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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konfiguration der Kommunikation
bei einer Vorrichtung zur visuellen Überwachung eines Raumbereiches
mit mehreren Kameramodulen, die in ein Kameramodulnetzwerk integriert
sind, welches mit einer Auswerteeinrichtung zur zielgerichteten
Interpretation von Bildinformationen und/oder bildbeschreibenden
Informationen der Kameramodule verbunden ist, wobei jedes Kameramodul
mindestens einen bildgebenden Sensor zur drahtlosen bidirektionalen
Kommunikation mit mindestens einem weiteren Kameramodul und/oder
mit der Auswerteeinrichtung aufweist.
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Überwachungen
für Sicherheitszwecke
erlangen in vielen Anwendungsfällen,
auch im Umfeld von Transportsystemen, eine zunehmende Bedeutung.
Gleichzeitig gibt es erhebliche Fortschritte im Bereich der bildverarbeitenden
Technologien. Bekannte Systeme auf der Basis von Überwachungskameras
sind jedoch wenig anwendungsfreundlich, da sie mit viel Aufwand
anwendungsspezifisch geplant, konfiguriert, eingestellt und gewartet
werden müssen.
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Ein
Kameramodulnetzwerk mit mehreren Kameramodulen, die bildgebende
Sensoren und drahtlose Kommunikationseinrichtungen aufweisen, ist
aus der WO 03/107293 A1 bekannt.
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Die
DE 197 44 294 A1 offenbart
eine Kameraüberwachung,
bei der Bildinformationen via ISDN an eine Auswerteeinrichtung zur
zielgerichteten Interpretation übertragen
werden.
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Aus
der US 2003/0156189 ist ein Verfahren zur Kamera-Konfiguration gattungsgemäßer Art
bekannt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gattungsgemäßer Art
anzugeben, das eine erheblich gesteigerte Flexibilität bei der
Installation und der Durchführung
der Überwachung
ermöglicht.
Dabei ist insbesondere ein Plug-and-Play-Betrieb auch bei großen Anlagen
anzustreben. Außerdem
soll die Verfügbarkeit
im Hinblick auf Sicherheitsanwendungen erhöht werden.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch folgende Schritte gelöst:
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- – Bei
eingeschalteter Energieversorgung sucht jedes Kameramodul laufend
mit Hilfe seiner Steuereinheit nach kommunikationsbereiten gleichartigen
Kameramodulen und nach geeigneten Servern in Reichweite der Kommunikationseinrichtung
und etabliert je eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsverbindung.
- – Die
Kameramodule führen
nun laufend für
jede der etablierten Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsverbindungen mit
einem geeigneten Verfahren eine Abstandsmessung durch und führen eine Liste
der in Reichweite befindlichen gleichartigen Kameramodule bezüglich deren
Entfernungen, Eigenschaften und Leistungsparameter. Für die Abstandsmessung
wird bevorzugt die Kommunikationseinrichtung selbst genutzt, indem
eine Laufzeitmessung von Informationsmustern durchgeführt wird.
- – Durch
ein geeignetes koordinierendes Verfahren wird in dem gebildeten
Kameramodulnetzwerk genau ein Kameramodul ausgewählt, dessen räumliche
Position als Ursprung eines relativen Koordinatensystems definiert
wird.
- – Das
Kameramodul im Ursprung dieses Koordinatensystems wählt nun
genau ein anderes Kameramodul mit bekanntem Abstand aus, dessen Position
sowohl die Richtung als auch die Skalierung einer ersten Achse des
relativen Koordinatensystems angibt. Das relative Koordinatensystem
ist hiermit auch bezüglich
einer zweiten Achse bei zweidimensionaler Anordnung der Kameramodule
und gegebenenfalls einer dritten Achse bei räumlicher Anordnung der Kameramodule festgelegt.
- – Die
weiteren Kameramodule liegen nun jeweils in definierten Abständen zu
dem ersten und dem zweiten Kameramodul bekannter Position im relativen
Koordinatensystem und lassen sich somit mathematisch einfach in
diesem Koordinatensystem konfigurieren. Durch geeignete Abstimmung des
Vorgangs unter den teilnehmenden Kameramodulen orten sich auf diese
Art alle erreichbaren Kameramodule der Überwachungsvorrichtung im relativen
Koordinatensystem gegenseitig.
- – Durch
einen geeigneten Algorithmus können nun
bedarfsweise redundante Kommunikationsverbindungen abgebaut werden,
so dass einige Kameramodule Relais-Funktionen erhalten, bis hin
zur Ausbildung von Kommunikationsknoten.
