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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung insbesondere zum Echtzeit-Luftbild-Überwachen aus Flugzeugen nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Luftbild-Überwachungsaufnahmen
aus Flugzeugen erfolgen üblicherweise
entweder als Streifenaufnahmen oder als Punktaufnahmen.
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Bei
der Streifenaufnahme werden traditionell flugzeugfest abwärts blickende
Zeilenkameras, sogenannte Line-Scanner-Kameras, eingesetzt, deren quer
zur Flugrichtung orientierte Aufnahmezeilen über die Vorwärtsbewegung
des Flugzeuges bzw. Fluggerätes
zu einem Bildteppich des überflogenen Gebietes
zusammenfügbar
sind.
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In
neuerer Technik werden für
die Streifenaufnahme anstelle der Zeilenkameras Flächensensor-Kameras,
sogenannte Focal-Plane-Array-Kameras, in Fächeranordnung eingesetzt, deren
abwärts blickende
Gesichtsfelder quer zur Flugrichtung überlappend aneinander stoßen und
in der Zusammenmontage einen Bildstreifen ergeben. Die Abfolge der Bildstreifen
in Flugrichtung lässt
wiederum während des
Fluges einen Bildteppich des überflogenen
Bereiches, des sogenannten Footprints, entstehen.
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Solche
Bildstreifen werden bei der Echtzeit-Luftbeobachtung durch Fächeranordnung
aus einzelnen elektronischen Bildfolgekameras (Videokameras) aufgenommen.
Die dabei erzielte Gesamtauflösung
ist in der Breitendimension ein Mehrfaches der Auflösung der
einzelnen Videokameras entsprechend der Anzahl der den Bildfächer aufspannenden
Einzelkameras.
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Die
Funkübertragung
der Einzelbilder der Bildfolge, der sogenannten Video-Frames, erfolgt
bei der Fächeranordnung üblicherweise
in einem sequenziellen periodischen Zyklus über die Einzelkameras mit der
zwingenden Folge einer entsprechenden Verminderung der Bildwiederholfrequenz
jeder einzelnen Kamera.
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Voraussetzung
für die örtliche
Kohärenz
dieser sequenziellen Bildstreifenübertragung ist eine ausreichend
hohe Bildfolgefrequenz bzw. eine ausreichend niedrige Fluggeschwindigkeit
derart, dass zeitlich aufeinander folgende Einzelbilder, die vorgenannten
Video-Frames, derselben Einzelkamera sich jeweils überlappen,
zumindest aber lückenlos
aneinander anschließen.
In solcher Weise überlappend anschließende Bilder
können
gemäß dem Stand
der Technik mittels digitaler Bildverarbeitung bruchfrei ("nahtlos") zu zusammenhängenden
großen
Bildern montiert ("mosaikiert") werden.
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Eine
solche Einrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs
1 ist aus der
DE 101
12 009 A1 bekannt. Es ist auch möglich, die sequenzielle Aufnahme
von Bildstreifen statt durch einen Fächer simultan arbeitender Kameras
durch nur eine einzige stufenhaft geschwenkte Videokamera oder durch
die Schwenkung eines die Blickrichtung bestimmenden Umlenkspiegels
vor dieser einen Videokamera herbeizuführen. Eine solche Einrichtung
ist ebenfalls in der vorgenannten Druckschrift beschrieben. Dabei
bildet jedoch der notwendige schnelle periodische Wechsel einerseits
zwischen dem sprunghaften Blickrichtungsschwenk und andererseits
dem zwecks Vermeidung von Bewegungsunschärfe erforderlichen Nahezu-Stillstand
während der
Belichtungszeit eine erhebliche technische Komplikation, die derartige
Aufnahmen trotz ihrer hardwareseitigen Einfachheit auf Sonderanwendungen beschränkt.
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Ferner
ist aus der
DE 38 02
541 C2 eine Vorrichtung zur Flugzeug gestützten Bildaufnahme
bekannt, die mehrere Kameras umfasst. Hierbei sind die Blickrichtungen
von zwei Kameras einstellbar.
