Die Erfindung betrifft ein computerimplementiertes Verfahren zur Erstellung einer geometrischen Aufmerksamkeitszone in einem dreidimensionalen Raum.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, bildbasierte Verfahren einzusetzen, um die Aufmerksamkeit einer Person zu ermitteln, indem die Blickrichtung der Person analysiert wird. Dazu kann beispielsweise die Kopforientierung, oder auch die Augenstellung aus Fotos oder Videos der Person extrahiert werden. Durch Einordnung der Blickrichtung in vordefinierte Bereiche kann ein Aufmerksamkeitsgrad berechnet werden. Eine derartige Aufmerksamkeitsmodellierung wird vor allem im Automobilbereich, aber auch bei anderen Mensch-Maschinen-Anwendungen eingesetzt. In einem Fahrzeug kann damit festgestellt werden, ob Personen auf den Straßenverkehr achten, oder abgelenkt sind. In Geschäften kann eruiert werden, welche Produkte mehr oder weniger Aufmerksamkeit auf sich ziehen. In der Robotik kann die Blickrichtung einer Person zur Steuerung von Maschinen verwendet werden.

Zur Klassifizierung der Blickrichtung einer Person muss das Blickfeld der Person in Aufmerksamkeitszonen unterteilt werden. Nachdem diese Aufmerksamkeitszonen im dreidimensionalen Raum gültig sein müssen, werden sie üblicherweise mittels Polygonen im dreidimensionalen Raum definiert, umfassen also drei oder mehr definierte Punkte mit x-, y- und z-Koordinaten, die eine Fläche aufspannen. Nach Unterteilung des Blickfelds der Person in derartige Aufmerksamkeitszonen kann jede Blickrichtung der Person einer definierten Aufmerksamkeitszone zugeordnet werden. Ein Problem besteht jedoch darin, dass die Bildaufnahmeeinheit, welche die Blickrichtung der Person analysieren soll, zwangsläufig auf die Person selbst gerichtet sein muss, und somit das Blickfeld der Person nicht selbst aufnehmen kann. Soll das Blickfeld der Person ebenfalls aufgenommen werden, sind zwei oder mehr Bildaufnahmeeinheiten erforderlich.

Wird die Blickrichtung einer Person aus den Aufnahmen der Bildaufnahmeeinheit extrahiert, so ergibt sich außerdem das Problem, dass gleiche Blickrichtungen von unterschiedlichen analysierten Personen nicht zwangsweise bedeuten, dass diese Personen auch auf die gleichen Zonen im Raum blicken. Beispielsweise können Fahrer und Beifahrer in einem Fahrzeug identische Blickrichtungen haben, jedoch aufgrund ihrer unterschiedlichen Sitzpositionen völlig unterschiedliche Bereiche fokussieren.

Deshalb werden im Stand der Technik regelmäßig zusätzliche Sensoren verwendet, welche die Aufmerksamkeitszonen im Blickfeld haben und mit der Bildaufnahmeeinheit, welche die Person aufnehmen, verknüpft werden, sodass ein direkter geometrischer Zusammenhang zwischen der Blickrichtung der Person und den Aufmerksamkeitszonen hergestellt wird. Diese zusätzlichen Sensoren werden beispielsweise neben bzw. hinter der Person installiert, sodass Aufmerksamkeitszonen für jede einzelne Person definiert werden können.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, diese aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zu verbessern und insbesondere eine Erstellung von geometrischen Aufmerksamkeitszonen ohne die Verwendung zusätzlicher Sensoren zu ermöglichen.

Diese und andere Aufgaben der Erfindung werden durch ein computerimplementiertes Verfahren sowie eine Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.

Ein erfindungsgemäßes computerimplementiertes Verfahren zur Erstellung einer geometrischen Aufmerksamkeitszone für zumindest eine Person in einem dreidimensionalen Raum verwendet eine einzige im Raum angeordnete Bildaufnahmeeinheit, eine Datenverarbeitungseinheit, eine Datenbank und eine Anzeigeeinheit. Bei dem dreidimensionalen Raum kann es sich um den Innenraum eines Fahrzeugs handeln; das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht auf Fahrzeuge beschränkt.

