DE10132399C1 - Stereoskopische photoelektrische Panoramakamera - Google Patents
Stereoskopische photoelektrische PanoramakameraInfo
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Abstract
Photoelektrische stereoskopische Abbildungen sollen in einem unbegrenzten Horizontalwinkelbereich bei gleichbleibenden Abbildungsbedingungen für jeden beliebigen Aufnahmewinkel möglichst zeitnah erfolgen, ohne dass das Projektionsobjektiv doppelt vorhanden sein muss. DOLLAR A Erfindungsgemäß besitzt eine Zeilenkamera auf einem drehbaren Aufsatz wenigstens zwei parallel zueinander angeordnete Zeilensensoren, so dass das objektseitige Strahlenbündel jedes der beiden Zeilensensoren tangential zu einer gedachten Kreisbahn um die Drehachse herum in, bezogen auf die Drehrichtung des Aufsatzes, entgegengesetzte Richtungen umgelenkt wird und aus den Einzelsignalen der beiden Zeilensensoren je ein Stereohalbbild getrennt zur Aufzeichnung gelangt. DOLLAR A Weitere konstruktive Modifikationen werden beschrieben. DOLLAR A Die Panoramakamera eignet sich für alle stereoskopischen Bildaufnahmen mit in einer Richtung unbegrenzten Bildwinkelbereichen.
Description
Die Erfindung betrifft das Gebiet der stereoskopischen photoelektrischen Bildaufnahme
des dreidimensionalen Raumes ohne eine Einschränkung des horizontalen Bildwinkels.
Für die stereoskopische Abbildung räumlicher Szenen im Vollkreis ist eine Anordnung
gemäß DE 44 28 054 U bekannt, bei der zwei auf einer Basisstrecke angeordnete
Zeilenkameras um eine gemeinsame Drehachse exzentrisch rotieren und dabei in
tangentialer Richtung zwei Bilder aufzeichnen. Die erhaltenen elektrischen Signale
werden in ein Rechnersystem eingelesen, in dem die numerische Verarbeitung und
Bildgewinnung stattfindet. Eine ähnliche Anordnung für die stereoskopische Abbildung
mittels linearer Scan-Bewegung ist in JP 04-259808 A beschrieben.
Diesen Anordnungen haftet der Nachteil an, dass stets zwei baugleiche Zeilenkameras
mit zugehörigen Abbildungsobjektiven vorhanden sein müssen. Dieser Nachteil wird mit
Lösungen nach DE 199 42 385 A1 und DE 199 21 734 A1 umgangen, bei denen nur eine
angeordnete Zeilenkamera beide Halbbilder nacheinander aufzeichnet, während die
optische Aufnahmeachse mittels Spiegel in unterschiedliche Richtungen umgelenkt wird.
In vielen Aufnahmesituationen ist jedoch die zeitliche Differenz der Aufzeichnung beider
Halbbilder nicht akzeptabel, weil das Aufnahmeobjekt zwischenzeitlich seine Lage
verändert. Zwar könnte der Spiegel, der die Aufnahmerichtung umschaltet, auch mit
jeder aufgenommenen Zeile intermittierend umschalten, z. B. ausgeführt als, von
Filmkamera-Spiegelreflexsuchern her bekannte, verspiegelte Flügelblende; dennoch
bliebe in diesem Fall als Nachteil ein erheblicher mechanischer und regelungstechnischer
Aufwand zur zeitoptimierten Synchronisation dieser Bewegungen mit den
Belichtungszeiten der Zeilenkamera und deren Drehbewegung insgesamt.
Das der Erfindung zugrundeliegende Problem besteht darin, photoelektrische
stereoskopische Abbildungen in einem unbegrenzten Horizontalwinkelbereich bei
gleichbleibenden Abbildungsbedingungen für jeden beliebigen Aufnahmewinkel zu
realisieren, ohne dass das Projektionsobjektiv doppelt vorhanden sein muss und ohne
dass große zeitliche Abweichungen zwischen den Aufnahmen von gleichen Bildteilen im
linken und rechten Halbbild auftreten müssen.
Das Problem wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den weiteren Ansprüchen 2 bis 7 angegeben.
