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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen
eines dreidimensionalen Raumbereichs, mit den Schritten:
- – Bereitstellen
von zumindest einer ersten und einer zweiten Bildaufnahmeeinheit,
die mit einem gemeinsamen Sichtbereich auf den Raumbereich ausgerichtet
sind,
- – Definieren
von zumindest einem virtuellen Schutzbereich innerhalb des gemeinsamen
Sichtbereichs, so dass das Eindringen eines Fremdobjekts in den
virtuellen Schutzbereich ein Alarmsignal auslöst,
- – Aufnehmen
eines ersten Abbildes von dem Raumbereich mit Hilfe der ersten Bildaufnahmeeinheit
und Aufnehmen eines zweiten Abbildes von dem Raumbereich mit Hilfe
der zweiten Bildaufnahmeeinheit,
- – Vergleichen
des ersten und zweiten Abbildes, um zueinander disjunkte Bildbereiche
in dem ersten und zweiten Abbild zu identifizieren, und
- – Erzeugen
des Alarmsignals in Abhängigkeit
von den disjunkten Bildbereichen und dem virtuellen Schutzbereich.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Überwachen eines dreidimensionalen
Raumbereichs, mit zumindest einer ersten und einer zweiten Bildaufnahmeeinheit,
die mit einem gemeinsamen Sichtbereich auf den Raumbereich ausgerichtet
sind, wobei die erste Bildaufnahmeeinheit dazu ausgebildet ist,
ein erstes Abbild von dem Raumbereich aufzunehmen, und wobei die
zweite Bildaufnahmeeinheit dazu ausgebildet ist, ein zweites Abbild
von dem Raumbereich aufzunehmen, und mit einer Auswerteeinheit mit
einem Speicherbereich zum Abspeichern eines Datensatzes, der zumindest
einen virtuellen Schutzbereich innerhalb des gemeinsamen Sichtbereichs
definiert, wobei die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, ein Alarmsignal
in Abhängigkeit
von zumindest einem der Abbilder auszulösen, wenn ein Fremdobjekt in
den virtuellen Schutzbereich eindringt, und wobei die Auswerteeinheit
ferner dazu ausgebildet ist, das erste und zweite Abbild zu vergleichen,
um zueinander disjunkte Bildbereiche in dem ersten und zweiten Abbild
zu identifizieren.
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Ein
solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind aus
DE 100 49 366 A1 bekannt.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Absichern einer automatisiert arbeitenden Anlage,
von der eine Gefahr für
Personen oder andere Gegenstände
ausgeht. Beispielsweise kann es sich bei der automatisiert arbeitenden
Anlage um einen Roboter handeln, dessen Bewegungen eine Gefahr für Personen
oder Gegenstände
darstellen, die sich im Arbeitsbereich des Roboters aufhalten. Klassicherweise
werden solche automatisiert arbeitenden Anlagen mit Hilfe von mechanischen
Absperrungen, wie etwa Schutzzäunen,
Schutztüren
und dergleichen, und mit Hilfe von Lichtschranken und/oder Laserscannern abgesichert.
Der Arbeitsbereich der Anlage wird abgesperrt, so dass das Eindringen
einer Person oder eines anderen Fremdobjekts verhindert wird oder
zumindest detektiert wird. Im letztgenannten Fall führt die
Detektion zu einer Abschaltung der Anlage und/oder zu einer anderen
Sicherheitsreaktion.
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Lichtschranken,
Laserscanner und Schutzzäune
können
eine automatisiert arbeitende Anlage allerdings nur relativ weiträumig und
mit starren, weitgehend geradlinigen Begrenzungsflächen absperren.
Eine solche Absperrung benötigt
daher relativ viel Platz und sie ist außerdem unflexibel und aufwändig zu
installieren. Darüber
hinaus können
solche Absperrungen die Bedienbarkeit der Anlage erheblich beeinträchtigen,
was häufig
zu Manipulationen und daraus folgenden Unfallrisiken führt.
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Es
gibt daher seit einiger Zeit Bestrebungen, gefährliche Arbeitsbereiche von
automatisiert arbeitenden Anlagen mit Hilfe von kamerabasierten Überwachungsvorrichtungen
abzusichern.
WO 2004/029502
A1 offenbart eine solche Vorrichtung. Die bekannte Vorrichtung
weist drei Bildaufnahmeeinheiten auf, von denen jeweils zwei Bildaufnahmeeinheiten
ein Paar bilden. Die aufgenommenen Bildpaare werden mit Hilfe von
zwei algorithmisch unterschiedlichen Verfahren ausgewertet, um dreidimensionale
Bilddaten von dem überwachten
Raumbereich zu erhalten. Mit Hilfe dieser Bilddaten lassen sich
virtuelle Schutzbereiche um die überwachte
Anlage herum überwachen.
Die bekannte Vorrichtung ist allerdings noch nicht optimal, weil
sie eine relativ große Mindestentfernung
zwischen den Bildaufnahmeeinheiten und dem überwachten Raumbereich voraussetzt.
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Die
eingangs genannte
DE
100 49 366 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Überwachen
eines Raumbereichs mit Hilfe von zumindest einer ersten und einer
zweiten Bildaufnahmeeinheit, deren Sichtbereiche zumindest teilweise überlappend
ausgerichtet sind. Innerhalb des gemeinsamen Sichtbereichs wird
ein virtueller Schutzbereich überwacht.