Die Bildaufnahmeeinheit, Datenverarbeitungseinheit und die Datenbank können vorzugsweise zur Gänze in einem Fahrzeug angeordnet sein. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Datenverarbeitungseinheit und die Datenbank im Fahrzeug angeordnet sind und über eine Schnittstelle, beispielsweise eine drahtlose Verbindung, mit einem externen Server, beispielsweise einem Server im Internet, kommunizieren, auf dem sich gegebenenfalls eine Datenbank mit vorab hinterlegten und/oder laufend ergänzten Referenzdaten befindet, die zur Verarbeitung der aufgenommenen Daten herangezogen werden.

Bei der Bildaufnahmeeinheit kann es sich um eine Foto- oder Videokamera handeln, die dazu ausgebildet ist, zwei- oder dreidimensionale Fotos oder Videos aufzunehmen. Insbesondere kann es sich um eine ToF (Time-of-Flight) Kamera oder dergleichen handeln. Die Verwendung einer ToF-Kamera erleichtert die robuste Erkennung von Personen und die Extraktion der Blickrichtung. Aber auch eine herkömmliche 2D- Kamera kann in Kombination mit einem vorab gespeicherten 3D-Modell der Person bzw. des Gesichts der Person eine robuste Extraktion der Blickrichtung aus 2D- Einzelbildern ermöglichen. Die Bildaufnahmeeinheit kann vorzugsweise derart in einem Fahrzeug angeordnet sein, dass möglichst der gesamte Innenraum, jedenfalls sämtliche Personen-Sitzplätze, zumindest jedoch die Sitzplätze von Fahrer und Beifahrer im Bildbereich sichtbar ist.

Die Datenverarbeitungseinheit kann als Mikrocontroller oder Mikrocomputer ausgebildet sein und eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), einen flüchtigen Halbleiterspeicher (RAM), einen nichtflüchtigen Halbleiterspeicher (ROM, SSD-Festplatte), einen magnetischen Speicher (Festplatte) und/oder einen optischen Speicher (CD-ROM) sowie Schnittstelleneinheiten (Ethernet, USB) und dergleichen umfassen. Die Datenbank kann als Softwaremodul in der Datenverarbeitungseinheit, in einem von der Datenverarbeitungseinheit getrennten Computer oder in einem externen Server vorgesehen sein. Die Bestandteile derartiger Datenverarbeitungseinheiten sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Ein erfindungsgemäßes Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:

Einleitend wird die Person durch die Anzeigeeinheit aufgefordert, die Eckpunkte einer bestimmten Aufmerksamkeitszone durch Kopf- und/oder Augenbewegungen zu fixieren. Bei der Aufmerksamkeitszone kann es sich beispielsweise um Polygone handeln, welche der Position der Windschutzscheibe, des Armaturenbretts, der Seitenscheiben oder der Seitenspiegeln eines Fahrzeugs entsprechen. Es kann sich aber auch um Polygone handeln, welche die Schaufenster eines Geschäfts in einer Einkaufsstraße oder das Anzeigefeld eines technischen Geräts in einem Produktionsbetrieb definieren.

Die Bildaufnahmeeinheit nimmt dann über einen vorbestimmten Zeitraum eine Zahl N aufeinanderfolgender erster Fotos des Raums mit der Person auf und übermittelt diese an die Datenverarbeitungseinheit. Die Zahl N bezeichnet dabei die Zahl der Eckpunkte des die Aufmerksamkeitszone definierenden Polygons. Die Zahl N kann gleich eins sein, wenn die Form und Ausdehnung der Aufmerksamkeitszone vordefiniert ist. Die Zahl N kann aber auch größer oder gleich drei sein. Vorzugsweise ist N gleich vier im Fall rechteckiger oder trapezförmiger Aufmerksamkeitszonen. Statt der Aufnahme von N aufeinanderfolgenden Fotos kann die Bildaufnahmeeinheit auch ein kurzes Video des Raums aufnehmen. Die Datenverarbeitungseinheit analysiert die ersten Fotos bzw. das Video, detektiert die darin enthaltene Person und ermittelt eine Zahl N erster Blickrichtungsvektoren BVi - BVN dieser Person. Die N ersten Blickrichtungsvektoren BV-i - BV _N sind dabei von der Person auf die Eckpunkte der betreffenden Aufmerksamkeitszone gerichtet und beispielsweise als Vektoren in dreidimensionalen kartesischen Koordinaten oder in Polarkoordinaten definiert.

