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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Nachtsichtsystem für Kraftfahrzeuge. Dieses Nachtsichtsystem
vom Infrarottyp erlaubt es, Bilder der vor dem Fahrzeug liegenden
Straßenszene
zumindest teilweise in Farbe zu erzeugen. Die Erfindung betrifft
auch ein Verfahren zur Anwendung dieses Systems.
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Die
Erfindung findet Anwendung auf dem Gebiet der Straßenfahrzeuge,
zum Beispiel Kraftfahrzeugen. Insbesondere findet sie Anwendung
auf dem Gebiet der Nachtsichtgeräte
für diese
Fahrzeuge.
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Stand der Technik
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In
Anbetracht der großen
Zahl an Straßenfahrzeugen
ist es erforderlich, diesen Fahrzeugen und ihren Fahrern zur Vermeidung
von Unfällen
die bestmögliche
Sicht auf die Straße
zu verschaffen. Insbesondere nachts ist es wichtig, dass der Fahrer die
vor ihm liegende Straße
sowie deren Straßenränder genau
genug erkennen kann. Anders ausgedrückt ist man aus Sicherheitsgründen darum
bemüht,
die Wahrnehmung der Straßenszene
bei Nacht durch den Fahrer zu verbessern.
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Hierfür existieren
Nachtsichtsysteme, bei denen eine Beleuchtungsvorrichtung nach Art
eines Scheinwerfers an der Fahrzeugfront ein Infrarotlichtbündel in
Richtung der Straße
aussendet. Dieses Infrarotlicht wird durch die einzelnen in der
Straßenszene
gelegenen Objekte reflektiert. Die Reflexion des Infrarotlichts
ist mehr oder weniger stark, je nach Art des Objekts und seiner
Entfernung zu der Beleuchtungsvorrichtung. Ein allgemein im Fahrzeug
angeordneter Infrarotsensor erfasst diese Infrarotstrahlen. Er liefert
dann ein Infrarotbild der vor dem Fahrzeug liegenden Straßenszene.
Ein derartiges System mit Emittieren von Infrarotstrahlen, Reflexion
dieser Strahlen und Erfassen der reflektierten Strahlen wird als "aktives System" bezeichnet. Es erlaubt
das Erfassen des nahen Infrarotlichts, das heißt der Strahlen mit einer Wellenlänge bis
zu 1100 nm. Ein Beispiel des mit einem aktiven System erzielten
Bildes ist in 1 dargestellt. Dieses Bild erlaubt
es, ein Fahrzeug mit einem Fußgänger auf
der Straßenseite neben
dem Fahrzeug zu erfassen. Allerdings ist es nicht möglich, festzustellen,
ob es sich bei den Lichtern des Fahrzeugs um die Front scheinwerfer
oder die Bremsleuchten des Fahrzeugs handelt. Es kann daher nicht
erkannt werden, in welcher Fahrtrichtung sich das Fahrzeug befindet.
In diesem Bild lassen sich auch helle Flecken auf der rechten Straßenseite feststellen.
Diese hellen Flecken scheinen Verkehrsschilder zu sein, es ist jedoch
nicht möglich,
die Aufschrift auf diesen Schildern zu erkennen.
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Es
existieren auch Systeme, die es erlauben, fernes Infrarotlicht zu
erkennen. Diese Systeme werden als "passive Systeme" bezeichnet. Bei diesen Systemen erfasst
ein Sensor das ferne Infrarotlicht, das heißt die Strahlen mit einer Wellenlänge von etwa
10 μm. Derartige
Systeme ermöglichen
nur das Erfassen von Infrarotstrahlen, die von den Objekten selbst
abgegeben werden. Mit anderen Worten, es handelt sich dabei um eine
Temperaturmessung der Elemente der Straßenszene. Bei einem derartigen passiven
System erfasst der Sensor die festgestellte Wärme als ein Infrarotlicht.
