Brevet FR2703173A1 — publié le 19940930

i La présente invention se rapporte à un procédé et à un dispositif de détection d'obstacles, embarqué sur un véhi- cule automobile. On connaît des systèmes de détection d'obstacles utilisant des capteurs d'images ou caméras, notamment de type CCD (c'est-à-dire "Charge Coupled Device", ou en français: "Dispositif à transfert de charge") Cependant, si une caméra permet d'obtenir une image en deux dimensions de la scène routière, elle ne donne pas directement de renseignement concernant la profondeur, c'est-à-dire la distance de l'obstacle au point de prise de vue situé dans le véhicule. Pour pallier cet inconvénient, on peut utiliser deux caméras et calculer la profondeur par un procédé de stéréo- vision, mais ce procédé est difficile à mettre en oeuvre. Outre le problème d'épipolarité se pose le problème de mise en correspondance, c'est-à-dire de l'appariement de chaque élément caractéristique de l'image de l'une des deux caméras avec l'élément correspondant de l'image de l'autre caméra. De plus, ce procédé demande, pour être robuste, des capaci- tés de calcul très importantes et est donc mal adapté aux systèmes embarqués Ces divers problèmes contribuent à un manque de précision et de fiabilité de ce procédé de stéréo- vision. La présente invention a pour but un système de détec- tion d'obstacles embarquable, notamment pour véhicule automobile, qui renseigne sur la distance de l'obstacle au véhicule tout en étant précis et fiable. A cet effet, le procédé selon l'invention est caracté- risé en ce qu'il consiste à détecter les obstacles coupant un plan P sensiblement parallèle au plancher du véhicule et passant par ce véhicule, et à définir, dans un repère lié au plan P, les coordonnées de chaque point d'intersection de ces obstacles avec le plan P. Le plan P peut couper le véhicule, soit dans sa partie supérieure, par exemple au niveau du rétroviseur intérieur, et être légèrement incliné vers le bas, soit dans sa partie inférieure, par exemple au niveau des projecteurs et être légèrement incliné vers le haut. De préférence, le procédé selon l'invention définit les coordonnées I et t de chaque point d'intersection des obstacles avec le plan P, l'origine des coordonnées étant située dans le véhicule. Le dispositif selon l'invention, pour la mise en oeuvre du procédé, est caractérisé en ce qu'il comporte un capteur d'images constitué d'au moins un objectif, un capteur matriciel, par exemple CCD, sur lequel se forme une image, et des moyens de traitement électronique de l'image couplés à des moyens d'information du conducteur du véhicule, l'objectif étant constitué d'une lentille ou d'une portion de lentille cylindrique dont l'axe est parallèle au plan du capteur matriciel et incliné par rapport au plan de symétrie du véhicule, ce capteur d'images étant placé dans le véhi- cule de façon que son champ se superpose au plan P. Selon une variante, la lentille cylindrique est rem- placée par une superposition de lentilles ou de portions de lentilles sphériques décalées les unes par rapport aux autres de sorte que leurs centres optiques soient sur un même axe parallèle au plan du capteur matriciel mais incliné par rapport à celui-ci. Les coordonnées Cf, Y et leurs barres d'incertitude sont déterminées par les relations suivantes: tg =_ + 1 i 8 d 2 2 d 3 = ad /(i + 1 i) 8 i 2-l A 1- ou: 8 est la résolution du capteur matriciel d est la distance entre l'objectif et le capteur matriciel a est la distance entre les projections, sur le plan P, des centres optiques extrêmes de l'objectif i est l'abscisse de l'intersection avec la première ligne de la matrice du capteur matriciel, du segment de droite qui constitue l'image du point dont les coordonnées sont recherchées, ce segment étant extrait au moyen d'un algorithme de traitement d'image. Li=j-i, j étant l'abscisse de l'intersection avec la dernière ligne de la matrice du capteur matriciel, du segment de droite qui constitue l'image du point dont les coordonnées sont recherchées, ce segment étant extrait au moyen d'un algorithme de traitement d'image. L'invention va