Die Ermittlung der Blickrichtungsvektoren der zumindest einen Person aus den Fotos oder dem Video kann durch Extraktion und Analyse der Kopforientierung und/oder der Augenposition der Person erfolgen. Derartige Verfahren zur Ermittlung der Blickrichtungsvektoren einer Person aus einem Foto oder Video der Person sind grundsätzlich bekannt; es können zu diesem Zweck bekannte Bildverarbeitungsalgorithmen eingesetzt werden. Insbesondere können Bildanalysebibliotheken in der Datenbank und/oder ein mit Trainingsbeispielen trainierter Detektor, beispielsweise ein neuronales Netz herangezogen werden. Ferner kann vorgesehen sein, dass die Datenverarbeitungseinheit die Blickrichtungsvektoren mehrerer Personen (beispielsweise des Fahrers und des Beifahrers) aus einer einzigen Fotoserie bzw. einem einzigen Video extrahiert.

In Folge gibt die die Anzeigeeinheit eine Aufforderung an die Person zur Änderung ihrer Position im Raum aus. Beispielsweise kann die Person ihren Sitz zurück, vorwärts, nach oben oder nach unten fahren, oder sich nach vorne oder nach hinten lehnen. Danach wird die Person durch die Anzeigeeinheit aufgefordert, neuerlich die Eckpunkte der Aufmerksamkeitszone durch Kopf- und/oder Augenbewegungen zu fixieren.

Im nächsten Schritt nimmt die die Bildaufnahmeeinheit eine Zahl N zweiter Fotos des Raums mit der Person auf und übermittelt die Fotos an die Datenverarbeitungseinheit. Wiederum kann statt der Fotos ein Video über einen kurzen Zeitraum aufgenommen werden. Die Zahl N kann gleich eins oder größer sein - es kann also auch vorgesehen sein, dass die Person bereits nach jeder einzelnen Fixierung eines Eckpunkts ihre Position ändert und aufgefordert wird, einen weiteren Eckpunkt zu fixieren.

Die Datenverarbeitungseinheit extrahiert wieder eine Zahl N zweiter dreidimensionaler Blickrichtungsvektoren BV-i‘ - BV _N ‘ der Person. Aufgrund der unterschiedlichen Position der Person unterscheiden sich die zweiten Blickrichtungsvektoren BV-i‘ - BVN‘ von den ersten Blickrichtungsvektoren BVi - BVN.

Danach überlagert die Datenverarbeitungseinheit die Blickrichtungsvektoren BV-i - BV _N mit den Blickrichtungsvektoren BV- - BVN‘ zur Ermittlung von N dreidimensionalen Schnittpunkten Pi - PN durch Triangulation. Diese N Schnittpunkte entsprechen den Eckpunkten der Aufmerksamkeitszone in einem gemeinsamen dreidimensionalen Koordinatensystem des Raums. Die N Schnittpunkte Pi - PN werden als Eckpunkte der Aufmerksamkeitszone in der Datenbank gespeichert.

Das Verfahren kann auch mit mehr als zwei unterschiedlichen Positionen der Person durchgeführt werden, um die Genauigkeit der Triangulation zu erhöhen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Person zunächst aufgefordert wird, ihren Sitz ganz nach unten zu fahren, danach ihren Sitz ganz nach oben zu fahren, danach ihren Sitz ganz nach vorne zu fahren, und schließlich ihren Sitz ganz nach hinten zu fahren, wobei nach jeder Positionsänderung N Blickrichtungsvektoren ermittelt werden, die danach zur exakten Berechnung der Schnittpunkte Pi - PN verwendet werden.

Es ergibt sich mit der vorliegenden Erfindung der Vorteil, dass zur Erstellung Konfiguration der Aufmerksamkeitszonen keine zusätzlichen Sensoren oder Bildaufnahmeeinheiten notwendig sind. Es reicht aus, die Bildaufnahmeeinheit zu verwenden, die ohnehin auf die zu analysierende Person gerichtet ist. Eine Aufnahme der Person von hinten ist nicht erforderlich.