Ein Beispiel eines mit einem passiven System erzielten Bildes ist
in 2 dargestellt. Dieses Bild erlaubt das optische
Anzeigen eines ersten Fahrzeugs und weiter entfernt eines zweiten
Fahrzeugs mit Fußgängern in
dessen Nähe. Es
ist jedoch nicht möglich,
in diesem Bild festzustellen, ob es sich bei den Lichtern der Fahrzeuge
um Frontscheinwerfer oder Bremsleuchten handelt. Es ist demnach
unmöglich
zu ermitteln, in welcher Fahrtrichtung sich die Fahrzeuge befinden.
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Alle
diese Systeme haben Nachteile. Insbesondere können die passiven Systeme keine
kalten Objekte erkennen. Dieser Nachteil wird noch verstärkt, wenn
bewegliche Objekte, die sich mit dem Fahrzeug denselben Raum teilen,
nicht sichtbar sind. Dies ist insbesondere bei noch kalten Fahrzeugen der
Fall, die erst vor Kurzem gestartet wurden und deren Scheiben und
Rücklichter
sich noch nicht erwärmen
konnten. Der größte Teil
ferner Infrarotstrahlen, die von den Rücklichtern abgegeben werden, durchquert
nämlich
weder Kunststoff noch Glas. Ebenso wird durch das Aufleuchten der
Bremslichter, der Blinklichter oder des Warnblinklichts die Scheibe der
Leuchte nicht sofort erwärmt.
Für ein
passives System sind sie somit nicht erkennbar.
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Aktive
Systeme hingegen reagieren sehr gut auf Lichtquellen wie Fahrzeugrücklichter,
Straßenampeln
usw. Durch das Aussenden von Infrarotstrahlen blenden diese Lichter
den Sensor und erzeugen eine Art Lichthof um das Bild des betreffenden
Gegenstands herum, wodurch der Umriss des Objekts ungenau wird.
Diese Blendwirkung wird als "Blooming" bezeichnet.
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Mit
diesen aktiven oder passiven Systemen wird die Straßenszene
im Übrigen
mit Wellenlängen wahrgenommen,
die außerhalb
des sichtbaren Spektrums liegen und somit naturgemäß keine
Farbe aufweisen. Das mit diesen Systemen erzielte Bild der Straßenszene
ist demnach monochrom (das heißt schwarz-weiß) mit unterschiedlichen
Graustufen, wobei helle Bereiche Objekten entsprechen, die Infrarotstrahlen
emittieren oder reflektieren, und dunkle Bereiche Objekten entsprechen,
die keine Infrarotstrahlen emittieren oder reflektieren. Mit einem
Monochrombild ist es jedoch manchmal schwierig, genau festzustellen,
um welchen Objekttyp es sich handelt. In den Bildern der 1 und 2 ist
es zum Beispiel nicht möglich
zu erkennen, ob es sich um Scheinwerfer an der Fahrzeugfront oder
Rücklichter des
Fahrzeugs handelt. Ebenso ist es unmöglich, die Hinweise auf den
Verkehrsschildern zu entziffern.
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Aktive
oder passive Systeme versuchen diese Nachteile dadurch zu beheben,
dass sie das erfasste Bild vor dem Anzeigen bearbeiten. Eine dieser Bearbeitungen
besteht in einer invertierten Darstellung des Bildes. Diese invertierte
Darstellung ermöglicht
es, die als dunkel erkannten Objekte hell und die als leuchtend
erkannten Objekte als dunkel wiederzugeben. Ein Beispiel eines durch
invertierte Darstellung bearbeiteten Bildes ist in 3 dargestellt.
Bei diesem Beispiel erlaubt es die invertierte Darstellung, die
Straßenszene
optisch besser wiederzugeben, und vermittelt eine bessere Vorstellung
davon, was den einzelnen Objekten der Straßenszene entspricht. Bei diesem
Beispiel kann durch die invertierte Darstellung dargestellt werden,
dass das erste Fahrzeug entgegenkommt und dass das zweite Fahrzeug in
derselben Fahrtrichtung des Fahrzeugs, in dem das System installiert
ist, geparkt ist.
