AT408701B - Verfahren zur überwachung von objekten bzw. objekträumen - Google Patents

Description

AT 408 701 B

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung von Objekten bzw. Objekträumen mit einem opto-eiektronischen Entfernungsmesser nach einem Signal-Laufzeitverfahren mit einer Sendeeinrichtung zum Aussenden von optischen, insbes. von Laser-Signalen und einer Empfangseinrichtung zum Empfangen von optischen Signalen, insbes. von Laserstrahlung, die von im Zielraum befindlichen Objekten reflektiert wird, wobei sowohl der Sende- als auch der Empfangseinrichtung optische Systeme vorgeschaltet sind, ferner mit einer Scan-Einrichtung zur Ablenkung der optischen Achsen von Sende- und Empfangseinrichtung in vorzugsweise zwei orthogonale Richtungen, wobei die optische Achsen von Sende- und Empfangseinrichtung im wesentlichen parallel verlaufen, ferner mit einer Auswerteeinrichtung, die aus der Laufzeit bzw. der Phasenlage des ausgesandten optischen Signals Entfernungswerte ermittelt, wobei ein Bildausgabe-System, zB. ein Monitor od. dgl. vorgesehen ist, auf welchen Bildelemente wiedergegeben werden, deren Bildschirm-Koordinaten der Strahlablenkung der Scan-Einrichtung entsprechen.

Das Wesen der Erfindung ist dabei darin zu sehen, nach einer ersten Abtastung des Objektfeldes und Auswertung der Entfernungsmeßwerte bzw. der daraus abgeleiteten Daten in einer Signalverarbeitungsstufe diese in an sich bekannter Weise als Referenz-Datensatz in einem Speicher abgelegt werden und die entsprechenden Datensätze folgender Abtastungen von dem Referenz-Datensatz in einer Datenverarbeitungsstufe subtrahiert werden, wobei der Differenzdatensatz insbesondere codiert dem Referenz- oder dem aktuellen Datensatz überlagert und in Bildform an einem Monitor od. dgl. angezeigt bzw. ausgegeben wird, wobei gegebenenfalls in ebenfalls bekannter Weise der Differenzdatensatz mit vorgegebenen Algorithmen überprüft wird und bei Überschreiten von definierten, vorzugsweise wählbaren Grenzwerten zusätzlich ein Signal ausgelöst wird.

Ein solches Verfahren kann einerseits in Alarmsystemen angewendet werden und zum Schutz gegen Einbruch und sonstiges unbefugtes Eindringen oder auch zum Aufdecken von Attentatsversuchen durch Deponieren von Sprengkörpern dienen. Andererseits ist dieses Verfahren geeignet, mit sehr geringer Geschwindigkeit verlaufende Veränderungen sichtbar zu machen, wie z. B. Rutschungen von Berghängen oder Abraumhalden sowie Setzungserscheinungen von Getänden. Weiters eignet sich dieses Verfahren zum Sichtbarmachen von Bewegungen von Strukturen, die auf Grund ihres geringen oder überhaupt fehlenden Kontrastes visuell bzw. optisch nicht detektier-bar sind, wie z. B. von Schnee- oder Geröllfelder.

Die Anwendung des neuen Verfahrens in Alarmanlagen hat gegenüber dem bekannten Einsatz von Videosystemen, wie sie etwa in der DE 44 07 528 A1 beschrieben sind, den Vorteil, daß eine Ausleuchtung des Objektes bzw. Objektraumes nicht erforderlich ist, so daß die Tatsache einer Überwachung für einen Eindringling auch nicht zu erkennen ist. Auch Systeme, bei welchen der Objektraum mit einem Laserstrahl abgetastet wird (österreichisches Patentschrift AT 380 970 B, US-Patentschriften US 4 967 183 A und US 5 365 218 A) arbeiten bei geringem Kontrast im Objektraum nicht ausreichend zuverlässig und sind gegenüber Manipulation z.B. durch Tarnung eines Eindringlings nicht sicher. Es sind auch Verfahren vorgeschlagen worden, die mittels mehrerer Videokameras einen Objektraum trigonometrisch vermessen. (DE 41 13 992 A1). Bei einer solchen Anlage ist es erforderlich, die Kameras in einem Weltkoordinatensystem auszurichten. Eine solche Anlage ist außerordentlich aufwendig und im Betrieb komplex. Sie setzt aber trotzdem entsprechende Kontrastverhältnisse im Objektraum für eine einwandfreie Funktion voraus und ist damit ebenfalls nicht absolut betriebs- und täuschungssicher.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist gegenüber solchen Täuschungs- und Manipulationsversuchen weitestgehend unempfindlich, da dieses nicht Oberflächenstrukturen vergleicht, sondern dreidimensionale Bilder.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den verschiedenen Unteransprüchen und der Beschreibung eines Ausführungsbeispieles, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird.