Die Verwendung von zumindest zwei Bildaufnahmeeinheiten dient hier
dazu, Störfaktoren
im Nahbereich, wie etwa ein Insekt, das über das Objektiv einer der
Bildaufnahmeeinheiten läuft, zu
erkennen, um in Abhängigkeit
davon die Auslösung
eines Fehlalarms zu vermeiden. Dementsprechend ist bei der Vorrichtung
aus
DE 100 49 366
A1 vorgesehen, dass ein Alarmsignal nur dann erzeugt wird,
wenn ein Fremdobjekt gleichzeitig von beiden Bildaufnahmeeinheiten
erfasst und als alarmrelevant eingestuft wird. Zusätzlich kann
eine dreidimensionale Auswertung der aufgenommenen Bilder vorgesehen
sein, um Störeinflüsse bei
der Detektion von alarmrelevanten Objekten weiter zu reduzieren,
indem bspw. nur Objekte in einem festgelegten Entfernungsbereich
detektiert werden. Das bekannte Verfahren und die bekannte Vorrichtung
sind in der beschriebenen Form allerdings nicht geeignet, um den Arbeitsbereich
einer automatisiert arbeitenden Anlage mit der dafür erforderlichen
Fehlersicherheit abzusichern.
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Vor
diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen eines Raumbereichs anzugeben,
die eine erhöhte
Sicherheit bieten, so dass eine automatische Absicherung eines gefährlichen
Bereichs, wie etwa des Arbeitsbereichs einer automatisiert arbeitenden
Anlage, ermöglicht
wird. Es ist insbesondere eine Aufgabe, ein solches Verfahren und
eine solche Vorrichtung anzugeben, bei denen die Sicherheitsfunktion
durch Fremdobjekte im Nahbereich nicht gefährdet wird.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der
eingangs genannten Art gelöst,
bei dem das Alarmsignal erzeugt wird, wenn ein disjunkter Bildbereich
den virtuellen Schutzbereich verdeckt. Nach einem weiteren Aspekt
der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art gelöst,
bei der die Auswerteeinheit außerdem
dazu ausgebildet ist, das Alarmsignal zu erzeugen, wenn ein disjunkter Bildbereich
den virtuellen Schutzbereich verdeckt.
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Disjunkte
Bildbereiche sind Bereiche in dem ersten und zweiten Abbild, die
trotz des gemeinsamen (überlappenden)
Sichtbereichs auf den Raumbereich keine hinreichen den Korrelationen
aufweisen. Hinreichende Korrelationen ergeben sich jeweils dann,
wenn die zumindest zwei Bildaufnahmeeinheiten aufgrund ihres gemeinsamen
Sichtbereichs gleiche Objekte aufnehmen und erkennen können. Die Lage
und Form dieser Objekte kann in den zumindest zwei Abbildern variieren,
da die Sichtbereiche zwar überlappend,
jedoch nicht identisch sind. Es ergeben sich daher leicht unterschiedliche
Blickwinkel. Trotzdem kann mit Hilfe von Bildauswerteverfahren,
wie sie bspw. in der eingangs genannten
WO 2004/029502 A1 und
den dort angegebenen Veröffentlichungen
beschrieben sind, eine Korrelation zwischen den entsprechenden Bildbereichen
in den zumindest zwei Abbildern gefunden werden. Mit anderen Worten
lassen sich gleiche Objekte in den zumindest zwei Abbildern trotz
der leicht unterschiedlichen Blickwinkel identifizieren und einander
zuordnen. Enthält
jedoch ein Abbild einen oder mehrere Bildbereiche, für die sich
keine Korrelation im jeweils anderen Abbild finden lässt, ist
davon auszugehen, dass der entsprechende Bildbereich ein Objekt
zeigt, das im jeweils anderen Abbild nicht vorhanden oder zumindest
nicht erkennbar ist. Ein solcher Bildbereich wird im Rahmen der
vorliegenden Erfindung als disjunkter Bildbereich bezeichnet.
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Bei
dem neuen Verfahren und der neuen Vorrichtung löst ein disjunkter Bildbereich
in einem der Abbilder nicht per se ein Alarmsignal aus. Es wird zusätzlich geprüft, ob der
disjunkte Bildbereich den virtuellen Schutzbereich verdeckt, der
innerhalb des gemeinsamen Sichtbereichs der beiden Bildaufnahmeeinheiten
liegt und der mit Hilfe des neuen Verfahrens und der neuen Vorrichtung überwacht
wird. Ein disjunkter Bildbereich in einem oder beiden Abbildern löst also
kein Alarmsignal aus, wenn er den Blick der entsprechenden Bildaufnahmeeinheit
auf den definierten Schutzbereich nicht beeinträchtigt. Umgekehrt wird jedoch
das Alarmsignal sofort erzeugt, wenn der disjunkte Bildbereich den
virtuellen Schutzbereich verdeckt. Vorzugsweise wird das Alarmsignal auch
erzeugt, wenn ein disjunkter Bildbereich den virtuellen Schutzbereich
bereits teilweise verdeckt, wobei bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung Bildarbeitungsschritte beinhalten, die dazu führen, dass
ein disjunkter Bildbereich nur dann ein Alarmsignal auslöst, wenn
er eine definierte Anzahl an Bildpunkten (Pixel) in den Abbildern überdeckt,
so dass nicht bereits eine Überdeckung
in nur einem Pixel zum Erzeugen des Alarmsignals führt.