Dies erlaubt eine schnelle und flexible Konfiguration der Aufmerksamkeitszonen, wodurch ein schnellerer Umbau bzw. Einbau des Gesamtsystems in ein bestehendes Bildaufnahme- und Bildanalysesystem gewährleistet ist. Es ist keine Installation neuer Hardware erforderlich.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Verfahren zur Erstellung mehrerer Aufmerksamkeitszonen einer einzigen Person wiederholt wird. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Person nach dem Durchlaufen des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgefordert wird, nun die Eckpunkte einer anderen Aufmerksamkeitszone zu fixieren.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Verfahren zur Erstellung mehrerer Aufmerksamkeitszonen verschiedener Personen wiederholt wird. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass alle detektierten Personen nach dem Durchlaufen des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgefordert werden, nun die Eckpunkte einer anderen Aufmerksamkeitszone zu fixieren. Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass nach der Erstellung und Speicherung einer oder mehrerer Aufmerksamkeitszonen zumindest einer Person die Bildaufnahmeeinheit laufend die Blickrichtungsvektoren dieser Person detektiert und an die Datenverarbeitungseinheit übermittelt, und die Datenverarbeitungseinheit laufend prüft, ob die detektierten Blickrichtungsvektoren in eine der gespeicherten Aufmerksamkeitszonen fallen oder nicht. Dadurch wird eine Überwachung der Aufmerksamkeit der Person im laufenden Betrieb erreicht.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Datenverarbeitungseinheit einen Aufmerksamkeitsgrad zumindest einer Person berechnet, indem sie die Häufigkeit bestimmt, mit der die detektierten Blickrichtungsvektoren dieser Person je Zeiteinheit in eine der gespeicherten Aufmerksamkeitszonen fallen. Es kann vorgesehen sein, dass die Anzeigeeinheit eine Warnmeldung ausgibt, wenn der Aufmerksamkeitsgrad unter einen vorgegebenen Schwellwert fällt. Beispielsweise kann ein Schwellwert definiert sein, wonach die Person zumindest einmal pro Sekunde in die durch die Windschutzscheibe definierte Aufmerksamkeitszone blickt.

Die Erfindung betrifft ferner ein computerlesbares Speichermedium, umfassend Anweisungen, die eine Datenverarbeitungseinheit zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens veranlassen.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Erstellung einer geometrischen Aufmerksamkeitszone für zumindest eine Person in einem dreidimensionalen Raum, umfassend eine einzige Bildaufnahmeeinheit, eine Datenverarbeitungseinheit, eine Datenbank und eine Anzeigeeinheit, wobei die Vorrichtung zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.

Erfindungsgemäß kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Raum der Innenraum eines Fahrzeugs ist und die Bildaufnahmeeinheit in Fahrtrichtung des Fahrzeugs vor einem Fahrersitz oder vor einem Beifahrersitz und vorzugsweise mittig über einer Windschutzscheibe oder über dem Armaturenbrett des Fahrzeugs angeordnet ist. Weitere erfindungsgemäße Merkmale ergeben sich aus den Ansprüchen, den Ausführungsbeispielen und den Figuren.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines exemplarischen, nicht ausschließlichen Ausführungsbeispiels erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einer Datenverarbeitungseinheit zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 zeigt schematische Beispiele verschiedener erfindungsgemäßer Aufmerksamkeitszonen in einem Fahrzeug;

Figs. 3a - 3d zeigen schematische Darstellungen des Innenraums eines Fahrzeugs während der Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 3e zeigt eine schematische Darstellung der Bestimmung der Schnittpunkte zweier Blickrichtungsvektoren einer Person.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 8 mit einer darin integrierten elektronischen Datenverarbeitungseinheit 4 zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Im Innenraum 2 des Fahrzeugs 8 ist an der Decke eine Bildaufnahmeeinheit 3 in Form einer Kamera angeordnet. Die Kamera ist dazu ausgebildet und derart angeordnet, dass sie den Innenraum 2 des Fahrzeugs 8, nämlich zumindest die beiden Vordersitze und darin befindliche Personen, aufnehmen kann. Im Innenraum sitzen mehrere Personen in zwei Reihen. Das Fahrzeug ist in diesem Ausführungsbeispiel als PKW ausgebildet. Die Datenverarbeitungseinheit 4 ist mit einer Datenbank 5 verbunden und verfügt über (nicht dargestellte) Schnittstellen zur Kommunikation mit externen elektronischen Komponenten. Ferner ist eine Anzeigeeinheit 6 vorgesehen, die ebenfalls mit der Datenverarbeitungseinheit 4 verbunden ist. Die Anzeigeeinheit 6 ist im Armaturenbrett des Fahrzeugs 8 angeordnet.