Die Fig. 1 veranschaulicht schematisch und teilweise in Form eines Blockschaltbildes eine Einrichtung gemäß der Erfindung.

Die Einrichtung gemäß Fig. 1 umfaßt einen aktiven optischen Kanal 1, der im wesentlichen aus einem Laser-Entfernungsmesser besteht, wie er beispielsweise in der österreichischen Patentschrift AT 405 105 B beschrieben ist. Der aktive Kanal weist eine Sende-Diode 2 sowie eine Empfangs-Diode 3 auf. Durch die Sende-Diode werden Folgen extrem kurzer Laser-Impulse ausgesendet, die an Objekten im Aufnahme-Raum reflektiert werden. Die in Richtung der Aufnahme- 2

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Einrichtung reflektierte Strahlung wird durch die Empfangs-Diode 3 aufgenommen. Im Laser-Entfernungsmesser, bzw. im aktiven Kanal 1 der Einrichtung wird aus der Laufzeit der Laser-Impulse die Entfernung zu dem jeweiligen Objekt ermittelt. Der Sende-Diode 2 und der Empfangs-Diode 3 ist jeweils ein optisches Scan-System vorgeschaltet, mit dessen Hilfe der Objektraum abgetastet wird. Im Interesse einer möglichst übersichtlichen Darstellung ist nur die Scan-Einrichtung für die Empfangs-Diode 3 dargestellt. Der auf die Diode 3 auftreffende Strahl 4 wird beispielsweise durch einen Schwingspiegel 5 abgelenkt, der durch einen Aktor 6 angetrieben wird. Ein mit dem Aktor 6 verbundener Winkelgeber 7 gibt ein Signal « ab, das von der Stellung des Spiegels 5 abhängt. Der durch den Schwingspiegel 5 abgelenkte Strahl 8 fällt auf die Spiegelfläche eines Spiegelprismas 9, das von einem Motor 10 mit hoher Geschwindigkeit angetrieben wird. Die jeweilige Winkelposition des Spiegelprismas 9 wind durch einen Sensor 11 gemessen; die entsprechenden Signale φ werden der Signalverarbeitungsstufe 12 zugeleitet. Durch die Bewegung des Spiegels 5 und des Prismas 9 wird der Objektraum durch den Strahl 13 zeiienförmig abgetastet.

Die Abtasteinrichtung für die Sende-Diode ist analog aufgebaut und tastet den Objektraum in beiden Richtungen synchron und mit gleicher Phasenlage ab, so daß der Strahl 13 und der entsprechende Strahl der Sende-Einrichtung im wesentlichen parallel verlaufen. Vorteilhaft weisen die beweglichen optischen Elemente 5 und 9 für den Sende- und Empfangskanal die gleichen Antriebselemente 6 bzw. 10 auf. Es kann zweckmäßig sein, den Spiegel 5 und das Prisma 9 axial zu verlängern, so daß Sende- und Empfangskanal dieselben Ablenkeinrichtungen benutzen können.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der Laser-Entfernungsmesser mit seinen Sende- und Empfangsoptiken und einem rotierenden Spiegelprisma zu einer starren Einheit zusammengefaßt, die in ihrer Gesamtheit zur Abtastung eines Objektraumes verschwenkt wird.