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Das
neue Verfahren und die neue Vorrichtung bieten eine erhöhte Sicherheit,
weil gewährleistet
ist, dass der virtuelle Schutzbereich „lückenlos" überwacht
wird, selbst wenn bspw. ein Schmutzteilchen, ein Insekt oder ein
anderes Fremdobjekt den Sichtbereich einer Bildaufnahmeeinheit im
Nahbereich beeinträchtigt.
Das neue Verfahren und die neue Vorrichtung bieten jedoch nicht
nur eine Nahbereichsüberwachung,
sondern sie gewährleisten auch,
dass jede Bildaufnahmeeinheit eine freie Sicht auf den Schutzbereich
erhält.
Insbesondere wird erkannt, ob ein Fremdobjekt die Sicht auf den
virtuellen Schutzbereich soweit beeinträchtigt, dass in seinem „Schatten" ein anderes Fremdobjekt
in den Schutzbereich eindringen könnte.
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Sobald
die freie Sicht auf den virtuellen Schutzbereich von einer der Bildaufnahmeeinheiten eingeschränkt ist,
wird das Alarmsignal erzeugt, mit dessen Hilfe dann eine überwachte
Anlage bspw. abgeschaltet oder anderweitig in einen gefahrlosen
Zustand versetzt werden kann. Andererseits werden unnötige Fehlabschaltungen
vermieden, weil nicht jeder disjunkte Bildbereich und damit nicht
jedes Fremdobjekt, das nur von einer Bildaufnahmeeinheit aufgenommen
wird, zu einer Sicherheitsabschaltung führt.
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Das
neue Verfahren und die neue Vorrichtung bieten gegenüber dem
aus
WO 2004/029502
A1 bekannten System eine erhöhte Erkennungssicherheit, weil
insbesondere der Nahbereich der Bildaufnahmeeinheiten in fehlersicherer
Weise überwacht wird.
Vorteilhafterweise basieren das neue Verfahren und die neue Vorrichtung
dabei auf dem Verfahren und der Vorrichtung aus
WO 2004/029502 A1 , so dass
auch bei dem neuen Verfahren und der neuen Vorrichtung zumindest
zwei algorithmisch unterschiedliche Verfahren zur Szenenanalyse
anhand der zumindest zwei Abbilder verwendet werden. Wenn zumindest
eines dieser Verfahren eine Fremdobjektdetektion im oder vor dem
Schutzbereich liefert, wird das Alarmsignal erzeugt.
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Das
neue Verfahren und die neue Vorrichtung besitzen auch eine wesentlich
höhere
Erkennungssicherheit als das Verfahren und die Vorrichtung aus
DE 100 49 366 A1 ,
weil eine lückenlose Überwachung
des virtuellen Schutzbereichs gewährleistet ist. Demgegenüber besteht
bei dem aus
DE 100
49 366 A1 bekannten System die Mög lichkeit, dass ein Fremdobjekt
im verdeckten Sichtbereich der einen Bildaufnahmeeinheiten in den
virtuellen Schutzbereich eindringen kann.
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Die
oben genannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird zumindest ein
erster Entfernungswert bestimmt, der für die räumliche Lage von zumindest einem
Fremdobjekt in den gemeinsamen Sichtbereich repräsentativ ist, und das Alarmsignal
wird ferner in Abhängigkeit
von dem ersten Entfernungswert erzeugt.
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In
dieser Ausgestaltung der Erfindung findet eine dreidimensionale
Bildauswertung statt, um die exakte Lage und Position von Objekten
im gemeinsamen Sichtbereich zu bestimmen. Eine solche dreidimensionale
Bildinformation ermöglicht
es, Schutzbereiche flexibler und situationsangepasster zu definieren
und zu überwachen.
Vorzugsweise findet eine konturbasierte und eine korrelationsbasierte
Bildauswertung von zumindest Bildpaaren statt, wie dies in
WO 2004/029502 A1 beschrieben
ist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung wird der erste Entfernungswert mit
Hilfe eines Laufzeitmessverfahrens bestimmt.
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Bei
einem Laufzeitmessverfahren wird die Laufzeit eines Signals, insbesondere
eines Lichtsignals, zu einem Fremdobjekt und zurück gemessen. Aus der bekannten
Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals lässt sich die Entfernung zu
dem Fremdobjekt bestimmen. Laufzeitmessverfahren sind eine sehr
kostengünstige
Möglichkeit,
um Entfernungsinformationen zu gewinnen und eine dreidimensionale Bildauswertung
zu ermöglichen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung wird der erste Entfernungswert anhand
eines stereoskopischen Vergleichs zwischen dem ersten und zweiten
Abbild bestimmt.
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Stereoskopische
Verfahren zur Bestimmung von Entfernungsinformationen ähneln der
Funktionsweise des menschlichen Auges, indem sie die Entfernung
zu einem Objekt anhand der sog. Disparität bestimmen, die sich in den
zumindest zwei Abbildern aufgrund der leicht unterschiedlichen Blickwinkel
ergibt. Es versteht sich, dass diese Ausgestaltung auch trinokulare
Verfahren und Vorrichtungen einschließt, d.h. diese Ausgestaltung
ist nicht auf die Verwendung von genau zwei Bildaufnahmeeinheiten
bzw. die Aufnahme von genau zwei Abbildern beschränkt. Die dreidimensionale Überwachung
eines Raumbereichs mit Hilfe eines stereoskopischen Verfahrens eignet sich
für die
bevorzugte Anwendung besonderes gut, weil redundante Systeme in
Bezug auf die Ein-Fehler-Sicherheit vorteilhaft sind. Ein stereoskopisches System
kann die mehrfach vorhandenen Bildaufnahmeeinheiten optimal nutzen.