Die erfindungsgemäße Anordnung besteht aus einem feststehenden Unterteil und einem
mittels Drehantrieb drehbaren Aufsatz, auf dem eine Zeilenkamera angeordnet ist, die im
Gegensatz zur allgemein bekannten Bauart in der Projektionsebene des
Abbildungsobjektives nicht nur einen, sondern zwei photoelektrische Zeilensensoren
besitzt, die parallel zueinander in einem bestimmten Abstand angeordnet sind.
Dies schließt auch die Möglichkeit ein, dass beide Zeilensensoren Teil eines
gemeinsamen elektronischen Bauelements sind und dass sie sich in einer gemeinsamen
Linie befinden.
Zeilensensoren, bestehend aus mehreren nebeneinanderliegenden Sensorzeilen, z. B. mit
unterschiedlicher spektraler Charakteristik zum Zwecke der Gewinnung farbiger
Bildinformationen, werden im Folgenden als nur ein Zeilensensor betrachtet, wobei die
geometrischen Abstände zwischen den Sensorzeilen hier vernachlässigt werden.
Entsprechend ihrer vorzugsweisen Gebrauchslage wird die Lage der Drehachse im
Folgenden bedingt als senkrecht angenommen, worauf sich zum besseren Verständnis
alle weiteren Lagebezeichnungen wie horizontal und vertikal beziehen. Dennoch ist diese
Lage nicht zwingend, kann also beliebig sein, wodurch sich die Lage aller darauf
bezogenen Elemente mit verändern kann.
Die Zeilensensoren sind parallel zur Drehachse vertikal angeordnet. Die optische Achse
des Abbildungsobjektivs ist radial zur Drehachse des Aufsatzes und vorzugsweise
horizontal ausgerichtet, verläuft also durch das Drehzentrum.
Bei rückwärts gerichteter Strahlverfolgung aus dem Bild- in den Objektraum ergeben
sich aus den beiden Projektionsflächen der Zeilensensoren zwei
Projektionsstrahlenbündel, die sich in ausreichendem objektseitigen Abstand vom
Abbildungsobjektiv nicht mehr schneiden.
Befindet sich das Projektionszentrum des Abbildungsobjektivs außerhalb der Drehachse,
so verlaufen die Mittelpunktstrahlen der beiden Strahlenbündel stets tangential zu einer
gedachten Kreisbahn um den Drehpunkt, ohne dass bei unterschiedlichen Drehwinkeln
die Strahlverläufe beider Zeilensensoren jemals deckungsgleich sind. Der doppelte
geometrische Abstand zwischen Mittelpunktstrahl und Drehzentrum bestimmt dabei den
Basisabstand der stereoskopischen Abbildung. Dieser Basisabstand ist proportional zum
Abstand zwischen Projektionszentrum und Drehachse. Dabei ist es unerheblich, ob sich
die Drehachse vor oder hinter dem Abbildungsobjektiv befindet.
Jeder Objektpunkt wird in unterschiedlichen Drehwinkeln einmal auf dem einen, ein
anderes Mal auf dem anderen Zeilensensor abgebildet. Die Winkeldifferenz ist dabei vom
Abstand zwischen Objektpunkt und Drehpunkt abhängig, woraus die stereoskopische
Tiefeninformation gewonnen wird.
Bei kontinuierlicher oder schrittweiser Drehung des Aufsatzes werden auf diese Weise
paarweise beide Zeilen, getrennt für die beiden Stereo-Halbbilder, nacheinander
aufgezeichnet.
Erfolgt das Zusammensetzen der beiden Bilder so, dass die beiden Halbbilder beinahe
deckungsgleich sind, so sind diese beiden Bilder als stereoskopisches Doppelbild
verarbeitbar. Durch horizontales Verschieben der beiden Halbbilder zueinander ist der
optische Tiefeneindruck in bekannter Form veränderbar.
Um aus konstruktiven Gründen den Abstand zwischen Drehzentrum und
Projektionszentrum gering zu halten, können am drehbaren Aufsatz zwei (erste) optische
Umlenkeinrichtungen - vorzugsweise Spiegel - so angeordnet sein, dass sie die Richtung
der beiden objektseitigen Strahlenbündel weiter aufspreizen. Dabei werden die
Umlenkwinkel in zwei Vorzugsrichtungen so gewählt, dass die gemeinsame Ebene aus
direktem und umgelenktem Strahl jeweils horizontal liegt, die umgelenkten
Mittelpunktstrahlen also tangential entweder vorwärts oder rückwärts zu einer
gedachten Drehrichtung den drehbaren Aufsatz verlassen.