Durch den aktiven Kanal 1 (Laser-Entfernungsmesser) wird in Kombination mit der Scan-Einrichtung der Objektraum abgetastet, wobei zu jeder, über die Werte der Winkelgeber 7 und 11 definierten Raumrichtung ein Entfernungswert ermittelt wird. Der entsprechende Datensatz bestehend aus den Bildkoordinaten und dem zugehörigen Entfernungswert wird der Signalverarbeitungsstufe 12 zugeleitet, welche aus den Daten ein sogenanntes Entfernungsbild generiert, das auf einem Monitor 18 zur Anzeige gebracht werden kann. Das Entfernungsbild kann in Grauwerten oder in Faischfarben ausgegeben werden, wobei eine Grau- oder Farbskala einer Entfernungsskala zugeordnet wird. Zusätzlich können durch Anklicken eines Bildelementes dessen Entfernung oder dessen Raumkoordinaten direkt angezeigt werden.

Zusätzlich zu dem Entfernungsbild kann aus dem aktiven Kanal noch ein Amplitudenbild gewonnen werden, wobei jedem Bildelement die Amplitude der reflektierten und von der Empfangseinrichtung empfangenen Laser-Impulse unabhängig von dessen Entfernungswert zugeordnet wird. Da dieses Bild Strukturen in Flächen mit gleicher Entfernung zeigt, ist die Auswertung der Bilder wesentlich einfacher, vor allem dann, wenn das Entfernungsbild dem Amplitudenbild überlagert wird.

Noch günstigere Verhältnisse sind erzielbar wenn der Objektraum gleichzeitig mit dem aktiven Kanal mit einem passiven Empfangskanal gescannt wird. Eine solche Einrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend im einzelnen beschrieben:

Im Strahlengang des Strahles 4 ist zwischen dem Schwingspiegel 5 und der Empfangs-Diode 3 ein Strahlen-Teilungsprisma 14 angeordnet, welches einen Teil der einfallenden Strahlung einer zweiten Photo-Diode 15 zuleitet. Vorteilhaft weist die Photo-Diode 15 eine unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit auf verglichen mit der Diode 3, die in ihrer spektralen Empfindlichkeit der Sende-Diode 2 angepaßt ist. Es kann zweckmäßig sein, eine Diode für langwelligeres Infra-Rot einzusetzen, um eine bessere Durchdringung bei Nebel zu erzielen, Für andere Anwendungsfälle kann eine Photo-Diode für den sichtbaren Bereich des Spektrums verwendet werden. Anstelle einer einzigen Photodiode kann auch ein Photo-Diodentripel mit Empfindlichkeiten entsprechend den drei Grundfarben eingesetzt werden. Die spektralen Empfindlichkeiten können in bekannter Weise durch Vorgesetzte Farbfilter oder dichroitische Spiegel angepaßt werden. Vorteilhaft weist auch der Strahlenteiler 15 eine dichroitische Spiegelfläche 16 auf, durch welche die Strahlung der Laser-Diode 2 im wesentlichen ungehindert passieren kann, während Strahlung, für welche die Diode 15 eine maximale Empfindlichkeit aufweist, optimal reflektiert wird.

Um eine solche Einrichtung auch bei Dunkelheit ohne Zusatzbeleuchtung einsetzen zu können kann der Photodiode 15 ein Bildverstärker vorgeschaltet oder an Stelle einer Photo-Diode ein 3

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Die von der Photodiode 15 bzw. dem jeweiligen Photo-Empfänger abgeleiteten Signale beschreiben in ihrer Gesamtheit ein passives Bild des Objektraumes, das deckungsgleich mit dem Entfemungsbild, aber beleuchtungsmäßig von dem Laser-Licht der Sende-Diode unabhängig ist.

Die Signale werden in der mit "Passiver Kanal” bezeichneten Stufe 17 bearbeitet und der Signalverarbeitungsstufe 12 zugeführt., in welcher nun zu jedem, durch die Signale der Sensoren 7 und 11 definierten Punkt nicht nur eine Entfernungs- sondern auch eine Helligkeits- und gegebenenfalls eine Farbinformation vorliegt In der Stufe 12 werden die Daten weiter aufbereitet.