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Alternativ
zu der zuvor beschriebenen, automatisch ablaufenden, nicht interaktiven
Streifenaufnahme steht die Punktaufnahme, nämlich die interaktiv in der
Blickrichtung gesteuerte Echtzeit-Beobachtung von ausgewählten Bodenbereichen
mit Hilfe einer schwenkbar gelagerten Kameraanordnung, deren optische
Achse in ihrer Raumrichtung auf einen interessierenden Bodenbereich
geschwenkt werden kann. Diese Vorgehensweise wird vielfach Objekt-Tracking
bezeichnet.
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Die
bei einer solchen Kameraanordnung verwendeten Videokameras haben
meist rechteckige (üblicherweise
mit den standardisierten Proportionen 4:3, 3:2 oder 16:9) oder quadratische
Bildsensoren und verwenden in üblicher
Weise Objektive mit veränderlichen
Brennweiten, nämlich
sogenannte optische Zoom-Objektive. Dadurch wird wahlweise entweder
ein breiterer Gesichtsfeldwinkel mit geringer Objektauflösung oder
ein schmalerer Gesichtsfeldwinkel mit hoher Objektauflösung abgebildet
mit stetigem oder stufenartigem Übergang
zwischen diesen beiden Extremen.
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Alternativ
zu Videokameras mit optischem Zoom-Objektiv sind im Ergebnis funktionsgleich
auch mehrere fest miteinander verbundene, simultan arbeitende, koaxial
blickende Kameras mit jeweils einem Festbrennweiten-Objektiv im
Einsatz, welche optische Stufenzoom-Kameracluster bezeichnet werden.
Diese haben den Vorteil einer Vermeidung der Vibrationsanfälligkeit
eines verstellbaren und damit mechanisch komplexen Zoom-Objektivs.
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Technisch
problematisch ist bei der Verwendung von stetigen oder gestuften
Zoom-Videokameras,
dass mit kleiner werdendem Gesichtsfeldwinkel einer Zoom-Videokamera
die Anforderung an die mechanische Lagestabilisierung der Kameraplattform steigt.
Der gewählte
Bodenbereich darf nämlich
nicht infolge von Bewegungsunruhe der Kamerablickrichtung aus dem
Gesichtsfeld geraten. Hierfür
ist eine mechanische Raumlagestabilität der Kamerablickrichtung im
Bereich von einem Bruchteil des Gesichtsfeldwinkels der schmalwinkligsten
Zoomstufe erforderlich, was bei schmalen Gesichtsfeldwinkeln einen
hohen mechanischen Aufwand und insofern ein hohes Ausrüstungsgewicht
erforderlich macht.
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Die üblicherweise
in der Luftbeobachtung verwendeten Standard-Videokameras sind entweder im
sichtbaren Spektrum oder im Infrarot-Spektrum empfindlich und basieren
auf den Fernsehnormen NTSC, PAL oder SECAM. Diese Videokameras sind somit
durch eine relativ geringe Bildauflösung (Pixelauflösung) im
Norm entsprechenden Bereich 640×480
Pixel bis 768×576
Pixel gekennzeichnet.
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Hoch
auflösende
Videokameras zum Beispiel gemäß dem Fernsehstandard
HDV oder gemäß Computerbildschirmformaten
wie SVGA, XGA oder UXGA und digitale Fotokameras (Standbildkameras) erbringen
hier eine wesentliche Auflösungssteigerung,
jedoch um den Nachteil eines höheren
Signalbandbreitenbedarfs für
die Echtzeit-Funkübertragung der
weitaus mehr Information enthaltenden Bilder, ferner im Fall hoch
auflösender
digitaler Fotokameras um dem Nachteil einer Bildsensor bedingt gegenüber üblichen
Videobildfolgen verminderten Bildfolgefrequenz, entsprechend dem
Stand der Bildsensortechnik.
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Eine übliche Technik,
die erforderliche Signalbandbreite bei höher auflösenden Bildern pragmatisch
zu begrenzen, besteht darin, aus den höher auflösenden Bildern Standard-Video
auflösende Ausschnitte
oder Grobübersichten
auszuwählen
und zu übertragen,
digitaler Zoom bezeichnet. Dabei ist die Standard-Video-Auflösung des
digitalen Zoom-Ausschnitts bzw. der Grobübersicht verfahrensbedingt
stets geringer als die verfügbare
Auflösung
des Gesamtbildes.