Fig. 2 zeigt schematische Beispiele verschiedener erfindungsgemäßer Aufmerksamkeitszonen 1 , 1‘, 1“, 1‘“ im Innenraum 2 eines Fahrzeugs 8. In diesem Beispiel bildet die Windschutzscheibe die erste Aufmerksamkeitszone 1 , die beiden Seitenspiegel die zweiten Aufmerksamkeitszonen 1 die beiden Seitenscheiben die dritten Aufmerksamkeitszonen 1 “ und das Armaturenbrett die vierte Aufmerksamkeitszone 1‘“. Ferner ist die Bildaufnahmeeinheit 3 in Form einer zentral über der Windschutzscheibe angeordneten Videokamera dargestellt. Die Anzeigeeinheit 6 ist als zentral angeordneter Touch-Screen dargestellt.

Figs. 3a -3d zeigen schematische Darstellungen des Innenraums eines Fahrzeugs während der Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 3a zeigt ein Foto 7 des Innenraums 2 mit drei Personen, wobei die Blickrichtungen des Fahrers und des Beifahrers als Blickrichtungsvektoren BVi extrahiert wurden. Die Personen wurden aufgefordert, einen Eckpunkt Pi einer Aufmerksamkeitszone 1 zu fokussieren. Die Extrahierung der Blickrichtungsvektoren der beiden Personen kann im Wesentlichen gleichzeitig oder separat erfolgen.

Fig. 3b zeigt ein weiteres Foto 7 des Innenraums 2, nachdem die Personen aufgefordert wurden, einen weiteren Eckpunkt P ₂ der Aufmerksamkeitszone 1 zu fokussieren. Wiederum werden die Blickrichtungsvektoren des Fahrers und des Beifahrers als Blickrichtungsvektoren BV ₂ extrahiert. Auch hier kann die Extrahierung gleichzeitig oder separat erfolgen.

Fig. 3c zeigt ein weiteres Foto 7 des Innenraums 2, nachdem die Personen aufgefordert wurden, ihre Position zu verändern und wieder den Eckpunkt Pi der Aufmerksamkeitszone 1 zu fokussieren. Wiederum werden die Blickrichtungsvektoren des Fahrers und des Beifahrers als Blickrichtungsvektoren BV-i‘ extrahiert.

Fig. 3d zeigt ein weiteres Foto 7 des Innenraums 2, nachdem die Personen aufgefordert wurden, wieder den Eckpunkt P ₂ der Aufmerksamkeitszone 1 zu fokussieren. Wiederum werden die Blickrichtungsvektoren des Fahrers und des Beifahrers als Blickrichtungsvektoren BV ₂ ‘ extrahiert. Diese Verfahrensschritte werden für sämtliche Eckpunkte der gewünschten polygonalen Aufmerksamkeitszonen wiederholt, bis für jede Aufmerksamkeitszone ausreichend (jedoch zumindest zwei unterschiedliche) Blickrichtungsvektoren jeder Person extrahiert wurden, um eine Triangulierung zur Bestimmung der Position der Punkte Pi - PN durchführen zu können.

Fig. 3e zeigt eine schematische Darstellung der Triangulierung zur Bestimmung der Schnittpunkte zweier Blickrichtungsvektoren einer Person. Angedeutet sind zwei unterschiedliche Sitzpositionen der Person, wobei die Blickrichtungsvektoren BVi und BV ₂ der ersten Sitzposition, und die Blickrichtungsvektoren BV-i‘ und BV ₂ ‘ der zweiten Sitzposition entsprechen.

Durch Überlagerung der Blickrichtungsvektoren BVi und BV-i‘ bzw. BV ₂ und BV ₂ ‘ können die Schnittpunkte Pi und P ₂ bestimmt werden, bei denen es sich hier um Eckpunkte der Aufmerksamkeitszone 1 handelt.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele, sondern umfasst auch weitere Ausführungen der vorliegenden Erfindung im Rahmen der nachfolgenden Patentansprüche.

Bezugszeichenliste Aufmerksamkeitszone

2 Dreidimensionaler Raum

3 Bildaufnahmeeinheit

4 Datenverarbeitungseinheit

5 Datenbank

6 Anzeigeeinheit

7 Foto

8 Fahrzeug