DE102012108316A1 - Rain recognizing device for use in vehicle, has camera including image sensor, and camera and illumination source formed and arranged in such manner that camera detects signal of monochrome light, with which disk illuminates source - Google Patents
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- B60S1/0833—Optical rain sensor
- B60S1/0844—Optical rain sensor including a camera
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion von Regentropfen auf einer Scheibe mittels einer Beleuchtungsquelle und einer Kamera. The invention relates to an apparatus and a method for detecting raindrops on a pane by means of a light source and a camera.
In der
In der
Bei einer Modulation von 100% bedeutet dies, dass ein Bild voll beleuchtet wird und das nächste Bild unbeleuchtet ist. Wenn sich die Szene zwischen den beiden Aufnahmen nicht ändert, wird durch die Subtraktion der beiden Bilder eine vollständige Reduktion der Hintergrundeinflüsse erreicht, so dass nur das von der Windschutzscheibe reflektierte Licht für die Auswertung übrig bleibt. With a modulation of 100%, this means that one image is fully illuminated and the next image is unlit. If the scene does not change between the two shots, the subtraction of the two images achieves a complete reduction in the background effects, leaving only the light reflected from the windshield for evaluation.
Die idealisierte Annahme eines unveränderten Hintergrundes zwischen zwei Aufnahmen trifft in der Praxis allerdings nur begrenzt zu. Beim Fahren, insbesondere bei Kurvenfahrten, tritt eine mehr oder weniger starke Veränderung des Hintergrundes auf, wodurch der Hintergrundeinfluss nur unzureichend kompensiert wird. Er überlagert sich dem eigentlichen Regensignal und kann daher zu Fehlauswertungen des Regensignals führen. Um Fehlauslösungen des Wischers zu vermeiden, kann zwar die Schwelle zur Detektion einer benetzten Windschutzscheibe mit ausreichend Toleranz versehen werden, dies führt aber unvermeidlich zu einem entsprechend unempfindlicheren Verhalten. However, the idealized assumption of an unchanged background between two shots only has a limited effect in practice. When driving, especially when cornering, a more or less strong change in the background occurs, whereby the background influence is compensated only insufficient. It is superimposed on the actual rain signal and can therefore lead to incorrect evaluations of the rain signal. In order to avoid false triggering of the wiper, although the threshold for detecting a wetted windshield can be provided with sufficient tolerance, but this inevitably leads to a correspondingly less sensitive behavior.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die genannten Schwierigkeiten der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen bzw. Verfahren zu überwinden. The object of the present invention is to overcome the stated difficulties of the devices or methods known from the prior art.
Ausgangspunkt der Lösung ist die Verwendung von Bildsensoren mit Farbfiltern. Weit verbreitet ist das Bayer Muster, das die drei Grundfarben Grün, Rot, Blau als Farbfilter in der bekannten Anordnung Rot-Grün-Grün-Blau verwendet. The starting point of the solution is the use of image sensors with color filters. Widely used is the Bayer pattern, which uses the three primary colors green, red, blue as a color filter in the familiar arrangement red-green-green-blue.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erkennung von Regen umfasst eine Kamera mit einem Bildsensor und Farbfiltern für Pixel des Bildsensors in mehreren Filter-Grundfarben und eine Beleuchtungsquelle zur Erzeugung von einfarbigem Licht einer ersten Filter-Grundfarbe. Das einfarbige Licht befindet sich in einem sichtbaren Wellenlängenbereich, der von der ersten Filter-Grundfarbe transmittiert wird und von den anderen Filter-Grundfarben geblockt wird. Die Kamera und die Beleuchtungsquelle sind derart ausgebildet und angeordnet, dass die Kamera ein Signal vom einfarbigen Licht erfassen kann, mit dem die Beleuchtungsquelle eine Scheibe beleuchtet. Insbesondere korreliert dabei das von der Kamera detektierte Signal mit an der Scheibeninnen- bzw. -außenseite und/oder am Regentropfen reflektierten und/oder gestreuten einfarbigem Licht der Beleuchtungsquelle. A device according to the invention for detecting rain comprises a camera with an image sensor and color filters for pixels of the image sensor in a plurality of filter basic colors and an illumination source for generating monochromatic light of a first filter base color. The monochromatic light is in a visible wavelength range, which is transmitted by the first filter base color and blocked by the other basic filter colors. The camera and the illumination source are designed and arranged such that the camera can detect a signal from the monochromatic light with which the illumination source illuminates a pane. In particular, the signal detected by the camera correlates with the monochromatic light of the illumination source reflected and / or scattered on the inside or outside of the disk and / or on the raindrop.