Darüber
hinaus ist die vorliegende Erfindung bei stereoskopischen Systemen
besonders vorteilhaft, weil die Bestimmung des ersten Entfernungswertes
korrelierende Bildbereiche in den ersten und zweiten Abbildern voraussetzt.
Disjunkte Bildbereiche gefährden
daher die Bestimmung des ersten Entfernungswertes. Andererseits
lassen sich das neue Verfahren und die neue Vorrichtung in einem
stereoskopisch arbeitenden System relativ einfach und mit großen Synergieeffekten
integrieren. Wie bereits weiter oben erwähnt wurde, kommen als stereoskopische
Verfahren in dieser Ausgestaltung vorteilhafterweise eine konturbasierte
und eine korrelationsbasierte Bildauswertung redundant zum Einsatz.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der virtuelle Schutzbereich
anhand von zumindest einem zweiten Entfernungswert definiert, wobei
das Alarmsignal erzeugt wird, wenn der zweite Entfernungswert größer als
der erste Entfernungswert ist.
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Diese
Ausgestaltung ermöglicht
eine sehr schnelle Auswertung in Bezug darauf, ob ein Fremdobjekt
in den virtuellen Schutzbereich eingedrungen ist. Daher erleichtert
diese Ausgestaltung eine Auswertung in Echtzeit, was für den bevorzugten
Anwendungszweck von großem
Vorteil ist. Darüber
hinaus trägt
diese Ausgestaltung weiter dazu bei, den virtuellen Schutzbereich
lückenlos
zu überwachen,
weil ein Fremdobjekt, das zwar außerhalb des virtuellen Schutzbereichs
steht, jedoch den Blick der Bildaufnahmeeinheiten auf den virtuellen
Schutzbereich verdeckt, automatisch zur Erzeugung des Alarmsignals
führt.
Es versteht sich in diesem Fall, dass der Vergleich der ersten und
zweiten Entfernungswerte in Bezug auf jeweils gleiche Bildbereiche
(Pixel oder Pixelcluster) in jedem Abbild stattfindet, weil nur
dann ein Vergleich der Entfernungswerte ein sinnvolles Ergebnis
liefert.
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In
einer weiteren Ausgestaltung wird dem disjunkten Bildbereich ein
dritter Entfernungswert zugeordnet, der kleiner als der zweite Entfernungswert ist.
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Diese
Ausgestaltung ermöglicht
eine besonders einfache und effiziente Realisierung des neuen Verfahrens
und der neuen Vorrichtung, da die Auswertung des disjunkten Bildbereichs
nach demselben Prinzip erfolgt wie die Überwachung des virtuellen Schutzbereichs.
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In
einer weiteren Ausgestaltung werden das erste und das zweite Abbild
mit einer höheren
ersten Auflösung
aufgenommen und der Vergleich zum Identifizieren von disjunkten
Bildbereichen erfolgt anhand von modifizierten ersten und zweiten
Abbildern, die eine geringere zweite Auflösung besitzen.
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In
dieser Ausgestaltung werden das erste und das zweite Abbild verkleinert,
indem ihre Auflösung
reduziert wird. Der betrachtete Bildausschnitt bleibt jedoch gleich.
Diese Ausgestaltung ermöglicht eine
besonders schnelle Implementierung der Auswertung, was eine Echtzeitauswertung
weiter vereinfacht. Darüber
hinaus besitzt diese Ausgestaltung den Vorteil, dass geringfügige disjunkte
Bildbereiche unterdrückt
werden, so dass das Alarmsignal nur dann erzeugt wird, wenn der
disjunkte Bildbereich eine gewisse Mindestgröße überschreitet. Das Risiko von
Fehlalarmen wird damit reduziert. Die Verkleinerung der Auflösung kann
bspw. erfolgen, indem definierte, zusammenhängende Pixelbereiche mit mehreren
Pixeln durch einen einzigen, gemittelten Pixelwert ersetzt werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung werden das erste und das zweite Abbild
zumindest annähernd vollflächig verglichen,
um disjunkte Bildbereiche zu identifizieren.
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Alternativ
hierzu wäre
es grundsätzlich
denkbar, jeweils nur Ausschnitte aus dem ersten und zweiten Abbild
auf disjunkte Bildbereiche zu untersuchen. Demgegenüber werden
das erste und das zweite Abbild nach der vorliegenden Ausgestaltung in
praktisch allen Teilbereichen auf disjunkte Bildbereiche durchsucht,
selbst wenn dies nach der vorhergehenden Ausgestaltung bei einer
reduzierten Auflösung
erfolgt. Die Ausgestaltung bietet eine weiter erhöhte Erkennungssicherheit
gegenüber
einer auf lokale Teilbereiche begrenzten Suche nach disjunkten Bildbereichen.
In bevorzugten Ausgestaltungen werden mehr als 80 % des (auflösungsreduzierten)
Bildinhalts in jedem Abbild auf disjunkte Bildbereiche durchsucht,
vorzugsweise sogar mehr als 90 %.
