DE69506174T2 - Nachtsichtsystem für Motorfahrzeuge - Google Patents

Nachtsichtsystem für Motorfahrzeuge

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Description

  • Diese Erfindung betrifft ein Nachtsichtverbesserungssystem für Kraftfahrzeuge und insbesondere ein solches System, welches eine Head-up-Display-Technologie enthält.
  • Es ist oft vorgeschlagen worden, Infrarot-Kameras zu verwenden, um Bilder einer Straße zu erzeugen, die warme Objekte wie Menschen, Tiere oder andere Quellen von Infrarot-Strahlung erkennen lassen. Dies hat den Vorteil, daß derartige Objekte nachts insbesondere dann nachgewiesen werden, wenn sie sich außerhalb der Reichweite der Fahrzeugscheinwerfer befinden. Derartige Systeme verwendeten typischerweise einen Videomonitor oder dergleichen, um die nachgewiesenen Objekte darzustellen. Ein herkömmlicher Monitor ist sperrig und schwierig an einem geeigneten Platz zum Betrachten anzuordnen, und er macht es für den Fahrer erforderlich, von der Straße wegzusehen, um das Infrarot-Bild zu beobachten. Das Bild wäre recht klein relativ zur realen Straßenszene, so daß einige Schwierigkeiten darin beständen, die Entfernungen der Objekte, die dargestellt werden, genau zu beurteilen. Wenn ein Objekt in der realen Szene nicht sichtbar ist, ist es somit schwierig, dessen Ort zu bestimmen.
  • Es ist auch bekannt, Head-up-Display-Techniken einzusetzen, um Instrumentenbilder oder Fahrzeugparameterdaten auf die Fahrzeugwindschutzscheibe oder eine andere Kombiniereinrichtung zu projizieren, so daß sich die Darstellung in oder unmittelbar benachbart der Sichtlinie des Fahrers befindet. Aufgrund des begrenzten Raumes, der für die erforderliche Bildquelle und Projektionsspiegel zur Verfügung steht, waren derartige Darstellungen recht klein relativ zur Straßenszene. Die WO-A- 89/03059 offenbart ein Head-up-Display, welches Instrumentenbilder unterhalb des normalen Blickfeldes des Fahrers während des Fahrens darstellt. Die GB-A-2 271 139 offenbart ein Head-up-Display, bei dem ein Infrarot-Bild der Geradeaus-Sicht des Fahrers von der tatsächlichen Szene überlagert wird.
  • Die vorliegende Erfindung strebt danach, ein verbessertes Nachtsichtsystem zu schaffen.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Nachtsichtsystem für ein Kraftfahrzeug geschaffen, wie es in Anspruch 1 spezifiziert ist.
  • Die bevorzugte Ausführungsform sorgt für eine verbesserte Nachtsicht durch Infrarot-Abbilden in der Sichtlinie eines Fahrzeugführers. Objektbilder werden von einer Infrarot-Quelle so dargestellt, daß sie ein Verhältnis von 1 : 1 zu realen Objekten, die vom Fahrer beobachtet werden, auf weisen.
  • Die vorliegende Erfindung umfaßt eine Infrarot-Kamera, die an einem Fahrzeug angebracht ist, um die Straße vor dem Fahrzeug zu betrachten und ein Videosignal zu erzeugen, welches das Wärmebild der Straße repräsentiert, ein Head-up-Display (HUD) mit einer Videodarstellung, die auf das Videosignal anspricht, und einen asphärischen Spiegel, um das Darstellungsbild auf die Fahrzeugwindschutzscheibe oder eine andere Kombiniereinrichtung zu reflektieren, so daß der Fahrzeugführer ein virtuelles Bild des Darstellungsbildes betrachten kann, welches sich vor dem Fahrzeug zu befinden scheint. Die optischen Parameter der Kamera und des HUD sind so gewählt, daß sie ein Verhältnis von 1 : 1 zwischen dem Bild und der realen Szene, die vom Fahrer beobachtet wird, bereitstellen.