Die Kamera ist vorzugsweise hinter der Scheibe angeordnet, insbesondere im Inneren eines Fahrzeugs z.B. hinter einer Windschutzscheibe. Bevorzugt umfasst die Kamera einen Bildsensor, z.B. einen CCD- oder CMOS-Sensor, und ein Objektiv zur Fokussierung elektromagnetischer Strahlung auf den Bildsensor. Vorteilhaft ist die Kamera auf unendlich bzw. einen Fernbereich fokussiert, der vor der Scheibe liegt. The camera is preferably arranged behind the pane, in particular inside a vehicle e.g. behind a windshield. Preferably, the camera comprises an image sensor, e.g. a CCD or CMOS sensor, and a lens for focusing electromagnetic radiation on the image sensor. Advantageously, the camera is focused on infinity or a long range, which lies in front of the disc.
Die Beleuchtungsquelle zur Erzeugung von einfarbigem Licht richtet den mindestens einen Lichtstrahl bevorzugt derart auf die Scheibe, dass mindestens ein von der Außenseite der Scheibe reflektierter Strahl (bzw. Teilstrahl des auf die Scheibe gerichteten Lichtstrahls) auf die Kamera auftrifft, der vorzugsweise nicht von Teilstrahlen, die an der Innenseite der Scheibe reflektiert werden, überlagert auf die Kamera auftrifft. Die Beleuchtungsquelle kann als eine oder mehrere Leuchtdioden (LED) oder als ein Lichtband ausgebildet sein. Der Beleuchtungsreflex des mindestens einen auf die Kamera auftreffenden einfarbigen Strahls kann von der Kamera detektiert werden. The illumination source for generating monochromatic light directs the at least one Light beam preferably so on the disc that at least one of the outside of the disc reflected beam (or partial beam of the light beam directed onto the disc) impinges on the camera, which is preferably not superimposed on partial beams, which are reflected on the inside of the disc the camera hits. The illumination source may be formed as one or more light emitting diodes (LED) or as a light band. The illumination reflex of the at least one single-color beam impinging on the camera can be detected by the camera.
In einer bevorzugten Ausführungsform richtet die Beleuchtungsquelle den mindestens einen einfarbigen Lichtstrahl derart auf die Scheibe, dass die von der Innen- und Außenseite der Scheibe reflektierten Strahlen als mindestens zwei räumlich getrennte Strahlen auf die Kamera auftreffen. Es ist insbesondere für den an der Innenseite reflektierten Strahl nicht erforderlich, dass die Strahlen vollständig auf dem Bildsensor der Kamera abgebildet sind. Die einfarbigen Beleuchtungsreflexe der mindestens zwei auf die Kamera auftreffenden Strahlen können hierbei von der Kamera räumlich separat detektiert werden. Der (direkt) an der Innenseite der Scheibe reflektierte Strahl, der auf die Kamera auftrifft, dient hierbei bevorzugt als ein mögliches Referenzsignal, da die Lichtmenge dieses Strahls bei An- oder Abwesenheit von Regentropfen auf der Außenseite der Scheibe konstant bleibt. In a preferred embodiment, the illumination source directs the at least one single-color light beam onto the pane in such a way that the rays reflected from the inside and outside of the pane impinge on the camera as at least two spatially separated rays. In particular, for the beam reflected on the inside, it is not necessary for the beams to be completely imaged on the image sensor of the camera. The monochromatic illumination reflections of the at least two beams impinging on the camera can in this case be detected spatially separately by the camera. The (directly) reflected on the inside of the disc beam which impinges on the camera, this serves preferably as a possible reference signal, since the amount of light of this beam remains constant in the presence or absence of raindrops on the outside of the disc.
Ein Grundgedanke der Erfindung liegt darin, mit einfarbigem z.B. mit blauem Licht zu beleuchten. Dadurch wird erreicht, dass nur auf den entsprechenden (blauen) Pixeln ein Regen- oder Benetzungs-abhängiges Signal detektiert werden kann, da die roten und grünen Pixel für blaues Licht nicht transparent sind. A basic idea of the invention lies therein with monochromatic e.g. to illuminate with blue light. This ensures that only on the corresponding (blue) pixels, a rain or wetting-dependent signal can be detected, since the red and green pixels for blue light are not transparent.