Die Ausgangssignale der Signal- und Datenverarbeitungsstufe werden einer Steuer- und Display-Einheit 19 bzw. 18 zugeführt. Die Daten sowohl des aktiven als auch des passiven Kanals können bildhaft dargestellt, eventuell in Falschfarbentechnik, vorzugsweise überlagert auf einem Monitor gezeigt werden. Durch entsprechende Befehle können bestimmte Entfernungsbilder oder Entfernungsbildfolgen ausgewählt und in einem Referenz-Daten-Speicher 20 abgelegt werden. In einer Datenverarbeitungsstufe 21 werden die im Referenzdatenspeicher 20 abgelegten Daten eines Entfernungsbildes mit denen von aktuellen Entfernungsbild-Daten verknüpft, die von der Steuereinheit 19 durchgeschaltet werden. Es wird ein Differenzbild erzeugt, das nur jene Bildelemente enthält, deren Position und / oder Entfernung gegenüber dem Referenzbild verändert sind. Um dieses Differenzbild leichter dem Objektraum zuordnen zu können empfiehlt es sich, dieses vorzugsweise dem Referenz-Entfernungsbild oder einem zugehörigen Amplitudenbild bzw. einem aus dem passiven Kanal abgeleiteten Referenz-Bild zu überlagern. Das Differenzbild wird vorzugsweise codiert, z. B. in Falschfarben und einem Grauwert-Referenzbild überlagert. Vorteilhaft erfolgt die Falschfarbencodierung in der Weise, daß bei Annäherung eines Objektes dieses mit zunehmender Entfernungsänderung in einem sich intensivierenden Rot, bei Vergrößerung der Entfernung in einem sich intensivierenden Blau gezeigt werden. Die Codierung des Differenzbildes und die Überlagerung über ein zu definierendes weiteres Bild kann über die Steuereinheit 19 festgelegt werden, welche die Stufe 21 entsprechend ansteuert. Die Arbeitsweise des erfmdungs-gemäßen Verfahrens wird im folgenden näher erläutert:

Bei Inbetriebnahme der entsprechenden Anlage wird zunächst durch den Laser-Entfernungs-Scanner ein Entfemungsbild erzeugt und am Monitor 18 angezeigt. Über die Steuereinheit 19 kann ein beliebiges Referenzbild definiert und im Speicher 20 abgelegt werden. Über die Steuereinheit können weitere Parameter wie Abtastfrequenz, Schwellwerte für eine automatische Überwachung der Differenzbilder etc. festgelegt werden. Es ist auch möglich das Referenzbild automatisch zu aktualisieren, um langsame Veränderungen bewußt aus der Anzeige auszublenden. Im Betrieb wird nun der aktuelle, vom Laser-Entfernungs-Scanner gelieferte Datensatz mit dem im Speicher 20 abgelegten Datensatz verglichen. Der auf diese Weis erzeugte Differenz-Datensatz wird entweder an einem Monitor bildlich dargesteilt und/oder aber in der Steuereinheit 19 mit einem definiertem Algorithmus zu einer Kenngröße verarbeitet. Diese wird jeweils einem festzulegenden Grenzwert gegenübergestellt. Bei Überschreiten des Grenzwertes wird automatisch ein Alarm ausgelöst. Dadurch ist es möglich eine solche Anlage auch ohne besonderes menschliches Zutun zu betreiben.

Bei Anwendungen in Sicherheitssystemen besteht der besondere Vorteil des neuen Verfahrens darin, daß es einerseits sehr flexibel ist: bei Scharfmachen der Alarmanlage wird der Objektraum mit dem Laser-Entfernungs-Scanner aufgezeichnet und dieses Bild als Referenz abgelegt. Jede Veränderung dieses räumlichen Bildes wird angezeigt oder löst einen Alarm aus. Das System ist dabei völlig unempfindlich gegenüber wechselnden Umweltbedingungen, wie Beleuchtungsverhältnissen und es ist vor allem sicher gegen Täuschungsversuche, Tarnungen etc., da z.B. ein schwarz gekleideter Eindringling vor einem schwarzen Hintergrund visuell nicht wahrnehmbar ist, sehr wohl aber im Entfernungsbild, da er die 3-D Struktur des Objektraumes verändert.

Das System eignet sich aber auch zu Überwachung von Objekten, die sehr kontrastarm sind oder überhaupt keinen Kontrast aufweisen, wie z.B. Schnee- und Geröllfelder, Lawinen- und Murenstriche etc. Ein Vorteil dieses Systems ist, daß es auch geeignet ist sehr langsam verlaufende Änderungen zu detektieren, wie Geländerutschungen und Setzungsvorgänge, wobei auch hier wechselnde Beleuchtungsverhältnisse und Vegetation im allgemeinen die Meßergebnisse nicht beeinflussen.