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Bei
einer anderen Bearbeitung des erfassten Bildes wird vorgeschlagen,
das Bild der Straßenszene
künstlich
zu kolorieren. Diese Bearbeitung besteht darin, jeder Graustufe
des erfassten Bildes eine künstliche,
willkürliche
Farbe zuzuordnen. Dieser Vorgang ist bei der Bildbearbeitung unter
der Bezeichnung "LUT-Anwendung" (Look-Up-Table) bekannt.
Das erzielte Bild wird als "Falschfarbenbild" bezeichnet, da die
auf dem Bild sichtbaren Farben künstliche
Farben sind, die nicht den realen Farben entsprechen. Zum Beispiel
kann die Farbe Rot einem kräftigen
Grauton zugeordnet sein, und die Farbe Blau einem sehr schwachen
Grauton. Die dazwischenliegenden Grautöne sind zwischen Rot und Blau
abgestuften Farben zugeordnet. Es versteht sich somit, dass beispielsweise
eine dem Sensor gegenüber
angeordnete Leuchte durch ein kräftiges
rotes Bild (kräftiger
Grauton) dargestellt werden würde. Allerdings
lässt sich
damit nicht feststellen, ob es sich um ein Abblendlicht eines Fahrzeugs
oder ein Bremslicht handelt. Es ist daher unmöglich, die in der Straßenszene
vor dem Fahrzeug befindlichen Objekte genau zu deuten. Anders ausgedrückt kann
durch die Kolorierung die Wahrnehmung eines Bildes durch das Anzeigen
von Informationen verbessert werden, die eine einfache monochrome
Anzeige nicht zu identifizieren erlaubt. Allerdings bleibt dies
ein Kunstgriff und berücksichtigt
in keiner Weise die realen Farben der Objekte. Bei Infrarot-Nachtsichtgeräten können sich
zum Beispiel Objekte mit derselben sichtbaren Farbe (zum Beispiel
Grün) im
Infrarotbereich vollkommen gegensätzlich verhalten. Das eine kann
leuchtend oder hell aufscheinen, da außer den ihm seine grüne Farbe
verleihenden Wellenlängen das
Objekt nahes Infrarotlicht reflektiert (aktives System) oder auf
Grund seiner Temperatur fernes Infrarotlicht emittiert (passives
System). Das andere kann dunkel erscheinen, da es nahes Infrarotlicht
absorbiert und auf Grund seiner geringen Temperatur kein fernes
Infrarotlicht emittiert.
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Aus
dem Dokument
US 6 150 930 ist
auch ein Nachtsichtsystem bekannt, das einen Silizium-Sensor verwendet,
der Strahlen sowohl im sichtbaren Bereich als auch im Infrarotbereich
erfasst und es erlaubt, Bilder zu erzielen, bei denen bestimmte Bereiche
stärker
hervorgehoben sind als andere.
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Darstellung der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es insbesondere die Nachteile der vorstehend dargelegten
Techniken zu beheben. Hierzu schlägt sie ein Nachtsichtsystem vor,
das es gestattet, ein farbiges Infrarotbild der vor dem Fahrzeug
liegenden Straßenszene
zu erzeugen. Hierzu schlägt
die Erfindung die Verwendung eines Farbsensors vor.
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Die
Erfindung besteht somit in einem System zum Erkennen einer Straßenszene
bei Nacht mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die
das Infrarotlicht abgebende Vorrichtung kann zum Beispiel aus einer
oder mehreren Glühlampen,
einer oder mehreren im Infrarotbereich arbeitenden Leuchtdioden
oder einer oder mehreren Laserdioden gewählt sein.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren gemäß Anspruch 5 zur Anwendung
des erfindungsgemäßen Nachtsichtsystems.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt,
wie bereits beschrieben, ein Beispiel einer Straßenszene, die durch ein herkömmliches
aktives System aufgenommen wurde.
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2 zeigt,
wie bereits beschrieben, ein Beispiel einer durch ein herkömmliches
passives System aufgenommenen Straßenszene.
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3 zeigt,
wie bereits beschrieben, ein Beispiel einer durch ein passives System
aufgenommenen und einer invertierten Darstellung unterzogenen Straßenszene.