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Sofern
Video-Bildfolgen mit geringerer als Standard-Video-Bildfolgefrequenz
(25 oder 30 Bilder pro Sekunde) oder Film-Bildfolgefreqenz (24 Bilder pro
Sekunde bei Kinofilmen, 18 Bilder pro Sekunde bei Amateur-Schmalfilmen)
visuell dargestellt werden, erscheinen dem Betrachter die bewegten
Szenen zeitlich ruckhaft und gegebenenfalls örtlich sprunghaft. Hierzu ist
es jedoch nach dem Stand der Technik möglich, durch digitale Bildverarbeitung
eine visuelle Verstetigung, d.h. zeitliche und örtliche Glättung und Stabilisierung durch
geometrische Verschiebung der Einzelbilder, örtliche Glättung genannt, und Interpolation
von Zwischenbildern, zeitliche Glättung genannt, zu erreichen.
Deshalb ist nach dem Stand der Technik auch für Bildfolgen ähnlicher Bildinhalte
mit Folgefrequenzen im Bereich von ca. 1 Bild pro Sekunde bis ca.
18 Bilder pro Sekunde die Bezeichnung Videobildfolge gebräuchlich,
und Kameras mit Bildausgabefrequenzen in diesem Bereich werden vielfach
auch als Videokameras bezeichnet. Diese Begriffserweiterung wird
auch in dieser Beschreibung und den Ansprüchen verwendet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bildaufnahme- und Übertragungs-Einrichtung der eingangs
erwähnten
Art zu schaffen, welche flexibler und trotzdem mindestens mit Standard-Auflösung arbeitet.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Da
das Gesichtsfeld von mindestens einer der Videokameras relativ zu
den übrigen
mittels einer bistabilen Drehwippe derart verstellbar ist, dass
das Format des Ergebnisbildes der mindestens zwei Videokameras beliebig
zwischen einem gestreckten Format in Form einer Streifenaufnahme
und einem kompakt-rechteckigen Format in Form einer Punkt- oder
Spotaufnahme umschaltbar ist, entsteht im Ergebnis je nach relativer
Blickrichtungseinstellung in den Videokameras entweder ein eher
gestrecktstreifenförmiges
oder ein eher kompakt-rechteckiges Bildformat entsprechend der zuvor
erläuterten
Alternativen der Streifen- oder Punktaufnahme. So ist es erfindungsgemäß möglich, die
Streifenaufnahme für die Übersichtsbeobachtung
einzusetzen und im Fall der Entdeckung einer näher zu betrachtenden Bodenszene
die Videokameras auf die Punktbeobachtung (Matrixanordnung) umzuschalten.
Im letztgenannten Fall kann durch interaktive Verschwenkung der
Kameras und gegebenenfalls durch Schleifenflug des Flugzeugs der
interessierende Bereich bzw. sogar ein Einzelobjekt in diesem Bereich über längere Zeit
im Gesichtsfeld der Videokameras behalten werden, bis die Rückkehr in
den Übersichtsflug
und damit die Umschaltung der Videokameras in den Vektorzustand
erfolgt. Vorteilhaft ist dabei bezogen auf einen praktischen Anwendungsfall,
dass bei der interaktiven Objektverfolgung, wie erwähnt Objekt-Tracking
genannt, die Matrixanordnung infolge der gesteigerten Gesamtbildauflösung die
Praxisanforderungen an die Bildrichtungssteuerung, d.h. an die Lagestabilität der Verstelleinrichtung,
in der schmalwinkligsten Zoomstufe we sentlich, nämlich etwa um den reziproken
Faktor der Quadratwurzel aus der Anzahl der Videokameras, reduziert
und dass vielmehr die Bildstabilisierung infolge der Auflösungsreserve (Randausweichreserve)
ausschließlich
elektronisch, d.h. in einfacherer und kostengünstigerer Weise, durchgeführt werden
kann. Die Drehwippe hat den Vorteil eines einfachen Aufbaus und
einer hohen Reproduzierbarkeit der vorzugsweise durch mechanische
Anschläge
bestimmten binären
Stellungsalternativen. Eine sich dabei möglicherweise ergebende systematische
Winkelverdrehung der Einzelbilder um die Lotachse des Gesamtbildes,
auch Ergebnisbild genannt, kann anschließend in einfacher Weise in der
elektronischen Bildmosaikierungseinrichtung systematisch kompensiert,
d.h. rückgedreht
werden.