In dieser Form ist die Anordnung zwar zur Aufnahme stereoskopischer Bilder geeignet;
zwischen den Aufnahmezeiten zueinander korrespondierender senkrechter Segmente der
beiden Halbbilder liegt jedoch etwa eine Halbdrehung der Zeilenkamera.
Um eine möglichst zeitnahe Aufnahme der linken und rechten Bildsegmente in gleicher
Aufnahmerichtung zu erhalten, können mit Hilfe jeweils einer zweiten optischen
Umlenkeinrichtung in jedem der beiden Strahlengänge diese wieder parallelisiert werden,
so dass beide Strahlenbündel die Kamera parallel, aber dennoch aus gegeneinander
versetzten Ursprungspunkten, verlassen. Der Versatz beider Ursprungspunkte bildet
dann den Basisabstand.
Um die Anzahl optischer Umlenkeinrichtungen zu reduzieren, können die beiden
Strahlenbündel in voneinander verschiedener Weise umgelenkt werden. Dabei ist zu
beachten, dass der optische Abstand zwischen Projektionszentrum und Objekt für beide
Halbbilder stets gleich groß sein muss, um gleiche Abbildungsmaßstäbe zu erreichen.
Zur Durchführung monoskopischer Aufnahmen ohne Änderung der sonstigen Anordnung
kann zwischen den beiden Zeilensensoren noch ein dritter Zeilensensor genau in der
Objektivachse angeordnet sein, dessen Strahlenbündel radial zur Drehachse liegt.
Bei der Anordnung ohne Umlenkeinrichtungen genügt aber bereits die Verschiebung des
Projektionszentrums in die Drehachse, um mit den vorhandenen Zeilensensoren ein
monoskopisches, radial zentriertes Bild aufzuzeichnen.
Anstelle von diskreten Zeilensensoren kann auch ein zweidimensionales Sensorarray, wie
es in der optoelektronischen Bildaufnahme, z. B. in Videokameras, üblich ist, verwendet
werden. In diesem Fall übernehmen dann ausgewählte Einzelzeilen oder Zeilengruppen
des Arrays die Funktion der Zeilensensoren.
Anstelle von mehreren Zeilensensoren kann auch ein einziger Zeilensensor deren
Funktion nacheinander und wechselweise übernehmen, wofür es zwei grundsätzliche
Möglichkeiten gibt:
- 1. Der einzelne Sensor ist verschiebbar angebracht und mit einem Antrieb versehen, damit seine Lage innerhalb der Projektionsfläche zwischen den Positionen der ersetzten Zeilensensoren parallelverschoben werden kann.
- 2. Der einzelne Sensor befindet sich unveränderlich in der optischen Achse des Abbildungsobjektivs. Im Projektionsstrahlengang befindet sich eine dreh- oder verschiebbare optische Umlenkeinrichtung, die den Strahlengang so verändert, als gehöre dieser zum jeweils ersetzten Zeilensensor.
In jedem der beiden Fälle muss das Sensorsignal den beiden Halbbildern wechselweise,
synchron mit der Umschaltung der Lageverschiebung, bzw. des Sensorstrahlenganges,
zugeordnet werden.
Anhand von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung nachstehend erläutert werden.
Fig. 1 zeigt eine mögliche Anordnung in erfindungsgemäßer Ausführung in Draufsicht.
Auf einem feststehenden Unterteil (1) ist ein mittels Drehantrieb (2) drehbarer Aufsatz
(3) befestigt. Auf diesem Aufsatz befindet sich radial zur Drehachse eine Zeilenkamera,
bestehend aus dem Abbildungsobjektiv (4) und drei photoelektrischen Zeilensensoren (5,
6, 7).
Während das zurückverfolgte Strahlenbündel aus dem Sensor (7) die Kamera in
gewohnter Form verlässt und zur üblichen monoskopischen Panoramaaufnahme dient,
treffen die Strahlenbündel der Sensoren (5, 6) auf je einen ersten Spiegel (8, 9), von wo
sie auf je einen zweiten Spiegel (10, 11) umgelenkt werden, der sie zueinander
parallelisiert. In diesem Beispiel gehören die Elemente (S. 4, 8, 10) zum rechten und (6,
4, 9, 11) zum linken Abbildungssystem.
