mehrere Fenster werden ermittelt, nachdem ein Testmusterbild in einer bestimmten Entfernung dem Modul vorgesetzt wurde. Der Wert des Koeffizienten in jedem Term des Polynoms wird auf der Basis der Ergeb nisse der Messung zur Speicherung dieser Werte in der Speichereinrichtung bestimmt.

Wenn dann dieses Modul zur Messung tatsächlicher Entfernungen oder Parallaxen eingesetzt wird, wird gemäß der Erfindung der Meßwert für jedes Fenster dadurch korrigiert, daß zum Meßwert der Werts des Polynoms addiert bzw. Von ihm subtrahiert wird, wobei die gespeicher ten Werte der Koeffizienten und die Werte der beiden Variablen, die die Position des Fensters angeben, in das Polynom eingesetzt werden.

Die Erfindung hat folgende Vorteile:

(a) Es kann eine Korrektur ausgeführt werden, um nahezu vollständig die Auswirkung irgendeines Montagefehlers zu eliminieren, der in dem Bildaufnahmemodul auftreten kann, wodurch die Genauigkeit der gemessenen Entfernungs- oder Parallaxenwerte für alle Fenster innerhalb des Gesichtsfeldes garantiert ist.
(b) Unter Ausnutzung der Tatsache, daß ein Fehler in einem Meßwert, der von einem Modulmon tagefehler herrührt, unabhängig von der Entfernung ist und sich nur abhängig von der Position des Fensters innerhalb des Gesichtsfeldes ändert, drückt die Erfindung eine charakteristische Fehlerfunktion für die Korrektur schließlich als ein Polynom mit zwei die Position des Fensters innerhalb des Gesichtsfeldes angebenden Variablen aus. Somit kann der Koeffizient jedes Terms in dem Polynom leicht aus den Ergebnissen eines einfachen Tests bestimmt werden, um gemessene Entfernungswerte genau zu korrigieren.
(c) Der für jedes Modul verschiedene Wert des Koeffizienten in jedem Term des Polynoms, das zur Fehlerkorrektur von Montagefehlern verwendet wird, wird auf der Basis der Ergebnisse eines Tests bestimmt, bei dem jedes Bildaufnahmemodul einem Testmusterbild ausgesetzt wird. Somit kann eine für jedes Modul geeignete Korrektur für die Meßwerte vorgesehen werden, ohne daß Meßfehler tatsächlich gemessen werden müßten.

Die Ausführungsbeispiele der Erfindung, die die Parallaxe als Index oder Maß für die Entfernung verwenden und als charakteristische Fehlerfunktion ein Polynom zweiter oder kleinerer Ordnung verwenden, sind vorteilhaft insofern, als eine Korrektur leicht und genau für den Meßwert in jedem Fenster innerhalb des Gesichtsfeldes vorgesehen werden kann. Das Ausführungsbeispiel, das Entfernungen für mehrere symmetrisch relativ zur Mitte des Gesichtsfeldes verteilte Fenster während des Tests und auf der Basis der Ergebnisse der Ermittlung für ein geeignetes Fenster paar bestimmt, wobei der Wert des Koeffizienten jedes Terms in dem eine charakteristische Fehlerfunktion repräsentierenden Polynom bestimmt wird, ist vorteilhaft, weil es die Durchfüh rung des Tests und die Bestimmung der Koeffizienten auf relativ einfache Weise erlaubt.

Claims

1. Verfahren zur Korrektur des Meßwerts einer Entfernung oder eines entfernungsbezo genen Indexwerts, wobei der Meßwert aufgrund eines Bildes ermittelt wird, welches innerhalb eines Gesichtsfeldes mittels eines Bildaufnahmemoduls (1) aufgenommen wird, das ein Paar Bildsensoranordnungen (20), je mit mehreren Bildsensoren (21, 22) und einer optischen Einrich tung (11, 12), enthält, und der Meßwert aufgrund eines Montagefehlers des Bildaufnahmemo duls fehlerbehaftet ist, umfassend die Schritte:

(a) Unterteilen des Gesichtsfeldes des Bildaufnahmemoduls in mehrere nach Art einer zweidimensionalen Matrix angeordnete Fenster,
(b) Ermitteln eines Meßwerts einer Entfernung für jedes Fenster auf der Basis der Parallaxe zwischen einem von dem Paar Bildsensoranordnungen aufgenommenen Bildpaar in jedem Fenster, und
(c) Korrigieren des jeweiligen Meßwerts dadurch, daß zu dem Meßwert der Wert eines Polynoms mit einer vertikalen und einer horizontalen Variablen, die die Position des jeweiligen Fensters definieren, addiert wird, wobei das Polynom eine für eine Charakteristik irgendeines Fehlers im Meßwert für das jeweilige Fenster charakteristische Funktion repräsentiert, und die Koeffizienten des Polynoms für das Bildaufnahmemodul vorab bestimmt und gespeichert sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Koeffizienten des Polynoms die Schritte (a) und (b) bei Aufnahme eines Bildes eines in einer gegebenen Entfernung von dem Bildaufnahmemodul angeordneten Testmusters durchgeführt werden und die Koeffizienten auf der Basis der Meßergebnisse bestimmt und dann gespeichert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Testmuster ein sich gleichförmiges sich wiederholendes Muster ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt (b) Entfernungen für mehrere symmetrisch zur Mitte des Gesichtsfeldes verteilte Fenster gemessen werden und die Koeffizienten des Polynoms auf der Basis einer Kombination von aus den Meßergebnissen extrahierten Daten bestimmt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallaxe zwischen dem Bildpaar in jedem Fenster des Gesichtsfeldes ermittelt und direkt als Maß für die ermittelte Entfernung für das jeweilige Fenster benutzt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Polynom zweiter oder geringerer Ordnung ist.