Dies bietet den Vorteil, dass eine zeitgleiche Aufnahme des Hintergrundes durchgeführt wird, der aus den benachbarten nicht-blauen Pixeln pixelgenau ermittelt werden kann. This offers the advantage that a simultaneous recording of the background is carried out, which can be determined pixel-accurately from the adjacent non-blue pixels.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Erkennung von Regen mit einer Kamera, wobei die Kamera einen Bildsensor und Farbfilter für Bildpixel des Bildsensors in mehreren Filter-Grundfarben umfasst. The invention further relates to a method for detecting rain with a camera, wherein the camera comprises an image sensor and color filter for image pixels of the image sensor in a plurality of filter primary colors.
Von einer Beleuchtungsquelle wird einfarbiges Licht einer ersten Filterfarbe erzeugt. Mit dem einfarbigen Licht wird eine Scheibe derart beleuchtet, dass die Kamera ein Signal von diesem einfarbigen Licht erfassen kann. From a lighting source monochromatic light of a first filter color is generated. With the monochrome light, a pane is illuminated so that the camera can detect a signal from this monochromatic light.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Helligkeit eines ersten Bildsensorpixels der ersten Filter-Grundfarbe ermittelt. Zusätzlich werden die Helligkeiten der Pixel ermittelt, die das erste Bildsensorpixel umgeben und die eine andere als die erste Filterpixelfarbe aufweisen. Aus der ermittelten Helligkeit der Pixel, die das erste Bildsensorpixel umgeben und die eine andere als die erste Filterpixelfarbe aufweisen, wird eine Hintergrundhelligkeit des ersten Bildsensorpixels bestimmt. In an advantageous embodiment, the brightness of a first image sensor pixel of the first filter base color is determined. In addition, the brightnesses of the pixels surrounding the first image sensor pixel and having a filter pixel color other than the first one are determined. From the determined brightness of the pixels surrounding the first image sensor pixel and having a filter pixel color other than the first, a background brightness of the first image sensor pixel is determined.
Das erlaubt eine pixelgenaue Berücksichtigung des Hintergrundsignals. Dadurch wird eine deutlich verbesserte räumliche Auflösung des Benetzungssignals erreicht. This allows pixel-precise consideration of the background signal. As a result, a significantly improved spatial resolution of the wetting signal is achieved.
Bevorzugt wird gleichzeitig die Helligkeit der acht roten und grünen Pixel gemessen, die ein blaues Pixel umgeben. Deren Helligkeit wird ausschließlich durch den Hintergrund beeinflusst. Aus der Helligkeit dieser Pixel wird nun z.B. über Mittelwertbildung das Hintergrundsignal des blauen Pixels abgeschätzt. Alternativ kann der Rot- und Grünanteil noch unterschiedlich gewichtet werden, um eine bestimmte Spektralverteilung des Hintergrundes zu berücksichtigen. Preferably, the brightness of the eight red and green pixels surrounding a blue pixel is measured simultaneously. Their brightness is influenced exclusively by the background. From the brightness of these pixels is now e.g. estimated by averaging the blue pixel background signal. Alternatively, the red and green portions may be weighted differently to account for a particular spectral distribution of the background.
Dieser Hintergrundwert kann bevorzugt nochmals geeignet gewichtet werden, da nur der Blauanteil des Hintergrundes von dem Signal der blauen Pixel abgezogen werden soll. This background value can preferably be weighted appropriately again since only the blue component of the background is to be subtracted from the signal of the blue pixels.
Die Anteilsfaktoren für die geeigneten Gewichtungen können z.B. empirisch ermittelt werden. Es zeigt sich, dass für viele Szenarien mit einigermaßen gleichverteilten Spektralverteilungen der blaue Hintergrundanteil gut abgeschätzt werden kann. The proportion factors for the appropriate weights may be e.g. be determined empirically. It turns out that for many scenarios with fairly evenly distributed spectral distributions, the blue background ratio can be estimated well.
Überwiegt jedoch eine Farbe im Hintergrund, z.B. rot, so würde auch ein zu hoher Blauanteil für das blaue Pixel abgezogen werden. Eine derartige Verschiebung in der Spektralverteilung kann aber schon über das Rot- zu Grünverhältnis bestimmt werden und in der Gewichtung der Faktoren berücksichtigt werden. However, a color in the background, e.g. Red, so too high a blue component would be deducted for the blue pixel. However, such a shift in the spectral distribution can already be determined via the red to green ratio and taken into account in the weighting of the factors.