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Erfindungsgemäß ist es
unerheblich, ob die elektromechanische Veränderung der relativen Kamerablickrichtungen
durch individuelle Gesamtbewegung der einzelnen Kameras oder durch
individuelle Bewegung optischer Elemente, wie beispielsweise Umlenkspiegel
vor den Kameraobjektiven, erfolgt. Auch ist es unerheblich, ob die
elektromechanische Veränderung
der relativen Kamerablickrichtungen stetig oder in Stufen erfolgt.
Unerheblich ist schließlich
ferner, ob die Bildsignalverbindung von den Videokameras zu der
Bildmosaikierungseinrichtung kabelgebunden oder drahtlos erfolgt
und welche Übertragungsdistanz
dabei zu überbrücken ist,
d.h. auch, ob sie an Bord des kameratragenden Flugzeugs oder am
Boden erfolgt. Beide Varianten sind möglich. Die erfindungsgemäße Einrichtung
ermöglicht
also mit Hilfe von Video-Vektor/Matrix-Kameras
wahlweise sowohl die Streifenaufnahme als auch Punktaufnahme.
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Erfindungsgemäß können die
Größen der Gesichtsfelder
der Videokameras gleich oder verschieden groß sein, wobei mehrere Videokameras
innerhalb eines sogenannten Kamerakomplexes gleiche Gesichtsfeldgrößen aufweisen
können.
Es ist insofern erfindungsgemäß nicht
erforderlich, dass die Gesichtsfelder der einzelnen Videokameras
eine einheitliche Größe aufweisen
müssen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind wenigstens Z = N × M unabhängig voneinander
verstellbare Videokameras mit vorzugsweise gleichen Ge sichtsfeldgrößen vorgesehen,
wobei N eine natürliche
Zahl ≥ 1
und M eine natürliche Zahl ≥ 2 darstellen,
welche Videokameras einen Vektor aus einer Zeile mit Z = N × M Komponenten
mit den Einzelbildern als Vektorkomponenten oder eine Matrix aus
N Zeilen und M Spalten oder N Spalten und M Zeilen mit den Einzelbildern
als Matrixelementen bilden, wobei im letztgenannten Fall der Matrix wenigstens
vier Videokameras vorgesehen sind.
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Vorzugsweise
ist bei einem Bildstreifenvektor aus Z Einzelbildern eine Gesamt-Gesichtsfeldgröße über die
Bildbreite von nahezu Z-facher Gesichtsfeldgröße der einzelnen Videokameras
oder bei einer Bildfeldmatrix aus N Zeilen und M Spalten eine linear N-
oder M-fach erhöhte
Gesichtsfeldgröße gegenüber derjenigen
der einzelnen Videokameras realisierbar, wobei im letztgenannten
Fall N und M identisch und ≥ 2
sind. Somit lässt
sich sowohl bei der Vektoranordnung als auch bei der Matrixanordnung
der Videokameras eine zum Teil beträchtliche Verbesserung der Gesichtsfeldgröße im Vergleich
zu derjenigen der einzelnen Videokameras erreichen.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung bilden die Videokameras einen gesondert verstellbaren
Kamerakomplex, welcher vorzugsweise an einer Kardanschwenkeinrichtung
befestigt und mittels dieser verstellbar ist. Insofern können die
einzelnen Videokameras in zweifacher Hinsicht verstellbar ausgebildet
sein. Auf der einen Seite kann der gesamte Kamerakomplex mit Hilfe
der Kardanschwenkeinrichtung verstellt werden, auf der anderen Seite
kann jede einzelne Kamera innerhalb des Kamerakomplexes verstellbar
ausgebildet sein. Die erfindungsgemäße Einrichtung ist damit äußerst flexibel
und mit beträchtlich
gesteigerter Bildqualität
einsetzbar. Vorteilhaft ist bei der letztgenannten Weiterbildung
ferner, dass die Streifenaufnahme mittels der genannten kardanischen
Geneigtschwenkung des Kamerakomplexes auch als Geneigtaufnahme erfolgen
kann mit dem Ergebnis eines Bildteppichs mit Schrägansichten
aller Bodenobjekte. Diese Art der Aufnahme ist bei flugzeugfester,
zur Flugzeughochachse orientierter Montage der Einrichtung für die Streifenaufnahme
(Line-Scanner) nicht oder aufgrund des erforderlichen großen Nickwinkels
des Flugzeugs nur für
jeweils ein kurzes Zeitintervall möglich.