maintenant être décrite plus en détail, en référence à un mode de réalisation donné à titre d'exem- ple et représenté par les dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma d'implantation du disposi- tif selon l'invention sur un véhicule, la figure 2 est un schéma de principe du dispositif selon 1 ' invention, la figure 3 représente les éléments du dispositif selon l'invention, la figure 4 représente une variante de la figure 3, la figure 5 représente le capteur matriciel des figures 3 et 4, la figure 6 représente schématiquement en vue de dessus le dispositif optique des figures 3 et 4, la figure 7 représente, en vue agrandie, un détail de la figure 5. Sur toutes ces figures, les éléments correspondants portent les mêmes repères. On se reportera tout d'abord à la figure 1 Cette figure montre un véhicule 1 muni d'un capteur d'images 2 selon l'invention Le capteur 2 est fixé sur la face arrière du rétroviseur intérieur du véhicule et est légèrement incliné vers le bas Le champ de ce capteur peut être assimilé, comme on l'expliquera plus loin, à un plan P coupant l'obstacle que constitue un véhicule 3 placé devant le véhicule 1. Si l'on se reporte à la figure 2, on voit que le capteur 2, qui détermine une origine O, couvre dans le plan P, un angle &' susceptible de couvrir toute la largeur de la route Le plan P coupe ici le véhicule 3 de la figure 1, situé sur le même axe longitudinal que le véhicule 1, ainsi qu'un véhicule 4 situé à droite du véhicule A. Plus précisément, le plan P coupe les véhicules 3 et 4 selon des segments de droite que l'on peut, si ces véhicules sont à une certaine distance du véhicule 1, assimiler à leur milieu, respectivement A et B Le dispositif selon l'inven- tion permet de déterminer l'angle C et la cote t de chaque point A et B dans un repère lié au plan P et ayant pour origine la demi-droite O t constituée par l'intersection du plan P avec le plan de symétrie du véhicule 1. On se reportera maintenant à la figure 3 sur laquelle on a représenté un point source S, qui pourrait être l'un des points A ou B de la figure 2, un objectif 5, un capteur matriciel 6 et des moyens 7 de traitement électronique (par exemple numérisation de l'image puis analyse de l'image numérique ou calcul électronique direct) couplés à des moyens 8 d'information du conducteur pour l'aide à la conduite de celui-ci Ces moyens 8 peuvent être des moyens visuels, les informations s'affichant par exemple sur un écran de visualisation intégré au poste de conduite et/ou sonores, tels qu'une alarme ou une voix artificielle. L'objectif 5 est constitué d'une superposition, dans un plan parallèle à celui du capteur 6, donc sensiblement vertical, de portions parallélépipèdiques de lentilles sphériques 5 a, 5 b,,5 i, 5 N décalées les unes par rapport aux autres de sorte que leurs centres optiques C a,,,C soient alignés sur un axe parallèle au plan i n du capteur matriciel 6 et incliné par rapport au plan de symétrie du véhicule 1 Sur la figure 3, on n'a représenté que 5 portions de lentilles mais on peut en superposer par exemple une vingtaine (n= 20). Le point source S a pour image par rapport à chacune des portions de lentilles 5 a à 5 n, un point-image Sa, Sb, Si, S Les centres optiques Ca à Cn étant alignés, les points-images Sa à Sn le sont aussi Ainsi, l'image sur le capteur 6 du point S est un segment de droite De même, tous les autres points sources, intersections d'obstacles avec le plan P ont pour image un segment de droite sur le capteur matriciel 6 Les moyens électroniques situés dans le boîtier interprètent ces images afin de déterminer les coordonnées (Y et t de chaque point source Ces coordonnées sont ensuite portées à la connaissance du conducteur, sous diverses formes, par les moyens 8 L'information concernant ces coordonnées peut être complétée ou remplacée par des informations concernant par exemple la présence ou non d'obstacles, la distance de ces obstacles au véhicule, la vitesse relative de ces obstacles par rapport au véhicule. D On se reportera maintenant à la figure 4, analogue à la figure 3 mais sur laquelle l'objectif est