  • Indem das Bild direkt im Sichtfeld des Fahrers plaziert wird, kann die reale Szene mit dem Bild überlagert werden. Dann werden warme Objekte vor dem Fahrzeug hervorgehoben, falls sie durch den Scheinwerferstrahl beleuchtet werden, und sie werden im richtigen Verhältnis zu beleuchteten Objekten selbst dann dargestellt, wenn sie sich außerhalb der Reichweite der Scheinwerfer befinden. Das Bild ist einige wenige Grad unter das primäre Blickfeld gerichtet, so daß das Infrarot-Bild gerade eben unterhalb der realen Szene erscheint. Letzterer Ansatz ist einfacher, da keine Bildregistrierung erforderlich ist, wie es für die überlagerten Bilder der Fall ist. Des weiteren kann aufgrund eines Bildverhältnisses von 1 : 1 die wirkliche Position eines warmen Objekts, das im HUD-Display gezeigt wird, leicht bestimmt werden.
  • In der Infrarot-Kamera werden aufgrund der hohen Kosten von infrarotgeeigneten Linsen fokussierende Spiegel für die Kameraoptik verwendet, und diese neigen dazu, eine Bildverzerrung einzuführen. In einem Design beispielsweise neigen ansonsten horizontale Linien dazu, an beiden Enden herunterzuhängen, so daß sie einen "herabhängende-Mundwinkel-Effekt" hervorrufen. Der asphärische Spiegel ist so entworfen, daß er diese Verzerrung korrigiert. Der asphärische Spiegel ist früher dazu verwendet worden, eine Verzerrung aufgrund der Windschutzscheibenkrümmung zu kompensieren, wobei jeder Stil von Windschutzscheibe einen maßgeschneiderten Spiegel erfordert. In dieser Ausführungsform berücksichtigt das Design des asphärischen Spiegels sowohl die Kameraverzerrung als auch die Windschutzscheibenverzerrung.
  • Der Videoprozessor ist vorzugsweise so ausgelegt, daß er gegebenenfalls in einen "Objektnachweis"-Modus gebracht werden kann, um lediglich die Signale der wärmsten Objekte auszuwählen, so daß diese Objekte dargestellt und andere Hintergrund-Objekte unterdrückt werden. Dies lenkt die Aufmerksamkeit des Fahrers auf die wärmsten Objekte, die im allgemeinen die wichtigsten sind, auf die aufmerksam zu machen ist. Jedoch kann durch Wahl des Fahrers ein Vollkontrastmodus eingesetzt werden, um die gesamte Infrarot-Information darzustellen.
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
  • Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines Nachtsichtverbesserungssystems ist, das in einem Fahrzeug angebracht ist,
  • Fig. 2 der Darstellungsabschnitt des Systems von Fig. 1 ist,
  • Fig. 3 eine Draufsicht einer Straßenszene ist, die eine Infrarot- Kamera-Sicht der Szene zeigt,
  • Fig. 4 eine Veranschaulichung einer Nachtsichtverbesserungs- Darstellung aus der Sicht des Fahrers ist,
  • Fig. 5 ein Blockdiagramm eines Kamera- und Darstellungsabschnitts des Systems von Fig. 1 ist, und
  • Fig. 6 eine graphische Darstellung von Videosignalen gemäß wählbaren Betriebsmodi ist.
  • Gemäß den Fig. 1 und 2 ist ein Fahrzeug 10 mit einem Nachtsichtgerät ausgerüstet, das eine vorn angebrachte Infrarot-Kamera 12 oder einen Infrarot-Sensor, die bzw. der ein standardmäßiges RS-170-Videoausgangssignal besitzt, einen Videoprozessor 14, der mit dem Ausgang der Kamera 12 verbunden ist, und ein Head-up-Display-(HUD-)System 16 umfaßt, welches eine Bildquelle oder Darstellung 18, die mit dem Ausgang des Videoprozessors verbunden ist, und einen asphärischen Spiegel 20 umfaßt, der das Darstellungsbild zur Fahrzeugwindschutzscheibe 22 reflektiert, wodurch ein virtuelles Bild 23 geschaffen wird, das vom Fahrzeugführer 24 betrachtet wird. Die Darstellung 18 schafft das Bild in Grautönen neu. Eine separate Kombiniereinrichtung kann anstelle der Windschutzscheibe verwendet werden. Das HUD 16 ist unter dem Fahrzeugarmaturenbrett 26 installiert, welches eine obere Öffnung für den Durchgang von Licht zur Windschutzscheibe aufweist.