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In
einer weiteren Ausgestaltung wird eine dritte Bildaufnahmeeinheit
bereitgestellt, um ein drittes Abbild von dem Raumbereich aufzunehmen,
wobei die erste, zweite und dritte Bildaufnahmeeinheit entlang von
zwei nicht-parallelen Geraden angeordnet sind und weitgehend parallel
zueinander liegende Sichtbereiche aufweisen.
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In
dieser Ausgestaltung spannen die zumindest drei Bildaufnahmeeinheiten
eine Ebene auf, wobei jeweils zwei der zumindest drei Bildaufnahmeeinheiten
eine stereoskopische Bildauswertung ermöglichen. Die Verwendung von
zumindest drei Bildaufnahmeeinheiten ist von Vorteil, um Entfernungswerte zu
beliebigen Objektkonturen innerhalb des überwachten Raumbereichs bestimmen
zu können.
Darüber
hinaus besitzt ein solches System inhärent eine weitere Redundanz,
was für
die bevorzugte Anwendung zum Absichern von automatisiert arbeitenden Anlagen
von Vorteil ist.
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In
besonders bevorzugten Ausgestaltungen erfolgt die Bildauswertung
und insbesondere die Suche nach disjunkten Bildbereichen trinokular,
d.h. es werden jeweils alle drei Abbilder miteinander verglichen.
Die Erkennungssicherheit wird auf dieser Weise noch weiter verbessert.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
vereinfachte Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung
zum Absichern einer automatisiert arbeitenden Anlage,
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2 eine
vereinfachte Darstellung eines Sensorsystems mit zumindest zwei
Bildaufnahmeeinheiten für
die Vorrichtung aus 1,
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3 eine
schematische Darstellung der Sichtbereiche der beiden Bildaufnahmeeinheiten
aus 2,
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4 die
Draufsicht auf ein trinokulares Sensorsystem gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der neuen Vorrichtung, und
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5 ein
Flussdiagramm zur Erläuterung
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
für das
neue Verfahren.
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel
der neuen Vorrichtung in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
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Die
Vorrichtung 10 beinhaltet eine Sensoreinheit 12,
die hier mit zwei separaten Bildaufnahmeeinheiten 14, 16 dargestellt
ist. In bevorzugten Ausführungsbeispielen
sind die beiden Bildaufnahmeeinheiten 14, 16 in
einem exakt definierten Abstand voneinander angeordnet und parallel
zueinander ausgerichtet, so dass eine stereo skopische, dreidimensionale
Bildaufnahme möglich
wird. In anderen Ausführungsbeispielen
können
die Bildaufnahmeeinheiten 14, 16 lediglich redundant
zueinander arbeiten, ohne dass eine stereoskopische Bildaufnahme
stattfindet.
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Die
Sensoreinheit 12 dient dazu, einen Raumbereich 18 zu überwachen,
in dem hier eine automatisiert arbeitende Anlage angeordnet ist,
von der eine Gefahr ausgeht. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die automatisiert arbeitende Anlage ein Roboter 20,
dessen Arbeitsbewegungen anhand von Pfeilen dargestellt sind. Aufgrund
der Bewegungsgeschwindigkeiten und bewegten Massen stellen die Bewegungen
des Roboters 20 eine Gefahr für Personen oder Gegenstände in dem
Raumbereich 18 dar. Die neue Vorrichtung und das neue Verfahren sind
jedoch nicht auf das Absichern von Robotern beschränkt. Es
können
auch Gefahrbereiche von anderen Anlagen, wie etwa Transportbändern oder
Montagezellen, abgesichert werden. Außerdem können die neue Vorrichtung und
das neue Verfahren auch zur Diebstahlsicherung etc. eingesetzt werden.
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Mit
der Bezugsziffer 22 ist eine Steuereinheit bezeichnet,
die über
eine Leitung 24 mit dem Roboter 20 verbunden ist.
Die Steuereinheit 22 erhält von der Sensoreinheit 12 über eine
Leitung 25 ein Alarmsignal bzw. Abschaltsignal, wenn aufgrund
der (bevorzugt dreidimensionalen) Bildaufnahme eine Gefahrensituation
erkannt wird. In Abhängigkeit
von diesem Alarm- bzw. Abschaltsignal setzt die Steuereinheit 22 den
Roboter 20 still. Darüber
hinaus kann die Steuereinheit 22 auch die Arbeitsbewegungen
des Roboters 20 steuern, wie dies den einschlägigen Fachleuten
per se bekannt ist. Alternativ hierzu können die Arbeitsbewegungen
des Roboters 20 von einer separaten sog. Standardsteuerung
gesteuert werden (hier nicht dargestellt). Die Steuereinheit 22 ist
in den bevorzugten Ausführungsbeispielen
eine fehlersichere Steuereinheit, wie sie bspw. von der Anmelderin
der vorliegenden Erfindung unter der Bezeichnung PSS® angeboten
wird.
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Mit
der Bezugsziffer 26 ist eine optionale Lichtquelle bezeichnet,
die dazu dient, den Raumbereich 18 zu beleuchten.
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Innerhalb
des Raumbereichs 18 ist ein virtueller Schutzbereich 28 dargestellt,
der eine unsichtbare Barriere bildet, um den Arbeitsbereich des
Roboters 20 abzusperren. Wenn eine Person 30 oder ein
anderes Fremdobjekt in den Schutzbereich 28 eintritt, wird
dies mit Hilfe der Sensoreinheit 12 erkannt und die Sensoreinheit 12 erzeugt
dann das Alarm- bzw. Abschaltsignal 25.