Zusätzlich können diese Gewichtungsfaktoren über eine weitere Messung im unbeleuchteten Zustand verifiziert oder entsprechend nachgeführt werden. Da diese Messung über zeitlich versetzte Aufnahmen geschieht, sollte hierfür sicher gestellt sein, dass sich der Hintergrund kaum oder nur wenig verändert (z.B. im Stand). Alternativ könnte über Bildverarbeitungstechnische Methoden der betrachtete Ausschnitt zeitlich verfolgt werden („Tracking“), um so einen möglichst unverfälschten Hintergrund für die Faktorenberechnung zu erhalten. In addition, these weighting factors can be verified via a further measurement in the unlit state or tracked accordingly. Since this measurement is done over time-shifted images, it should be ensured that the background hardly or only slightly changed (for example, in the state). Alternatively, the viewed section could be tracked over time by means of image processing techniques ("tracking") in order to obtain as undistorted as possible a background for the factor calculation.
Anstatt blaues Licht für die Beleuchtung zu verwenden, könnte vorteilhaft auch rotes Licht bei gleichem Pixel-Farbmuster verwendet werden. Die Berechnung des Hintergrundes verläuft dann analog über die blauen und grünen Pixel. Instead of using blue light for illumination, red light could be used to advantage for the same pixel color pattern. The calculation of the background then proceeds analogously over the blue and green pixels.
Bei einer alternativen Verwendung von grünem Licht als Beleuchtung müsste der Hintergrund aus den jeweils zwei blauen und zwei roten unmittelbar benachbarten Pixeln erfolgen. In an alternative use of green light as illumination, the background would have to be made up of the two blue and two red immediately adjacent pixels.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Verwendung von anderen Farbmustern anstelle des Bayer-Filters vorgesehen, konkret ist sogar ein Farbfilter mit nur zwei Grundfarben (z.B. rot und blau) für ein erfindungsgemäßes Verfahren ausreichend. In a preferred embodiment, the use of other color patterns is provided in place of the Bayer filter, more specifically, even a color filter having only two primary colors (e.g., red and blue) is sufficient for a method of the present invention.
Besonders vorteilhaft für eine gute, zeitgleiche Berücksichtigung des Hintergrundes, ist die Verwendung eines Farbmusters, bei dem eine Farbe eine hohe Transmission für die verwendete Beleuchtung aufweist und gleichzeitig die Beleuchtung auf den anderen Farbpixeln gut geblockt wird. Particularly advantageous for a good, simultaneous consideration of the background is the use of a color pattern in which one color has a high transmission for the illumination used and at the same time the illumination on the other color pixels is well blocked.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird eine Normierung eines aktuellen, hintergrundbereinigten Messsignals auf ein hintergrundbereinigtes Messsignal bei einer trockenen Scheibe durchgeführt. Die Normierung kann für jeden (z.B. blauen) Pixel insbesondere als Division der aktuellen, hintergrundbereinigten Intensität des Pixels durch die hintergrundbereinigte Intensität desselben Pixels bei trockener Scheibe erfolgen. Die hintergrundbereinigte Intensität bei trockener Scheibe kann im Rahmen einer Erstkalibrierung ermittelt und abgespeichert werden oder auch von Zeit zu Zeit automatisch nachkalibriert werden, wenn eine trockene Scheibe erkannt wird. According to a preferred embodiment of the invention, a normalization of a current, background-adjusted measurement signal is performed on a background-corrected measurement signal at a dry disc. The normalization may be done for each (e.g., blue) pixel, in particular, as a division of the current, background-cleaned intensity of the pixel by the background-corrected intensity of the same pixel on a dry slice. The background-corrected intensity for a dry slice can be determined and stored as part of an initial calibration, or it can also be recalibrated automatically from time to time if a dry slice is detected.
Ein unbeeinflusstes Referenzsignal (das einer trockenen Scheibe entspricht) kann auch jederzeit nach dem gleichen Verfahren aus dem Reflexbild von der Scheibeninnenseite (
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen näher erläutert. In the following the invention will be explained in more detail with reference to figures and exemplary embodiments.
Es zeigen: Show it:
Weit verbreitet als Farbfilter für Bildsensoren ist das in
Anhand von
Um eine zeitgleiche Aufnahme des Hintergrundes zu erreichen, wird mit blauem Licht beleuchtet. Dadurch wird erreicht, dass nur auf den blauen Pixeln (B, schraffiert) ein regen- oder benetzungsabhängiges Signal detektiert werden kann, da die roten (R) und grünen (G) Pixel für blaues Licht nicht transparent sind. To achieve a simultaneous recording of the background, it is illuminated with blue light. This ensures that only on the blue pixels (B, hatched) a rain- or wetting-dependent signal can be detected, since the red (R) and green (G) pixels are not transparent to blue light.
Gleichzeitig wird die Helligkeit der ein blaues Pixel umgebenden acht roten (R) und grünen (G) Pixel gemessen. In
Dieser Hintergrundwert wird nochmals geeignet gewichtet, da nur der Blauanteil des Hintergrundes von dem Signal der blauen Pixel (B) abgezogen werden soll. This background value is again appropriately weighted since only the blue portion of the background is to be subtracted from the signal of the blue pixels (B).