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Vorteilhafterweise
ist bei drei Videokameras eine Videokamera starr im Kamerakomplex
angeordnet. Dadurch lässt
sich die erfindungsgemäße Einrichtung
mechanisch erheblich vereinfachen. Die Blickrichtung des Kamerakomplexes
insgesamt und damit auch der fixierten Kameras wird durch die vorerwähnte Kardanschwenkeinrichtung
gesteuert.
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Vorteilhafterweise
sind bei mehr als drei Videokameras mindestens zwei Videokameras
starr im Kamerakomplex angeordnet. Auch in diesem Fall lässt sich
mit der erfindungsgemäßen Einrichtung eine
erhebliche mechanische Vereinfachung erzielen.
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Gemäß einer
anderen Weiterbildung ist bei einer ungeraden Anzahl von Videokameras
die Blickrichtung der mittleren Videokamera in Nadirrichtung, d.h.
senkrecht nach unten, ausgerichtet und ist der Kamerakomplex mittels
der Kardanschwenkeinrichtung um die Längsachse (Rollachse) und die
Querachse (Nickachse) des Flugzeugs verstellbar. Auf diese Weise
ist es möglich,
mittels der Vektoranordnung Landkarten referenzierbare Bildteppiche
zu erhalten, wohingegen bei der Matrixanordnung die mittlere Blickrichtung
mit Hilfe der Schwenkwinkel der Kardanschwenkeinrichtung und der
Raumlagewinkel des Flugzeugs in einfacher Weise durch Euler-Winkel
beschrieben werden können,
die die Koordinatentransformation zwischen dem geodätischen
und dem flugzeugfesten Referenzsystem vermitteln.
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Ausführungsbeispiele
des Erfindungsgegenstandes werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert, wobei
alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder
in beliebiger Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung
unabhängig
von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung
bilden. Es zeigen:
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1 eine
schematische, teilweise perspektivische Ansicht einer Einrichtung
insbesondere zum Echtzeit-Luftbild-Überwachen aus Flugzeugen;
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2 eine
schematische Draufsicht auf relativ zueinander verstellte Gesichtsfelder
zweier Videokameras in Form einer Streifenaufnahme;
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3 eine
schematische Draufsicht auf relativ zueinander verstellte Gesichtsfelder
zweier Videokameras in Form einer Punktaufnahme;
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4 eine
schematische Anordnung der Gesichtsfelder von drei Videokameras
in Form einer Streifenaufnahme;
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5 eine
schematische Anordnung der Gesichtsfelder von drei Videokameras
in Form einer Punktaufnahme;
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6 eine
schematische Draufsicht auf die Gesichtsfelder von drei Videokameras
in Form einer modifizierten Streifenaufnahme;
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7 eine
schematische Draufsicht auf relativ zueinander verstellte Gesichtsfelder
von vier Videokameras in Form einer Streifenaufnahme;
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8 eine
schematische Draufsicht auf relativ zueinander verstellte Gesichtsfelder
von vier Videokameras in Form einer Punktaufnahme;
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9 eine
schematische Draufsicht auf Gesichtsfelder von sechs jeweils zu
drei Paaren zusammengefassten Videokameras in Form einer Streifenaufnahme;
und
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10 eine
schematische Draufsicht auf sechs jeweils paarweise zusammengefasste
Gesichtsfelder von sechs Videokameras in Form einer Punktaufnahme.
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Eine
Einrichtung 1 insbesondere zum Echtzeit-Luftbild-Überwachen
aus Fahrzeugen wie beispielsweise Flugzeugen ist schematisch in
einer teilweise perspektivischen Ansicht in 1 gezeigt.
In 1 ist ein Teil des Flugzeugs 2 lediglich
schematisch angedeutet. Die Einrichtung 1 ist also zumindest teilweise
vornehmlich an Flugzeugen montiert bzw. in diese eingebaut.