- – Durch
ein geeignetes koordinierendes Verfahren wird im Kameramodulnetzwerk
mindestens ein Kameramodul ausgewählt, welches das Kameramodulnetzwerk
mit mindestens einen Server kommunikativ verbindet und somit ein
Gateway zwischen dem Kameramodulnetzwerk und der Serveranordnung
bildet.
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Das
Verfahren zeichnet sich durch vollkommen selbsttätige Konfiguration der Kommunikation aus
und erfordert keine manuelle Planung oder Ausführung.
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Durch
das intelligente Kameramodulnetzwerk ergibt sich eine universell
anwendbare Überwachungsvorrichtung,
die auch für sicherheitsrelevante Anwendungen,
beispielsweise im Eisenbahnumfeld, geeignet ist. Die Anzahl der
in das Netzwerk integrierten Kameramodule ist dabei quasi unbegrenzt. Bevorzugt
handelt es sich um hochintegrierte, intelligente Kameramodule, beispielsweise
AXIS 214 PTZ Network Camera der Firma Axis Communication, die sich
mittels Plug-and-Play selbständig
im Kameramodulnetzwerk anmelden und somit unmittelbar nach ihrer
Installation für Überwachungsaufgaben zur
Verfügung
stehen. Die Kommunikationseinrichtung ist dabei derart ausgebildet,
dass neu in das Kameramodulnetzwerk integrierte Kameramodule erkannt
werden, wie das beispielsweise bei Bluetooth der Fall ist.
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Die
Kameramodule sind mit mindestens einem digitalen bildgebenden Sensor,
beispielsweise einer CCD-Charge-Coupled-Device-Matrix, ausgestattet. Für die Netzwerkfunktion
besitzt jedes Kameramodul mindestens eine Kommunikationseinrichtung
zur drahtlosen bidirektionalen Übertragung
von Bildinformationen und/oder bildbeschreibenden Informationen.
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Nicht
für jede
Aufgabenstellung ist es zielführend,
komplette Bildinhalte der verschiedenen Kameramodule in der Auswerteeinrichtung
zusammenzusetzen. Häufig
genügen
bildbeschreibende Informationen, beispielsweise derart, dass sich
eine Person mit Kinderwagen auf dem Bahnsteig befindet. Diese Funktion
ist vorzugsweise durch Vergleich empfangener Pixelstrukturen mit
in der Auswerteeinrichtung gespeicherten Mustern realisierbar.
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Mindestens
eines der Kameramodule besitzt eine Kommunikationseinrichtung für die bidirektionale Übertragung
von Bildinformationen und/oder bildbeschreibenden Informationen
zu der Auswerteeinrichtung, die auch mehrere Server für unterschiedliche
Auswerteaufgaben umfassen kann.
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Die
Kameramodule besitzen vorzugsweise eine sehr einfache Montageeinrichtung,
z. B. eine Klebefläche
zur Montage an Gebäude-
oder Fahrzeuginnenraumdecken oder -Wänden. Eine präzise Ausrichtung
der Kameramodule bei der Montage ist dabei nicht erforderlich. Sie
können
vielmehr ad hoc irgendwo angeklebt werden. Es ist lediglich dafür zu sorgen,
dass die Reichweite der bidirektionalen Kommunikation größer ist
als der Abstand benachbarter Kameramodule, damit das Kameramodulnetzwerk nicht
auseinander bricht.
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Die
Energieversorgung der Kameramodule kann z. B. durch Netzanschluss
oder durch Akkumulatoren, bevorzugt mit Ladeeinrichtung durch Solarenergie,
erfolgen. Falls nicht vermeidbar, können die Kameramodule mit mechanischen
Einrichtungen und/oder Elektromotoren zur Ausrichtung und/oder Fokussierung
der Sensoren ausgestattet sein.
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Bevorzugt
besitzt jedes Kameramodul mindestens eine bildverarbeitende Recheneinheit,
z. B. einen Signalprozessor mit der erforderlichen Software und
Infrastruktur, wie beispielsweise Speicher. Darüber hinaus sind in den Kameramodulen
Rechner zur Steuerung der Energieversorgung, der Sensoren, der bildverarbeitenden
Recheneinheiten, der Kommunikationseinrichtungen und ggf. weiterer
Funktionseinheiten vorgesehen. Allerdings muss nicht jedes Kameramodul
sämtliche
Funktionseinheiten aufweisen. Ein Kameramodul kann beispielsweise
auch als bloße
Relaisstation oder als Kommunikationsknoten dienen.