constitué d'une portion parallélépipédique de lentille cylindrique 5 ' dont l'axe est parallèle au plan du capteur matriciel 6 et est incliné par rapport au plan de symétrie du véhicule 1 Cette lentille cylindrique est analogue, du point de vue optique, à la superposition de portions de lentilles sphériques de la figure 3 En effet, si l'on suppose les lentilles de la figure 3 suffisamment petites, par un passage à la limite, ces lentilles sont assimilables à une lentille cylindrique. L'axe de la lentille cylindrique 5 ' est analogue à l'axe sur lequel sont alignés les centres optiques Ca à C N des portions de lentilles 5 a à 5 n On a repéré par C 1 et C 2 les deux centres optiques extrêmes de la lentille 5 ' L'image, sur le capteur 6, du point source S est, comme sur la figure 3, un segment de droite dont les extrémités sont les deux points-images S'1 et S' Pour plus de simplicité, on considérera désormais que l'on se trouve dans le cas de la figure 4, la transposition du mode de la figure 4 à celui de la figure 3 se faisant aisément en remplaçant C 1 et C 2 par Ca et Cn et Sl et 52 par S et Sn. On se reportera maintenant à la figure 5 sur laquelle on a représenté en détail le capteur matriciel 6 Sur un axe de coordonnées O'-c-, on a repéré par i et j les abscisses relatives par rapport à des origines O', respectivement O", des extrémités du segment de droite-image du point source S, c'est-à-dire des points-images 51 et 52 Le point O" est défini ci-après Les moyens électroniques 7 comportent des algorithmes de traitement d'image (à titre d'exemple non limitatif: extraction de contour suivie d'une transformée de HOUGH) permettant d'extraire parmi les différents segments de droite, le segment de droite relatif à chaque point source Pour chaque segment de droite, on extrait l'équation de ce segment et donc les abscisses i et j des points 51 et 52. Sur la figure 6, on a représenté schématiquement le capteur 2 en projection sur un plan perpendiculaire aux plans de la matrice 6 et de la lentille 5 ' La projection dans ce plan du capteur matriciel 6 est l'axe O'o et C'1 et C'2 sont les projections des centres optiques C 1 et C 2 On a désigné par a la distance C' C' et par d la distance entre 1 2 les droites C'1 C' et O':c, c'est-à-dire la distance entre la lentille et le capteur matriciel On a considéré que le point O de la figure 2 était confondu avec C' On a désigné par 6 la résolution du capteur matriciel 6, c'est-à-dire la distance inter-pixel On a désigné par So la projection du point S sur l'axe Oa, par O" la projection de C'2 sur l'axe O'c, par O"> un axe parallèle à l'axe O'7 tet par S"o la projection de S sur cet axe O"I'. On appelle > et/c les distances respectivement à l'axe O' et O " I" des projections sur l'axe O'c des impacts lumineux que constituent les points-images 51 et 52. En regardant notamment la figure 7, on peut écrire: 8 i 2 2 2 En considérant que l'impact lumineux a un diamètre d'l pixel, on peut écrire: > max > min 8 d'o: > = 8 (i + 1) + 8 2 2 On voit d'autre part sur la figure 6 que: tg C -= d d l l donc: tg L = A i + 1 )1 8 i I d 2 2 d I l I On voit encore sur la figure 6, en considérant les triangles OS S et OO'i O SS O'i o OS 00 ' soit So S / OS d On voit de même, en considérant les triangles C' S" 2 S et C'2 O"j, que: a + So S _ a + O C'2 S"o d d'o /t C'2 S = d (a + S S) / C'2 S"o o Or, on a vu que: A So S d OS O S S o Ci 252 o soit > C' 2 S" = d ( 505) Donc: (/ >)C'2 S"O = a d soit C'2 SO ad ad 2 Lo: x 8 X_ \ Posons: = ad d'o C' S" = 2 a O ô _ h ? si l'on considère que C' 2 S" est à peu près égal à 3 S on a 2 o a: DS Calculons 2 S min et Y max: m -2 a+ Ys min = j-i+l YS max = s 2 c j -i-1 2 moyen = 73 Smin +:Smax = 2 aL 1 + 1 2 2 -i+l ji-11 = 2 (j -i) -(j-i+l)(j-i-1)J d'o: js = 3 S moyen âS max ms min = 2 a lj-i + 2 a r 1 (j-i+l) ( j-i-l) 2 j-i-1 j-i+l = 2 a tj-i + 1 2 jj-i+l)(j-i-1) 2 (j-i+l)(j-i-1) = 2 a _ _ _ + tj-i+l)(j-i-1) (j-i+l)(j-i-1) En posant: ài = j-i l j ad Fai 1 l | Il 6 Lai 2-i A i 2-i J I I L'invention permet de localiser tous les obstacles coupant le plan P; elle s'applique particulièrement bien à la