Diese Faktoren können z.B. empirisch ermittelt werden. Es zeigt sich, dass für viele Szenarien mit einigermaßen gleichverteilten Spektralverteilungen der blaue Hintergrundanteil gut abgeschätzt werden kann. These factors may be e.g. be determined empirically. It turns out that for many scenarios with fairly evenly distributed spectral distributions, the blue background ratio can be estimated well.
Überwiegt jedoch eine Farbe im Hintergrund, z.B. Rot, so würde auch ein zu hoher Blauanteil für das blaue Pixel (B) abgezogen werden. Eine derartige Verschiebung in der Spektralverteilung kann aber schon über das Rot- zu Grünverhältnis bestimmt werden und in der Gewichtung der Faktoren berücksichtigt werden. If, however, a color predominates in the background, for example red, an excessively high proportion of blue would also be subtracted for the blue pixel (B). However, such a shift in the spectral distribution can already be determined via the red to green ratio and taken into account in the weighting of the factors.
Zusätzlich können diese Gewichtungsfaktoren über eine weitere Messung im unbeleuchteten Zustand verifiziert oder entsprechend nachgeführt werden. Da diese Messung über zeitlich versetzte Aufnahmen geschieht, sollte hierfür sicher gestellt sein, dass sich der Hintergrund kaum oder nur wenig verändert (z.B. im Stand). Alternativ könnte über Bildverarbeitungstechnische Methoden der betrachtete Ausschnitt zeitlich verfolgt werden („Tracking“), um so einen möglichst unverfälschten Hintergrund für die Faktorenberechnung zu erhalten. In addition, these weighting factors can be verified via a further measurement in the unlit state or tracked accordingly. Since this measurement is done over time-shifted images, it should be ensured that the background hardly or only slightly changed (for example, in the state). Alternatively, the viewed section could be tracked over time by means of image processing techniques ("tracking") in order to obtain as undistorted as possible a background for the factor calculation.
Ein von einer Beleuchtungsquelle (
Bei dieser Ausführungsform wird der Hauptstrahl (h) der Beleuchtungsquelle (
Wenn wie hier dargestellt im Regenfall (
Durch den Vergleich der detektierten Beleuchtungsreflexe (
Die Kamera verfügt über einen Bayer-Farbfilter wie in
Wie in
Eine Signalverminderung aufgrund einer Benetzung der Scheibe mit Regentropfen ist abhängig von der Größe und Dicke der benetzten Fläche.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Kamera camera
- 2 2
- Scheibe disc
- 2.12.1
- Innenseite der Scheibe Inside of the disc
- 2.22.2
- Außenseite der Scheibe Outside of the disc
- 3 3
- Beleuchtungsquelle lighting source
- 4 4
- Regen, Regentropfen Rain, raindrops
- 5 5
- Bildsensor image sensor
- 6 6
- Regensensorbereich Rain sensor range
- 7 7
- Fahrerassistenzbereich Driver assistance area
- 8 8th
- Beleuchtungsreflex von Scheibeninnenseite Illumination reflex of the inside of the pane
- 9 9
- Beleuchtungsreflex von Scheibenaußenseite Lighting reflex from outside of window
- 10 10
- Signalveränderung bei Regentropfen Signal change in raindrops
- h H
- Strahl beam
- r1 r1
- Anteil von h, der an der Scheibeninnenseite reflektiert wirdProportion of h, which is reflected on the disk inside
- t1 t1
- Anteil von h, der an der Scheibeninnenseite transmittiert wirdShare of h, which is transmitted to the inside of the disk
- r2‘r2 '
- Anteil von t1, der an der Scheibenaußenseite reflektiert wird (bei Regen) Proportion of t1 reflected on the outside of the window (in rain)
- t2‘t2 '
- Anteil von t1, der an der Scheibenaußenseite transmittiert wird (bei Regen) Share of t1, which is transmitted at the outside of the window (in rain)
- R R
- Filterelement, das Licht im roten Wellenlängenbereich durchlässtFilter element that transmits light in the red wavelength range
- G G
- Filterelement, das Licht im grünen Wellenlängenbereich durchlässtFilter element that transmits light in the green wavelength range
- B B
- Filterelement, das Licht im blauen Wellenlängenbereich durchlässtFilter element that transmits light in the blue wavelength range
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- WO 2012/092911 A1 [0003, 0028] WO 2012/092911 A1 [0003, 0028]
- US 3971065 [0038] US 3971065 [0038]
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