Fig. 2 zeigt zwei weitere vorteilhafte Beispiele zur Spiegelanordnung. Im Beispiel a)
werden die Projektionswege gefaltet, so dass bei kleinen Objektabständen größere
Bildwinkel möglich sind. Beispiel b) zeigt eine Anordnung mit nur drei Spiegeln, die aber
dennoch gleiche Projektionsmaßstäbe für beide Halbbilder gewährleistet.
In allen gezeigten Anordnungen können bei Erhalt der Stereotüchtigkeit die jeweils
äußeren Spiegel entfallen; prinzipiell ändert sich dabei nur der Winkelabstand zwischen
linkem und rechtem Halbbild.
Ein spiegelloses Beispiel zeigt Fig. 3. Hier besteht zwischen dem Projektionszentrum
und dem Drehmittelpunkt eine Exzentrizität E, die zu einem Abstand R zwischen
Drehpunkt und dem Mittelpunktstrahl eines jeden Sensor-Strahlenbündels führt. Es wird
ein wirksamer Basisabstand von 2R erreicht.
Fig. 4 zeigt die Ausführung mit nur einem Zeilensensor und einer optischen
Umlenkeinrichtung. Zwischen dem Objektiv (4) und dem Sensor (7) befindet sich ein
drehbar gelagertes Tetragonprisma (20), das zwei zur optischen Achse symmetrische
Vorzugsrichtungen einnimmt. Der Ersatz des Strahlenganges von einem der ersetzten
Sensoren (6) wird aus dieser Skizze deutlich.
Claims (7)
1. Stereoskopische photoelektrische Panoramakamera mit einer auf einem drehbaren
Aufsatz befestigten Zeilenkamera, deren optische Achse radial zur Drehachse des
Aufsatzes ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Projektionsebene
des Abbildungsobjektivs der Zeilenkamera wenigstens zwei optoelektronische
Zeilensensoren, deren Ausgangssignale zum Aufbau zweier stereoskopischer
Halbbilder getrennt verarbeitet werden, in zueinander paralleler Lage angeordnet sind,
und dass zwischen dem für die einfallenden Objektstrahlen wirksamen optischen
Projektionszentrum der Zeilenkamera und der Drehachse in Richtung der optischen
Achse des Abbildungsobjektivs ein Abstand als Exzentrizität vorhanden ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass objektseitig vor dem
Abbildungsobjektiv wenigstens eine optische Umlenkeinrichtung so angeordnet ist,
dass der Projektionsweg eines einzelnen Zeilensensors der Zeilenkamera abgelenkt
wird, ohne gleichzeitig den Projektionsweg der übrigen Zeilensensoren zu verändern.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle von wenigstens
zwei optoelektronischen Zeilensensoren nur ein Zeilensensor auf einem
Verschiebemechanismus so angebracht ist, dass durch mechanische
Parallelverschiebung in wenigstens zwei verschiedene Vorzugslagen die Funktion der
damit ersetzten Sensoren in zeitlicher Abfolge übernommen wird.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle von wenigstens
zwei optoelektronischen Zeilensensoren nur ein Zeilensensor vorhanden ist und dass
im Abbildungsstrahlengang eine dreh- oder schwenkbare optische Umlenkeinrichtung
so angeordnet ist, dass sie den bildseitigen Strahlengang des Zeilensensors in den
gleichen Verlauf ablenkt, als würde dieser die ersetzten Zeilensensoren erreichen.
5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle der diskreten
optoelektronischen Zeilensensoren ein optoelektronischer Flächensensor vorhanden
ist, dessen Einzelzeilen die Funktion der diskreten Sensorzeilen übernehmen.
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen
Projektionszentrum des Abbildungsobjektivs und der Drehachse veränderlich ist, um
den Basisabstand für die Stereoaufnahme verändern oder auf monoskopische
Darstellung umschalten zu können.
7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer
Zeilensensor in der optischen Achse des Abbildungsobjektivs angeordnet ist, dessen
Strahlengang ohne weitere Ablenkung direkt den Objektraum erreicht, um ein
monoskopisches Bild zentrisch zu projizieren.
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DE10132399A DE10132399C1 (de) | 2001-07-08 | 2001-07-08 | Stereoskopische photoelektrische Panoramakamera |
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