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Die
Auswerteeinrichtung, beispielsweise in Form einer Serveranordnung, übernimmt
neben dem Zusammenführen
der Informationen der räumlich verteilten
Kameramodule vorzugsweise auch die Überwachung und Steuerung des
Kameramodulnetzwerkes bis hin zur Vorgabe von Blickwinkel und Bildausschnitt
der einzelnen Sensoren der Kameramodule.
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Zusätzlich zur
Konfiguration der Kommunikation kann gemäß Anspruch 2 auch die Konfiguration
der Bildinformationen oder bildbeschreibenden Informationen der
Kameramodule selbsttätig,
ohne jede manuelle Planung oder Ausführung erfolgen. Dazu sind die
folgenden Schritte vorgesehen:
- – Die Kameramodule
bestimmen laufend mit Hilfe einer geeigneten Einrichtung zur Ausrichtungsmessung
ihre räumliche
Ausrichtung und damit die Ausrichtung ihrer bildgebenden Sensoren
im Raum. Damit sind die Ist-Blickwinkel und Ist-Bildausschnitte
der einzelnen Sensoren eines Kameramoduls der Überwachungseinrichtung zu jeder Zeit
bekannt. Dabei können
auch durch Zoomvorgänge
veränderbare
Bildausschnitte berücksichtig
werden. Die Ausrichtungsmessung kann in einer einfachen Ausführung durch
geeignete Sensoren in dem Kameramodul unterstützt werden. Dafür geeignet
sind beispielsweise Erdmagnetfeldsensoren, GPS-Empfänger (Global
Positioning System) oder Peilsender und -empfänger. In einer komplexeren
Ausführung,
die ohne Sensoren auskommen kann, unter Umständen aber ergänzend zur
einfachen Ausführung
vorteilhaft ist, liegt die grobe Ausrichtung mit der Installation
des Kameramodulnetzwerkes bereits fest und ist den Servern und Kameramodulen
bekannt oder wird zum Zweck der Konfiguration bekannt gemacht, so
dass im Idealfall nur noch eine Feinkonfiguration automatisch durchgeführt werden
muss. Dazu stellen die Kameramodule zunächst fest, welche anderen Kameramodule
einen überlappenden Bildbereich
liefern können
und bestimmen diesen hochgenau durch Bildvergleich mit einem geeigneten
Verfahren der Bildverarbeitung, beispielsweise GPM (Global Pattern
Matching). Der Bildausschnitt wird somit relativ zu den Bildausschnitten
anderer Kameramodule im Raum bestimmt. Es ist vorteilhaft, aber
nicht notwendig, alle relativ bestimmten Bildausschnitte im Kameramodulnetzwerk
auf ein absolutes Koordinatensystem umzurechnen. Dieses sensorlose
Verfahren kann theoretisch auch ohne Kenntnis der groben Ausrichtung
ausgeführt
werden, erfordert denn jedoch ein relativ komplexes Bildverarbeitungsverfahren.
- – Die
Kameramodule kommunizieren laufend die Ist-Blickwinkel und die Ist-Bildausschnitte
ihrer Sensoren mit Hilfe der Kommunikationseinrichtungen, so dass
die Ist-Werte aller
bildgebenden Sensoren im Kameramodulnetzwerk und damit auch in den
Servern zu jeder Zeit bekannt sind.
- – Bevorzugt
werden die Ist-Blickwinkel und Ist-Bildausschnitte in den Koordinaten
angegeben, die durch das oben beschriebene relative Koordinatensystem
im Raum bestimmt sind. Somit wissen alle Kameramodule und Server
zu jeder Zeit, welche Ausschnitte des Gesamtbildes mit welcher Kamera
erfasst werden können.
Das Gesamtbild ist dabei die gedachte dreidimensionale redundanzfreie
Summe der Bildinformationen der Sensoren der Kameramodule.
- – Die
Einstellung der einzelnen Sensoren kann in einer ersten Ausführungsmöglichkeit
von einem oder von mehreren Servern aus erfolgen, die die geforderten
Soll-Blickrichtungen
und Soll-Bildausschnitte in Form einer Anforderung in das Kameramodulnetzwerk
einspeisen. Die Anfrage wird von den Kameramodulen im Kameramodulnetzwerk
verteilt, so dass nach endlicher Zeit das adressierte Kameramodul
die Anforderung erhält und
die Einstellung der Soll-Werte entsprechend vornehmen und ggf. in
analoger Weise auch quittieren kann. In einer zweiten, ggf. zusätzlichen Ausführungsmöglichkeit
kann die Einstellung der Sensoren auch von den Kameramodulen selbst kooperativ
gesteuert stattfinden. Dabei fordert ein Kameramodul ein benachbartes
Kameramodul auf, bestimmte Leistungen zu übernehmen oder die eigene geeignete
Einstellung zu unterstützen.