Die Erfindung ist nicht auf das oben angeführte Beispiel beschränkt, sondern kann in ver- 4

Claims (4)

1. AT 408 701 B schiedenster Form variiert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Überwachung von Objekten bzw. Objekträumen mit einem opto-elektroni-schen Entfernungsmesser nach einem Signal-Laufzeitverfahren mit einer Sendeeinrichtung zum Aussenden von optischen, insbes. von Laser-Signalen und einer Empfangseinrichtung zum Empfangen von optischen Signalen, insbes. von Laserstrahlung, die von im Zielraum befindlichen Objekten reflektiert wird, wobei sowohl der Sende- als auch der Empfangseinrichtung optische Systeme vorgeschaltet sind, ferner mit einer Scan-Einrichtung zur Ablenkung der optischen Achsen von Sende- und Empfangseinrichtung in vorzugsweise zwei orthogonale Richtungen, wobei die optischen Achsen von Sende- und Empfangseinrichtung im wesentlichen parallel verlaufen, ferner mit einer Auswerteeinrichtung, die aus der Laufzeit bzw. der Phasenlage des ausgesandten optischen Signals Entfernungswerte ermittelt, wobei ein Bildausgabe-System, zB. ein Monitor od.dgl. vorgesehen ist, auf welchen Bildelemente wiedergegeben werden, deren Bildschirm-Koordinaten der Strahlablenkung der Scan-Einrichtung entsprechen, dadurch gekennzeichnet, daß nach einer ersten Abtastung des Objektfeldes und Auswertung der Entfemungsmeßwerte bzw. der daraus abgeleiteten Daten in einer Signalverarbeitungsstufe (12) diese in an sich bekannter Weise als Referenz-Datensatz in einem Speicher (20) abgelegt werden und die entsprechenden Datensätze folgender Abtastungen von dem Referenz-Datensatz in einer Datenverarbeitungsstufe (21) subtrahiert werden, wobei der Differenzdatensatz insbesondere codiert dem Referenz- oder dem aktuellen Datensatz überlagert und in Bildform an einem Monitor (18) od. dgl. angezeigt bzw. ausgegeben wird, wobei gegebenenfalls in ebenfalls bekannter Weise der Differenzdatensatz mit vorgegebenen Algorithmen überprüft wird und bei Überschreiten von definierten, vorzugsweise wählbaren Grenzwerten zusätzlich ein Signal ausgelöst wird.
2. 2. Verfahren zur Überwachung von Objekten bzw. Objekträumen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur bildhaften Ausgabe des Differenz-Datensatzes dieser farbcodiert ausgegeben wird, wobei vorzugsweise die Codierung in Falschfarben erfolgt und der Farbton eine Funktion der Entfernungsdifferenz bezogen auf die Referenzdaten darstellt.
3. 3. Verfahren zur Überwachung von Objekten bzw. Objekträumen nach Patentanspruch 1 oder 2 mit einem Laserentfernungsmesser-Scanner, der neben dem einem Entfernungsbild auch ein aus den Amplituden der reflektierten Laserimpulse abgeleitetes Amplitudenbild liefert, bzw. bei welchem nach der Scan-Einrichtung aus dem Strahlengang von Sende- und / oder Empfangseinrichtung ein Helligkeits- und / oder Farbsignal abgeleitet wird und diese Signale in ihrer Gesamtheit ein Helligkeits- bzw. Farbbild definieren, dadurch gekennzeichnet, daß zur bildhaften Ausgabe des Differenzdatensatzes über einen Monitor (18) oder dgl. das Differenzbild einem Amplituden- bzw. Helligkeits- oder Farbbild überlagert wird.
4. 4. Verfahren zur Überwachung von Objekten bzw. Objekträumen nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem Datensatz des Entfernungsbildes als weitere Referenz gleichzeitig auch der Datensatz des Amplituden-, bzw. Helligkeits- oder Farbbildes in separaten Speichern abgelegt wird, wobei für beiden Bildtypen je ein Differenzbild ermittelt wird, welche Differenzbilder angezeigt oder ausgegeben werden. HIEZU 1 BLATT ZEICHNUNGEN 5