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4 zeigt
ein Beispiel einer durch einen hochempfindlichen Monochromsensor
aufgenommenen Straßenszene.
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5 zeigt
ein Beispiel einer durch einen niedrigempfindlichen Farbsensor aufgenommenen Straßenszene.
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6 zeigt
ein Beispiel einer durch Zusammensetzen der Bilder aus 4 und 5 erhaltenen
Straßenszene.
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7 zeigt
schematisch das erfindungsgemäße Nachtsichtsystem.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Farbnachtsichtsystem. Dieses System umfasst
eine Vorrichtung zum Projizieren eines Infrarotlichts in Richtung
der Straßenszene
an der Fahrzeugfront und wenigstens einen Sensor zum Erfassen des
Bildes dieser Straßenszene,
wobei der Sensor ein Farbsensor ist. Mit anderen Worten, dieser
erste Sensor, der im oder am Fahrzeug platziert ist, ist ein Farbsensor,
der ein Farbbild der Straßenszene
zu erfassen vermag. Dieses Bild ist ein Bild mit realen Farben.
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Dieser
Farbsensor ist einem zweiten Sensor zugeordnet, der ein Monochromsensor
ist. Der Monochromsensor, bei dem es sich um einen hochempfindlichen
Infrarotsensor handelt, erfasst somit ein Infrarotbild der Straßenszene.
Gleichzeitig oder nahezu gleichzeitig erfasst der Farbsensor ein
Farbbild der Straßenszene.
Diese beiden Bilder, d. h. das Farbbild und das Infrarotbild, werden
anschließend miteinander
kombiniert, um ein einziges farbiges Infrarotbild der Straßenszene
zu bilden.
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Ein
Beispiel des erfindungsgemäßen Systems
ist schematisch in 7 wiedergegeben. Diese 7 zeigt
ein Kraftfahrzeug 10, das mit dem erfindungsgemäßen Nachtsichtsystem
ausgerüstet
ist. Das System umfasst eine Vorrichtung 11 zur Projektion
von Infrarotstrahlen bzw. einen Scheinwerfer. Wie in 7 dargestellt,
kann dieser Scheinwerfer zum Beispiel in einer der Frontleuchten
des Fahrzeugs montiert sein. Es kann auch in jeder Frontleuchte
des Fahrzeugs ein Scheinwerfer eingebaut sein. Der Scheinwerfer
kann auch in einer speziellen Aufnahme zum Beispiel zwischen den
beiden Frontleuchten des Fahrzeugs angebracht sein.
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Das
erfindungsgemäße System
umfasst auch einen Farbsensor 12. Dieser Farbsensor ist
mit einem Monochromsensor 13 kombiniert. In diesem Fall
sind die beiden Sensoren zusammengeschaltet, um synchron oder nahezu
synchron zu arbeiten. Die Bildverarbeitungsmittel, die der Einfachheit
halber in der Figur nicht dargestellt sind, sind mit den Sensoren
verbunden, um die von den Sensoren gelieferten Bilder zu verarbeiten.
Diese Verarbeitungsmittel können
elektronischer Art sein und zum Beispiel auf einer speziell für diese
Verarbeitung vorgesehenen Leiterplatte montiert sein. Sie können auch
vom Typ Datenverarbeitungsmittel sein, die zum Beispiel im Bordrechner
des Fahrzeugs integriert sind.
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Der
Monochromsensor ist so gewählt,
dass er für
die Strahlen, die er erfassen kann, insbesondere für Infrarotstrahlen
vor allem im nahen Infrarotbereich, eine hohe Empfindlichkeit aufweist.
Dieser Sensor ist monochrom, da die gegenwärtigen Monochromsensoren allgemein
deutlich empfindlicher sind als Farbsensoren. Ein hochempfindlicher
Sensor kann mit maximal tolerierter Blendung die meisten Informationen
erfassen. Es wird davon ausgegangen, dass ein Sensor auf Infrarot
sehr empfindlich reagiert, wenn er insbesondere Strahlen zwischen
800 und 1200 nm erfassen kann, insbesondere zwischen 850 und 1100
nm, zum Beispiel um etwa 1000 bis 1100 nm.