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Der
Schutzbereich 28 ist hier als virtueller Schutzbereich
bezeichnet, da er kein reales Hindernis, wie etwa ein Gitterzaun
oder eine andere mechanische Absperrung, darstellt. Stattdessen
wird der Schutzbereich 28 mit Hilfe der Sensoreinheit 12 virtuell
erzeugt, indem die Sensoreinheit 12 das Eindringen der
Person 30 in denjenigen Teil des Raumbereichs 18,
der dem Schutzbereich 28 entspricht, detektiert.
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Bei
den Bezugsziffern 32 sind zwei Referenzmarken dargestellt,
die auf dem Boden des Raumbereichs 18 angeordnet sind.
Die Referenzmarken besitzen ein definiertes Muster. Die Sensoreinheit 12 ist
dazu ausgebildet, mit Hilfe der Referenzmarken 32 Funktionstests
durchzuführen,
anhand derer bspw. überprüft wird,
dass die Sensoreinheit 12 den „richtigen" Raumbereich 18 überwacht. Des
Weiteren beinhalten die Funktionstests in bevorzugten Ausführungsbeispielen
eine Überprüfung auf unzulässig starke
Verschmutzungen, Nebelbildungen u.a., die eine sichere Überwachung
des Raumbereichs 18 gefährden
könnten.
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2 zeigt
die Sensoreinheit 12 in weiteren Details. Gleiche Bezugszeichen
bezeichnen dieselben Elemente wie zuvor.
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Jede
Bildaufnahmeeinheit 14, 16, beinhaltet einen Bildsensor 34 mit
einer Vielzahl von Pixeln 36. Der Bildsensor 34a der
ersten Bildaufnahmeeinheit 14 dient dazu, ein erstes Abbild 38 des
Raumbereichs 18 aufzunehmen. Der Bildsensor 34b der zweiten
Bildaufnahmeeinheit 16 nimmt ein zweites Abbild 40 des
Raumbereichs 18 auf. Das erste und das zweite Abbild 38, 40 ergeben
sich aus dem jeweiligen Sichtbereich 42, 44 der
beiden Bildaufnahmeeinheiten 14, 16, die in 2 schematisch
angedeutet sind. In bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die Sichtbereiche 42, 44 parallel zueinander
angeordnet, d.h. die optischen Achsen der Abbildungsoptiken der
Bildaufnahmeeinheiten 14, 16 verlaufen parallel.
Grundsätzlich
könnten
die beiden Bildaufnahmeeinheiten 14, 16 jedoch
auch nicht-parallel zueinander angeordnet sein, indem bspw. eine
elektronische Bildanpassung bei der nachfolgenden Bildverarbeitung
durchgeführt
wird.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
besitzt jede Bildaufnahmeeinheit 14, 16 eine Auswerteeinheit,
die hier anhand von zwei Prozessoren 46a, 46b mit
zugeordneten Speichern 48a, 48b dargestellt sind.
In anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen ist
die Auswerteeinheit getrennt von den beiden Bildaufnahmeeinheit 14, 16 angeordnet,
was den Vorteil besitzt, dass das „Auge" des Systems kleiner und leichter realisiert
und dementsprechend einfacher über
dem Raumbereich 18 montiert werden kann. Die Auswerteeinheit
kann in diesem Fall einfacher gekühlt werden und es steht mehr
Bauraum zur Verfügung.
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In
den Speichern 48a, 48b sind einerseits Programme
mit Programmcode gespeichert, mit dessen Hilfe die (bevorzugt stereoskopische)
Bildauswertung durchgeführt
wird. Darüber
hinaus ist in zumindest einem der Speicher 48a, 48b ein
Datensatz (hier nicht dargestellt) gespeichert, der für die Lage und
Ausdehnung des virtuellen Schutzbereichs 28 repräsentativ
ist. Es können
auch Datensätze
für mehrere
separate oder zusammenhängende
Schutzbereiche abgespeichert sein. In bevorzugten Ausführungsbeispielen
beinhalten diese Datensätze
zweite Entfernungswerte, die Entfernungen zwischen der Sensoreinheit 12 und
den Begrenzungsflächen
des jeweiligen virtuellen Schutzbereichs 28 repräsentieren.
Die Prozessoren 46a, 46b bestimmen zunächst erste
Entfernungswerte zu Objekten im Raumbereich 18, und sie überprüfen anschließend anhand
der ersten Entfernungswerte und anhand der zweiten Entfernungswerte,
ob sich ein Fremdobjekt 30 innerhalb eines überwachten
Schutzbereichs 28 befindet.
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Mit
einem Doppelpfeil
50 ist in
2 dargestellt,
dass die Prozessoren
46a,
46b Bilddaten und/oder
Auswerteergebnisse austauschen können, um
die stereoskopische Bildauswertung und/oder eine redundante Signalverarbeitung
zu ermöglichen. In bevorzugten
Ausführungsbeispielen
erfolgt die Auswertung der ersten und zweiten Abbilder mit Hilfe von
zwei unterschiedlichen dreidimensionalen Szeneanalyseverfahren,
wie dies in
WO 2004/029502
A1 beschrieben ist. In anderen Ausführungsbeispielen bestimmen
die Prozessoren
46a,
46b die ersten Entfernungen
anhand einer Laufzeitmessung. In diesen Ausführungsbeispielen besitzt die
Sensoreinheit
12 vorteilhafterweise eine oder mehrer Lichtquellen
56, die
ein zur Laufzeitmessung geeignetes Lichtsignal aussenden. Bei einer
stereoskopischen Bildauswertung können die Lichtquellen
56 entfallen.