  • Die Infrarot-Kamera 12 weist horizontal vorzugsweise ein Sichtfeld von etwa 12 Grad oder mehr und ein kleineres vertikales Feld im Bereich von 6-9 Grad auf. Während eine Kamera mit einem weiteren Winkel verwendet werden kann, sollte für einen optimalen Effekt lediglich der Bildabschnitt innerhalb des vorgeschriebenen Winkels dargestellt werden. Die horizontale Sicht der Kamera ist in Fig. 3 dargestellt, die das Fahrzeug auf einer zweispurigen Straße zeigt. Die Grenze der Scheinwerferreichweite ist durch die strichpunktierte Linie 28 gezeigt. Eine erste Person 30 ist in der Spur des Fahrzeugs innerhalb der Schweinwerferreichweite gezeigt, und eine zweite Person 32 ist außerhalb der Scheinwerferreichweite gezeigt.
  • Die Infrarot-Kamera 12 umfaßt ein Wahrnehmungselement, das bei Zimmertemperatur betreibbar ist (d. h. kryogene Kühlung ist nicht erforderlich) und eine fokussierende Optik, die Spiegel anstelle von Linsen verwendet. Die Kamera nimmt das Wärmemuster oder das Bild der Infrarot- Strahlung in ihrem Sichtfeld wahr. Vorzugsweise sollte die Kamera für Strahlung im mittleren Infrarot-Bereich oder von etwa 8-12 Mikrometer empfänglich sein. Da heiße Objekte mehr Infrarot-Energie abstrahlen als kühle Objekte, ergeben die heißen oder warmen Objekte stärkere Signale. Tiere, einschließlich Menschen, die warm sind, sind somit deutlich im Bild zu erkennen. Andere Wärmestrahler wie beispielsweise Fahrzeuglichter und Auspuffrohre oder Ampeln sind ebenfalls sehr gut zu erkennen. Indem diese Informationen dem Fahrzeugführer präsentiert werden, wird das direkte visuelle Bild der Straße und ihrer Umgebung vergrößert.
  • Ein weit verbreiteter Nebeneffekt von Kamera-Spiegel-Anordnungen ist eine gewisse Bildverzerrung, insbesondere ein Herunterhängen an jeder Seite des Bildes. Der Videosignalausgang von der Kamera zur Darstellung überträgt diese Verzerrung auf das Darstellungsbild. Um eine Fehlinterpretation der Darstellung durch den Fahrer zu vermeiden, ist es wünschenswert, diese Verzerrung zu korrigieren. Folglich ist der asphärische Spiegel 20 so geformt, daß er sowohl diese Verzerrung als auch jegliche Verzerrung, die von der Windschutzscheibenkrümmung hervorgerufen wird, kompensiert.
  • Der asphärische Spiegel 20 ist so positioniert, daß er das Bild auf die Windschutzscheibe 22 oder eine andere Kombiniereinrichtung projiziert, wo es zum Fahrer 24 als ein virtuelles Bild reflektiert wird, welches sich gerade eben vor dem Fahrzeug zu befinden scheint. Die Größe des Bildes ist konsistent mit der realen Szene, die vom Fahrer beobachtet wird. Wenn beispielsweise ein Objekt im realen Bild einen Winkel von einem Grad begrenzt, dann begrenzt das virtuelle Bild ebenfalls einen Winkel von einem Grad. Das Bild kann in der Windschutzscheibe niedrig oder gerade eben oberhalb des Endes der Scheinwerferreichweite liegen. Unter Verwendung einer Kamera mit einem 12-Grad-Sichtfeld (oder unter Verwendung eines 12-Grad-Abschnitts eines größeren Feldes) und einer LCD-Darstellung mit einer Breite von 81 mm, wurde in der Praxis durch eine 6-fach-Vergrößerung durch den asphärischen Spiegel ein virtuelles Bild mit einem 12-Grad-Sichtfeld geschaffen, wodurch ein Verhältnis von 1 : 1 zwischen dem Bild und der Szene der wirklichen Welt bereitgestellt wurde.
  • Fig. 4 repräsentiert das reale und das Darstellungsbild, das vom Fahrer gesehen wird, für den Zustand von Fig. 3. Das reale Bild 30' der Person 30, die durch die Fahrzeugscheinwerfer beleuchtet wird, ist für den Fahrer sichtbar, jedoch ist die Person 32 unsichtbar. Beide Figuren werden durch die IR-Kamera nachgewiesen und als virtuelle Bilder 30" und 32" unterhalb des realen Bildes 30' dargestellt. Das Bild 30" scheint von der gleichen Größe wie das Bild 30' zu sein. Somit wird der Fahrer hinsichtlich der Gegenwart der zweiten Person 32 auf der Straße vorgewarnt. Es hat sich herausgestellt, daß eine Lage der Darstellung am unteren Teil der Windschutzscheibe, wo der zentrale Strahl des Bildes sich 5 Grad unterhalb der Horizontalen befindet, sehr zufriedenstellend ist.