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In
einem ersten Beispiel hierfür
hat ein Kameramodul 1 die Aufgabe, die Bewegung einer Person
zu verfolgen. Wenn die Person in den Bildbereich des Kameramoduls 2 gerät, was aufgrund
der im Kameramodulnetzwerk verteilten Informationen im Kameramodul 1 erkannt
werden kann, übergibt
das Kameramodul 1 die Verfolgungsaufgabe mit den dafür erforderlichen
Informationen an das Kameramodul 2.
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In
einem anderen Beispiel hat das Kameramodul 1 die Aufgabe,
einen Gegenstand zu qualifizieren, d. h. zu bestimmen, um welche
Art Gegenstand es sich qualitativ handelt. Zielsetzung ist hier
lediglich eine bildbeschreibende Information, etwa derart: "Person mit Kinderwagen". Das Kameramodul 1 weiß aufgrund
der im Kameramodulnetzwerk verteilten Information, dass der Gegenstand
sich auch im Bildbereich des Kameramoduls 2 befindet, welche
einen anderen Blickwinkel als das Kameramodul 1 aufweist.
Das Kameramodul 1 fordert daher von Kameramodul 2 mindestens
ein Einzelbild des Gegenstandes an und zieht dieses in die eigene
Bewertung, d.h. die Bestimmung der Art des Gegenstandes, mit ein. Zusätzlich kann
das Kameramodul 1 vom Kameramodul 2 eine Qualifizierung
des Gegenstandes aus dem Blickwinkel des Kameramoduls 2 anfordern
und das Ergebnis in die eigene Bewertung mit einbeziehen.
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Auf
diese Weise ergibt sich eine selbstkonfigurierende Überwachungsvorrichtung
sowohl hinsichtlich der Kommunikation als auch hinsichtlich der Sensorjustierung.
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Die
Bildverarbeitung durch die Kameramodule und/oder die Server beinhaltet
bevorzugt komplexe Funktionen, insbesondere das Verschmelzen von
Informationen mehrerer Sensoren – Merging-, die Interpretation
der Bildinhalte, die Verarbeitung von dreidimensionalen Informationen
und die Objekt- oder Personenverfolgung über mehrere Kameras. Bei der
Klassifizierung von Objekten oder Personen handelt es sich um bildbeschrei bende
Informationen derart: klein oder groß, bewegt oder unbewegt, Viele
oder Einzelne, Kinder oder Erwachsene, ältere oder junge Menschen,
behinderte Menschen oder Menschen mit Kinderwagen. Dabei werden
bevorzugt bereits vorverarbeitete, d. h. entsprechend abstrahierte
Informationen im Kameramodulnetzwerk weitergegeben, um die erforderliche
Datenrate der Kommunikationseinrichtungen gering zu halten. Insbesondere
bei der Personenverfolgung wird bevorzugt nur Typ, Ort, Bewegungsgeschwindigkeit, Bewegungsrichtung
und ähnliche
Information kommuniziert, nicht jedoch Bildinhalte.
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Die
Funktion der Auswerteeinrichtung bzw. die Serverfunktion beinhaltet
bevorzugt Aufgaben auf der Basis abstrahierter Informationen von
vielen Kameramodulen. Dazu gehört
insbesondere das Merging von abstrakten Informationen, d. h. das
Zusammenführen
der von einzelnen Kameramodulen klassifizierten Personenbewegungen
anhand der an die Auswerteeinrichtung weitergereichten bildbeschreibenden
Informationen, zu einem qualifizierten Personendurchfluss in einem
bestimmten Betrachtungszeitraum, z. B.: „Auf den Zuwegen zum Bahnsteig
befinden sich z. Zt. drei Personen mit Kinderwagen oder Rollstühlen". Zu dem Merging-Aufgaben
gehört
auch das Zusammenführen
von Informationen aus festen und beweglichen Kameramodulen, z. B.
im Bahnhof und im Zug derart: „Drei
Personen verlassen gerade den Zug durch die Tür xyz". Neben dem Merging beinhalten die Funktionen
der Auswerteeinrichtung bzw. die Serverfunktionen weitere Abstraktionen
auf der Basis der zusammengeführten
Informationen, beispielsweise derart: „Der Bahnsteig ist z. Zt.
sehr voll, wird sich jedoch aufgrund des Abflusses nach Norden weitgehend
leeren". Auch Interpretation
der zusammengeführten
und abstrahierten Informationen kann vorgesehen sein, beispielsweise
derart: „Kein
Problem auf Bahnsteig 7".