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Um
besser zum Ausdruck zu bringen, was einer solchen Empfindlichkeit
entspricht, lässt
sich folgendes Beispiel anführen:
Ein hochempfindlicher Sensor vermag eine Mindestwattzahl zu erfassen, die
zum Beispiel der von einem Baumstamm in 100 oder 200 m Entfernung
reflektierten Energie entspricht, auf den eine Lichtstärke von
einem oder mehreren Dutzend Watt in der Bandbreite von 800–1000 nm
gerichtet ist. Das von dem Monochromsensor erfasst Bild ist daher
sehr deutlich und enthält
die größtmögliche Anzahl
Informationen, allerdings ist es Blendwirkungen durch entgegengesetzte
Lichtquellen ausgesetzt.
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Die
Empfindlichkeit des Farbsensor hingegen ist nicht von vorrangiger
Bedeutung. Es kann daher ein Farbsensor verwendet werden, dessen
Empfindlichkeit geringer ist als die des Monochromsensors, zum Beispiel
10 bis 100fach geringer. Ein solcher als niedrigempfindlich bezeichneter
Farbsensor kann demnach ohne Blooming annä hernd 10 bis 100 Mal stärkere Strahlen
erfassen, als dies ein hochempfindlicher Sensor kann. "Blooming" bedeutet, dass ein
Bild einen Flecken aufweist, der gesättigt ist und der größer ist
als der der Abbildung der Lichtquelle auf dem Sensor. Zur konkreten
Veranschaulichung kann nochmals das bereits oben genannte Beispiel
des Baumstamms angeführt
werden, den ein als niedrigempfindlich bezeichneter Sensor zum Beispiel
nur in einer Entfernung von 30 Metern erfassen kann, während der
als hochempfindlich bezeichnete Sensor dies in einer Entfernung
von 100 Metern kann, wenn zwischen den beiden Sensoren ein Empfindlichkeitsverhältnis von
etwa 100 gewählt
wird (die Entfernung geht im Quadrat ein).
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Das
vom Farbsensor erfasste Bild darf praktisch keinerlei Blendung enthalten.
Alle starken Lichtquellen müssen
punktförmig
sein und dürfen
nahezu keinen Lichthof aufweisen. Auf diese Weise kann ein Bild
erzielt werden, das die realen Lichtquellen abbildet, ohne Fehlinformation
aufgrund der Blendung. Diese realen Lichtquellen werden dann in
Farbe dargestellt. Das erzielte Farbbild setzt sich im Wesentlichen
aus Farbflecken zusammen, die den Lichtquellen entsprechen.
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Das
Nachtsichtsystem basiert auf der Erfassung von zwei synchronen oder
nahezu synchronen Bildern ein und derselben Straßenszene mit deutlich unterschiedlichen
Belichtungsparametern, wobei
- – das eine
Bild so hell ist, wie es der Monochromsensor erlaubt, damit die
größtmöglichen
Anzahl Informationen erfasst wird, und
- – das
andere Bild wesentlich dunkler ist, damit nur die Elemente, die
das helle Bild zu blenden vermögen,
deutlich und in Farbe sichtbar sind.
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Ein
Beispiel eines hellen Bildes, das durch den Monochromsensor erfasst
wurde, ist in 4 dargestellt. Dieses Bild zeigt
die verschiedenen Elemente, die in der Straßenszene durch den hochempfindlichen
Sensor erfasst wurden. Unter diesen Elementen sind zwei Lichthöfe 1a und 1b,
ein dritter auf den Boden projizierter Lichthof 2, ein
Fußgänger 3, weiße Linien 8 und 9,
Schilder 4 und 5 und weiße Flecken 6a, 6b, 7 zu
erkennen.
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Ein
Beispiel eines dunklen Bildes, das durch den Farbsensor erfasst
wurde, ist in 5 dargestellt. Dieses Bild zeigt
ausschließlich
die Elemente, die in 4 die am stärksten blendenden Elemente waren.