  • Wie in Fig. 5 gezeigt, koppelt der Videoprozessor 14 das Videosignal von der Kamera 12 an die LCD-Darstellung 18, die jeweils Steuerungen 38 unterworfen sind. Die Steuerungen sollten für den Fahrer durch Anbringen am Lenkrad oder an der Instrumententafel leicht zugänglich sein. Sprachaktivierung ist eine andere potentielle Technik für den Steuerungsbetrieb. Die Steuerungen können die Bildpolarität an der Kamera 12 auswählen, um heiße Objekte entweder als weiß oder als schwarz festzulegen. Der Vollkontrastmodus oder Objektnachweismodus kann am Videoprozessor 14 ausgewählt werden. Dies wird erreicht, indem der gesamte Signalbereich für Vollkontrast durchgelassen oder schwache (kalte) Signale unterdrückt werden, um lediglich die wärmeren Objekte darzustellen. Fig. 6 zeigt in durchgezogenen Linien, daß niedrige Eingangsvideosignale für den Objektnachweismodus unterdrückt werden, während der Vollkontrast, bei dem das gesamte Signal zur Darstellung 18 weitergegeben wird, in gestrichelter Linie gezeigt ist. Die Darstellung 18 wird gesteuert, um die Helligkeit einzustellen, die Bildposition einzustellen oder das Bild ein- oder auszuschalten.
  • Es ist somit ersichtlich, daß die beschriebene Ausführungsform eines Nachtsichtverbesserungssystems sowohl für eine sehr praktische Implementierung als auch für ein sehr flexibles System hinsichtlich der Art und Weise, wie das Infrarot-Bild in oder benachbart der Sichtlinie des Fahrers präsentiert wird, sorgen kann. Die 1-fach-Vergrößerung gestattet eine intuitive Einschätzung des virtuellen Bildes und des Verhältnisses von IR- Bildern zur Szene der wirklichen Welt, wodurch Straßeninformationen bereitgestellt werden, die normalerweise nicht zur Verfügung stehen, und diese in ihrer nützlichsten Form präsentiert werden.

Claims (4)

1. Ein Nachtsichtsystem für ein Kraftfahrzeug mit einer Infrarot-Kamera (12), die am Fahrzeug (10) angebracht ist, um eine Straßenszene vor dem Fahrzeug zu betrachten und ein Videosignal zu erzeugen, das ein Wärmemuster der Szene repräsentiert, und einem Head-up-Display (16), das an das Videosignal gekoppelt ist, um ein virtuelles Bild mit einem Größenverhältnis von Eins-zu-Eins zu Bildern in der realen Straßenszene zu erzeugen, die vom Fahrzeugführer betrachtet wird, wobei das Head-up-Display eine Kombiniereinrichtung (22) im Sichtfeld eines Fahrzeugführers (24), eine Videodarstellung (18) zum Emittieren eines auf dem Videosignal basierenden Bildes, und einen asphärischen Spiegel (20) umfaßt, der das emittierte Bild zum Betrachten durch den Fahrer als ein virtuelles Bild des Wärmemusters der Szene auf die Kombiniereinrichtung reflektiert, dadurch gekennzeichnet, daß das Head-up-Display das virtuelle Bild des Wärmemusters der realen Straßenszene mit einer Verschiebung von einigen Grad überlagert, so daß der Fahrer das virtuelle Bild des Wärmemusters unterhalb der realen Straßenszene beobachtet, um den Fahrer hinsichtlich der Gegenwart von Objekten außerhalb des sichtbaren Sichtfeldes des Fahrers vorzuwarnen.
2. Ein Nachtsichtsystem wie in Anspruch 1 beansprucht, bei dem das Head-up-Display das virtuelle Bild des Wärmemusters derart positioniert, daß es etwa 5 Grad unterhalb der Horizontalen zentriert ist.
3. Ein Nachtsichtsystem wie in Anspruch 1 oder Anspruch 2 beansprucht, bei dem das horizontale Sichtfeld des erzeugten virtuellen Bildes des Wärmemusters in der Größenordnung von 12 Grad liegt.
4. Ein Nachtsichtsystem wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, bei dem das Sichtfeld der Infrarot-Kamera im wesentlichen gleich dem des dargestellten virtuellen Bildes des Wärmemusters ist.
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