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Die
Sensoreinheit 12 ist hier mit zwei redundant in Reihe zueinander
liegenden Schaltelementen 52a, 52b dargestellt.
Die Schaltelemente 52a, 52b werden von den Prozessoren 46a, 46b angesteuert, um
an einem Ausgang 54 ein Alarm- bzw. Abschaltsignal zu erzeugen,
das über
die Leitung 25 der übergeordneten
Steuereinheit 22 zuführbar
ist. Wenngleich die Schaltelemente hier als elektromechanische Schaltelemente 52a, 52b dargestellt
sind, kann es sich auch um elektronische Schaltelemente, bspw. um
MOS-Transistoren, handeln.
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Nachfolgend
wird anhand von 3 das Funktionsprinzip der Vorrichtung 10 in
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
erläutert.
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen weiterhin dieselben Elemente wie
zuvor.
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3 zeigt
die beiden Bildsensoren 34a, 34b, die eine Sensorebene 60 definieren.
Mit der Bezugsziffer 62 ist eine Ebene bezeichnet, die
durch die Eintrittspupillen der Abbildungsoptiken der beiden Bildaufnahmeeinheiten 14, 16 definiert
ist. Wie in 3 dargestellt ist, öffnen sich
die Sichtbereiche 42, 44 der beiden Bildaufnahmeeinheiten 14, 16 kegelförmig in
Richtung des Raumbereichs 18, wobei die jeweilige Kegelspitze
in der Ebene 62 der Eintrittspupillen liegt. Die Sichtbereiche 42, 44 überlappen sich
und bilden einen gemeinsamen, überlappenden Sichtbereich 64.
Objekte, die innerhalb des überlappenden
Sichtbereichs 64 angeordnet sind, werden auf beide Bildsensoren 34a, 34b abgebildet.
Im Gegensatz dazu wird ein Objekt 66, das außerhalb
des gemeinsamen Sichtbereichs 64 angeordnet ist, lediglich
auf denjenigen Bildsensor abgebildet (hier Bildsensor 34b),
in dessen Sichtbereich 44 sich das Objekt befindet. Das
Abbild des Objekts 66 ist in 3 mit der
Bezugsziffer 68 bezeichnet und hier lediglich zur besseren
Darstellung oberhalb der Sensorebene 60 gezeigt.
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Da
das Objekt 66 hier außerhalb
des Sichtbereichs 42 des Bildsensors 34a liegt,
ist das Abbild 68 bzw. ein dementsprechender Bildbereich
in dem Abbild 38 nicht enthalten. Das Abbild 68 enthält somit einen
disjunkten Bildbereich, der bei einem Vergleich der Abbilder 38, 40 keine
Korrelation hervorruft. Dies hat zur Folge, dass in dem Pixelbereich,
der von dem Abbild 68 auf dem Bildsensor 34b bedeckt
wird, keine stereoskopische Bildauswertung möglich ist. Die Sensoreinheit 12 ist
daher nicht in der Lage, in demjenigen Pixelbereich, der von dem
Abbild 68 überdeckt
wird, Entfernungswerte zu bestimmen. In Folge dessen kann die Sensoreinheit 12 auch
einen Teil des Schutzbereichs 28, der von dem Objekt 66 verdeckt
wird, nicht überwachen.
Wie nachfolgend anhand der 5 noch näher erläutert wird,
wird dem disjunkten Bildbereich 68 ein dritter Entfernungswert zugeordnet,
der so gewählt
ist, dass die Sensoreinheit 12 das Alarm- bzw. Abschaltsignal 25 erzeugt, wenn
der disjunkte Bildbereich 68 einen Teil des Schutzbereichs 28 verdeckt.
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In
bevorzugten Ausführungsbeispielen
der Erfindung wird nicht der gesamte überlappende Sichtbereich 64 als Überwachungsbereich
verwendet. Vielmehr erfolgt eine „echte" situationsabhängige Überwachung erst ab einer definierten
Mindestentfernung, die in 3 bei der
Linie 70 beginnt. Der Bereich zwischen der Linie 70 und
der Sensorebene 60 wird als Nahbereich 72 bezeichnet.
Innerhalb des Nahbereichs 72 erfolgt eine Bildauswertung
und Überwachung,
wie zuvor anhand des Objekts 66 erläutert wurde. Mit anderen Worten
wird einem Objekt, das sich zwar innerhalb des überlappenden Sichtbereichs 64,
jedoch in dessen „spitzen" Teil 74 befindet, ein
dritter Entfernungswert zugeordnet, der so bemessen ist, dass er
zur Erzeugung des Abschalt- bzw. Alarmsignals 25 führt, wenn
eine Überdeckung des
virtuellen Schutzbereichs 28 vorliegt.
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4 zeigt
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Sensoreinheit
12 (hier mit
12' bezeichnet) in einer Draufsicht
von vorne. Die Sensoreinheit
12' besitzt drei Bildauf nahmeeinheiten
14,
16,
76,
die in etwa L-förmig
zueinander angeordnet sind. Die Bildaufnahmeeinheiten
14,
16 sind
entlang einer ersten Geraden
78 angeordnet. Die Bildaufnahmeeinheiten
14,
76 sind
entlang einer zweiten Geraden
80 angeordnet. In den bevorzugten
Ausführungsbeispielen verlaufen
die beiden Geraden
78,
80 orthogonal zueinander
und die jeweiligen Paare
14,
16 bzw.