Für diese
Abstraktionen und Interpretationen eignet sich z. B. ein Vergleichsverfahren
der von den Kameramodulen empfangenen Informationen mit hinterlegten
Mustern. Darüber
hinaus kann auch eine Beeinflussung oder Informationsversorgung übergeordneter
Leitsysteme eines automatisierten Bahnsystems vorgesehen sein.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand figürlicher
Darstellungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung
und
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2 einen
Verfahrensablauf zur Konfiguration der Kommunikation der Überwachungsvorrichtung
gemäß 1.
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In
beiden Figuren sind vier Kameramodule 1a, 1b, 1c und 1d dargestellt,
die an einer Raumdecke eines Bahnhofs verteilt angebracht sind.
Jedes Kameramodul 1a, 1b, 1c und 1d besitzt
bei dieser Ausführungsform
genau vier bildgebende Sensoren 1a1, 1a2, 1a3, 1a4 bis 1d1, 1d2, 1d3 und 1d4,
deren Blickrichtungen und Bildausschnitte, die hier grau unterlegt
angedeutet sind, sich teilweise mit denen anderer Kameramodule überschneiden.
Die Kameramodule 1a, 1b, 1c und 1d wurden
willkürlich
verteilt befestigt und ihre Sensoren 1a1, 1a2 bis 1d4 sind rein
zufällig
ausgerichtet. Die Kameramodule 1a, 1b, 1c und 1d bilden
ein Kameramodulnetzwerk, in dem sie mit den Kameramodulen in ihrer
Umgebung durch Punkt-zu-Punkt-Kommunikation 2 verbunden
sind. Das Kameramodul 1c fungiert außerdem als Gateway zu einem
Bildverarbeitungs-Server 3. Im Beispiel bewegt sich ein
Objekt 4 durch den Raum und wird von mehreren Kameramodulen
gleichzeitig und/oder nacheinander erfasst. Das Objekt 4 wird von
mehreren Kameramodulen verfolgt, die sich für diese Aufgabe kooperativ über das
Kameramodulnetzwerk abstimmen, indem jeweils das Kameramodul mit
der besten Sicht als Hauptverfolger bestimmt wird und die Hauptverfolgerfunktion
entsprechend den Sichtverhältnissen
an benachbarte Kameramodule weitergegeben wird. Die Bildinformati on mehrerer
Kameramodule wird genutzt, um Aussagen zur Dreidimensionalität des Objekts 4 zu
erhalten, wodurch Aussagen zu Volumen, räumlicher Verteilung und Bewegungsabläufen möglich sind.
Der Server 3 interpretiert die Informationen mehrerer Kameramodule
und klassifiziert das Objekt 4 als „Erwachsener Mensch ohne Gepäck, der
es sehr eilig hat".
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In 2 ist
ein Verfahren zur Konfiguration der Kommunikation schematisch dargestellt.
Zunächst
identifizieren sich die Kameramodule, im Beispiel 1a, 1b und 1c gegenseitig
auf funktechnischem Weg und etablieren Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsverbindungen,
welche es den Kameramodulen 1a, 1b und 1c ermöglichen,
ihre Entfernungen a, b, und c zueinander zu ermitteln. Die Kameramodule 1a, 1b und 1c des
Kameramodulnetzwerks einigen sich auf das Kameramodul 1a als
Ursprung eines gemeinsamen relativen Koordinatensystems mit den Koordinaten
[0; 0]. Das Kameramodul 1a sucht sich das Kameramodul 1b als
Partner aus, um eine x-Achse des relativen Koordinatensystems zu
definieren, indem das Kameramodul 1b die Koordinaten [a;
0] erhält.
Anschließend
bestimmt das Kameramodul 1c seine Koordinaten rechnerisch
aus seinen geometrischen Abständen
c zum Kameramodul 1a und b zum Kameramodul 1b.
Auf die gleiche Weise bestimmen auch die weiteren Kameramodule ihre Koordinaten.
Aus den sich daraus ergebenden Koordinaten der bildgebenden Sensoren
der einzelnen Kameramodule 1a, 1b, 1c und 1d bestimmen
diese den genauen Bildbereich, wobei in 2 beispielhaft der
Bildbereich 5 des Sensors 1d1 des Kameramoduls 1d dargestellt
ist.