conduite automobile o la dimension verticale n'est pas très significative et o une dimension sensiblement hori- zontale suffit, ce qui permet l'utilisation d'un système optique à convergence horizontale tel que la lentille décrite ci-dessus Elle donne des résultats précis et fiables; en outre, elle n'utilise qu'un capteur d'images. L'invention permet de résoudre aisément le problème de mise en correspondance, c'est-à-dire de l'appariement des points images extrêmes (Sa et Sn ou 51 et 52) En effet, l'interéchantillonnage créé par la superposition de len- tilles entre les lentilles extrêmes ( 5 a et 5 n) ou par la lentille cylindrique inclinée, permet de relier ces points images extrêmes par un segment de droite qu'il est aisé d'extraire au moyen d'un algorithme de traitement d'image (à titre d'exemple non limitatif: extraction de contour suivie d'une transformée de HOUGH). il R E V E N D I C A T I O N S 1 Procédé de détection d'obstacles, notamment pour véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il consiste à détecter les obstacles coupant un plan P sensiblement parallèle au plancher du véhicule et passant par ce véhicule et à définir dans un repère lié au plan P, les coordonnées de chaque point d'intersection de ces obstacles avec le plan P. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le plan P coupe le véhicule dans sa partie supérieure, par exemple au niveau du rétroviseur intérieur de celui-ci, et est légèrement incliné vers le bas. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le plan P coupe le véhicule dans sa partie inférieure, par exemple au niveau des projecteurs, et est légèrement incliné vers le haut. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à définir les coordonnées fret t de chaque point d'intersection des obstacles avec le plan P, l'origine des coordonnées étant située dans le véhicule. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un capteur d'images cons- titué d'au moins un objectif, un capteur matriciel, par exemple CCD, sur lequel se forme une image, et des moyens de traitement électronique de l'image couplés à des moyens d'information du conducteur du véhicule, l'objectif étant constitué d'une lentille ou d'une portion de lentille cylindrique, dont l'axe est parallèle au plan du capteur matriciel et incliné par rapport au plan de symétrie du véhicule, ce capteur d'images étant placé dans le véhicule de façon que son champ se superpose au plan P. 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la lentille cylindrique est remplacée par une superposition de lentilles ou de portions de len- tilles sphériques décalées les unes par rapport aux autres de sorte que leurs centres optiques soient sur un même axe parallèle au plan du capteur matriciel mais incliné par rapport à celui-ci. 7 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 6 ou 7, caractérisé en ce que les moyens de traitement électronique déterminent les coordonnées tr et t par les relations sui- vantes: 8 (i +) - d 2 2 d = ad i + 1 8 Zaii 2 ai 2 _ 1 o 8 est la résolution du capteur matriciel d est la distance entre l'objectif et le capteur matriciel a est la distance entre les projections, sur le plan P, des centres optiques extrêmes de l'objectif i est l'abscisse de l'intersection avec la première ligne de la matrice du capteur matriciel du segment de droite qui constitue l'image du point dont les coordonnées sont recherchées, ce segment étant extrait au moyen d'un algorithme de traitement d'image i = j-i, j étant l'abscisse de l'intersection avec la dernière ligne de la matrice du capteur matriciel, du segment de droite qui constitue l'image du point dont les coordonnées sont recherchées, ce segment étant extrait au moyen d'un algorithme de traitement d'image. 8 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 5 à 7, caractérisé en ce que les moyens d'information du conducteur sont visuels, et comportent par exemple un écran de visua- lisation intégré au poste de conduite. 9 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 5 à 7, caractérisé en ce que les moyens d'information du conducteur sont sonores.