14,
76 sind
jeweils mit einer definierten Basisweite B voneinander beabstandet.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind die Bildaufnahmeeinheiten
14,
16,
76 an
einer vorzugsweise einstückigen,
verwindungssteifen Grundplatte
82 angeordnet, die die drei Bildaufnahmeeinheiten
14,
16,
76 in
den angegebenen Positionen dauerhaft fixiert. Ein bevorzugter mechanischer
Aufbau der Sensoreinheit
12' ist
in der nicht-vorveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung mit
den Aktenzeichen 10 2006 050 235.3 beschrieben.
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5 zeigt
ein Flussdiagramm zur Erläuterung
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
des neuen Verfahrens. Gemäß Schritt
88 werden
zunächst
der oder die virtuellen Schutzbereiche
28 definiert. In
bevorzugten Ausführungsbeispielen
des Verfahrens erfolgt dies mit Hilfe eines graphischen Konfigurationswerkzeugs,
wie es in der
deutschen Patentanmeldung
10 2005 063 217.3 beschrieben ist. Nach diesem Verfahren
kann der Bediener virtuelle Schutzbereiche
28 innerhalb
eines Echtbildes von dem Raumbereich
18, das mit Hilfe
der Sensoreinheit
12 aufgenommen wird, graphisch einzeichnen.
Das Konfigurationstool bestimmt dann zu den Pixeln, auf die der
virtuelle Schutzbereich
28 „abgebildet" wird, virtuelle
Entfernungswerte (zweite Entfernungswerte).
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Im Überwachungsbetrieb
werden gemäß den Schritten 90a, 90b zeitgleich
ein erstes und ein zweites Abbild mit Hilfe der zumindest zwei Bildaufnahmeeinheiten 14, 16 aufgenommen.
Gemäß den Schritten 92a, 92b werden
das erste und zweite Abbild korrigiert. Diese Korrektur kann eine
Korrektur des Fixed Pattern Noise, eine Rektifizierung und andere
Korrekturmaßnahmen
beinhalten. Gemäß den Schritten 94a, 94b werden
außerdem
modifizierte erste und zweite Abbilder erzeugt, bei denen die Auflösung jeweils
reduziert ist.
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Gemäß Schritt 96 werden
dann disjunkte Bildbereiche in den modifizierten Abbildern gesucht, indem
die modifizierten Abbilder miteinander verglichen werden. Etwaig
gefundenen disjunkten Bildbereichen werden gemäß Schritt 98 dritte
Entfernungswerte zugeordnet, die per definitionem kleiner sind als
die zweiten Entfernungswerte, die die Lage der Schutzbereiche 28 definieren.
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Anschließend erfolgt
gemäß Schritt 100 eine Überprüfung, ob
in einzelnen Pixeln oder Pixelbereichen der modifizierten ersten
und zweiten Abbilder die Bedingung „zweite Entfernungswerte größer dritte
Entfernungswerte" erfüllt ist.
Wenn dies der Fall ist, wird gemäß dem Abzweig 102 ein
Alarmsignal 104 erzeugt, weil dann ein disjunkter Bildbereich
einen Teilbereich des virtuellen Schutzbereichs 28 überdeckt.
Das Alarmsignal gemäß Schritt 104 kann
zum Abschalten der überwachten
Anlage führen,
wie dies weiter oben anhand 1 erläutert wurde.
Alternativ hierzu kann auch lediglich eine Warnmeldung ausgegeben
werden oder eine andere Sicherheitsfunktion ausgelöst werden.
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Führt die Überprüfung im
Schritt 100 für
alle Pixel oder Pixelbereiche zu dem Ergebnis, dass kein Schutzbereich 28 von
einem disjunkten Bildbereich überdeckt
ist, werden gemäß Schritt 106 Korrelationen
in den ersten und zweiten Abbildungen gesucht. Gemäß Schritt 108 werden
sog. Disparitäten
zu den gefundenen Korrelationen bestimmt. Anhand der Disparitäten werden
gemäß Schritt 110 erste
Entfernungswerte bestimmt, die für
die Entfernung eines Objekts im Raumbereich 18 relativ
zu der Sensoreinheit 12 repräsentativ sind. Gemäß Schritt 112 werden anschließend die
ersten und zweiten Entfernungswerte miteinander verglichen. Führt der
Vergleich zu dem Ergebnis, dass zweite Entfernungswerte, welche
die Lage eines Schutzbereichs 28 repräsentieren, größer sind
als erste Entfernungswerte im selben Pixelbereich, wird eine Verletzung
des Schutzbereichs 28 angenommen. Gemäß Schritt 104 wird dann
das Alarmsignal ausgelöst.
Führt die
Abfrage 112 zu dem Ergebnis, dass kein Schutzbereich 28 verletzt
ist, verzweigt das Verfahren gemäß Schritt 114 zu
den Schritten 90a, 90b, in denen die nächsten Abbilder
aufgenommen werden.
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Die
Bestimmung der ersten Entfernungswerte anhand von Disparitäten ist
in der schon erwähnten
WO 2004/029502 A1 sowie
in den dort erwähnten Veröffentlichungen
beschrieben. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf diese Veröffentlichungen
ausdrücklich
Bezug genommen.