Darunter sind die Lichthöfe 1a, 1b, 2 und 7 zu erkennen,
die schraffiert wiedergegeben sind, um die Farbe Gelb zu symbolisieren,
und die Schilder 4 und 5, die getüpfelt wiedergeben
sind, um die Farbe Rot zu symbolisieren. In einem realen Bild einer
Straßenszene,
das der aus 1 entspricht, würde das durch
den Farbsensor aufgenommene Bild gelbe Elemente und andere in Rot
zeigen. Verständlicherweise
können
in dem Bild auch alle anderen Farben erscheinen. Ist in der Straßenszene
zum Beispiel eine Ampel vorhanden, könnte das untere Lichtzeichen
im Bild Grün
und das mittlere Lichtzeichen Orange erscheinen.
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Das
dunkle Bild aus 5 erlaubt insbesondere, die
Aufschrift auf den Verkehrsschildern sichtbar zu machen. Man kann
somit erkennen, dass es sich um ein Stoppschild handelt.
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Das
helle monochrome Bild und das dunkle farbige Bild werden anschließend miteinander
kombiniert, um nur ein einziges Bild der Straßenszene zu bilden. Diese Verarbeitung
kann durch Mittelung der beiden Bilder erfolgen. Das heißt, es wird
zwischen jedem Pixel des Farbbildes und dem entsprechenden Pixel
des Monochrombildes eine Mittelung durchgeführt, um ein farbiges Infrarotbild
der Straßenszene zu
bilden. Dieses neue Bild umfasst sowohl die Informationen hinsichtlich
der durch das Farbbild gelieferten Farben als auch die durch das
Monochrombild gelieferten detaillierten Informationen.
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Das
Verschmelzen oder das Kombinieren des hellen Monochrombildes mit
dem dunklen Farbbild erlaubt es, ein sehr deutliches Bild der Straßenszene
zu erhalten (das dabei vollkommen blendfrei ist), bei dem die Lichtquellen
und die leuchtenden Objekte farbig sind.
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6 zeigt
ein Beispiel einer Straßenszene, das
durch Kombinieren eines hellen Monochrombildes mit einem dunklen
Farbbild erzielt wurde. Das heißt,
das Bild aus
6 ist ein Bild, das durch Kombination
des Bildes aus
4 mit dem aus
5 erhalten
wurde. Bei diesem Beispiel erfolgt die Kombination Pixel für Pixel
durch eine Mittelung der Bilder aus
4 und
5.
Diese Kombination kann jedoch auch auf andere Weise als durch Mittelung
erfolgen. Dies kann zum Beispiel ein gewichtetes Mittel sein oder
von der Art, wie in dem Patent beschrieben, das am 29. März 2002
in Frankreich unter der Nummer
02-04170 angemeldet
wurde.
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Dieses
kombinierte Bild der 6 zeigt sowohl die Elemente,
die in 4 nur wenig leuchtend waren, als auch die farbigen
Elemente aus 5. Auf diese Weise sind der
Fußgänger 3 und
die weißen
Linien 8 und 9 zu erkennen. Zu erkennen sind auch
die gelben Frontscheinwerfer 1a und 1b des entgegenkommenden
Fahrzeugs, der Wiederschein dieser Scheinwerfer am Boden 2 und
die roten Verkehrsschilder 4 und 5 mit der Aufschrift "Stop" auf dem Schild 4.
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In
einem anderen Beispiel einer Straßenszene könnte eine Ampel oder könnten die
Bremsleuchten oder die vorderen Scheinwerfer oder die Blinkleuchten
in dem Bild mit einer der realen Farbe der Scheinwerfer bzw. Leuchten
entsprechenden Farbe erscheinen. Der Fahrer kann daher sehr leicht
erkennen, um welche Art von Leuchten es sich dabei handelt, er kann
somit das Bild deuten und in Abhängigkeit
davon reagieren.
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Die
Erfindung kombiniert somit einen hochempfindlichen Schwarz-Weiß-Sensor
mit einem weniger empfindlichen Farbsensor.