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Die
Einrichtung 1 hat mehrere Videokameras 3 bis 5,
wobei erfindungsgemäß mindestens
zwei Videokameras vorgesehen sind. Bei dem in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung sind drei Videokameras 3 bis 5 dargestellt.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden aus den Bildern
von zwei Kameras mit jeweils gleicher, rechteckiger Gesichtsfeldgröße Bildfelder
mosaikiert, die folgende binäre
Alternativen darstellen: Die Bildfelder sind in ihrer Breitenrichtung "nebeneinander" aneinandergereiht,
einen schmalen Streifen bildend, oder in ihrer Höhenrichtung "übereinander" aneinandergereiht, ein kompaktes Rechteck
bildend.
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Die
Gesichtsfelder 6 bis 11 der Kameras sind derart
ausgebildet, dass diese zumindest lückenlos aneinander anschließen. In
den 2 bis 10 sind die Gesichtsfelder derart
angeordnet, dass sich aneinander anliegende Gesichtsfelder geringfügig überlappen.
Es ist klar, dass jede Videokamera ein eigenes Gesichtsfeld hat,
so dass in den 2 und 3 Gesichtsfelder 6, 7 von
zwei Videokameras, in den 4 bis 6 Gesichtsfelder 6 bis 8 von
drei Videokameras, in den 7 und 8 Gesichtsfelder 6 bis 9 von
vier Videokameras und in den 9 und 10 Gesichtsfelder 6 bis 11 von
sechs Videokameras dargestellt sind.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass es gemäß einer anderen, in den Zeichnungen
nicht dargestellten Ausführungsform
auch möglich
ist, aneinander anschließende
Gesichtsfelder lediglich durch eine, vorzugsweise mit einem Umlenkspiegel
versehene Videokamera bereitzustellen.
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In
den 2 und 3 sind zwei Gesichtsfelder 6 und 7 gezeigt,
in den 4 bis 6 drei Gesichtsfelder 6 bis 8,
in den 7 und 8 vier Gesichtsfelder 6 bis 9 und
in den 8 und 9 sechs Gesichtsfelder 6 bis 11.
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Ferner
hat die Einrichtung 1 eine Bildmosaikierungseinrichtung 12,
welche mittels einer Übertragungsstrecke 13 und
Leitungen 14 bis 16 mit den einzelnen Videokameras 3 bis 5 verbunden
ist. Insofern sind also die von jeder Videokamera erzeugten Bildsignale über die
Leitungen 14 bis 16 und die Übertragungsstrecke 13 der
Bildmosaikierungseinrichtung 12 zuführbar. Die Bildmosaikierungseinrichtung 12 empfängt Bildsignale
der Videokameras 3 bis 5 und formt aus deren Einzelbildern 17 bis 22 ein
zusammenhängendes
Ergebnisbild 23. Das Ergebnisbild 23 wird auch
Resultatbild oder Gesamtbild genannt. Das Ergebnisbild 23 ist
daher das jeweils aus den Einzelbildern 17 bis 22 zusammengesetzte
Gesamtbild. Die Bildmosaikierungseinrichtung 12 gibt das
Ergebnisbild 23 in Form eines Bildsignals 24 elektronisch aus
und ist bord- oder bodenseitig angeordnet.
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Erfindungsgemäß ist das
Gesichtsfeld 6 bis 11 von mindestens einer der
Videokameras relativ zu den übrigen
derart verstellbar, dass das Format des Ergebnisbildes 23 beliebig
zwischen einer durch Vektoranordnung sich ergebenden Streifenaufnahme 25 und
einer durch Matrixanordnung sich ergebenden Punktaufnahme 26 umschaltbar
ist.
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Die
Größen der
Gesichtsfelder 6 bis 11 der Videokameras 3 bis 5 sind
gleich oder verschieden groß.
Verschieden große
Gesichtsfelder sind beispielsweise in den 4 bis 6,
gleich große
Gesichtsfelder in den 2 und 3 sowie
7 bis 10 gezeigt. Wie beispielhaft in den 4 bis 6 dargestellt,
können
einige Gesichtsfelder gleich groß, ein oder mehrere andere
Gesichtsfelder im Vergleich zu ersteren hingegen verschieden groß ausgebildet sein.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung sind wenigstens Z = N × M unabhängig voneinander verstellbare
Videokameras mit vorzugsweise gleichen Gesichtsfeldgrößen vorgesehen,
wobei N eine natürliche
Zahl ≥ 1
und M eine natürliche Zahl ≥ 2 darstellen.
Die Videokameras bilden einen Vektor aus einer Zeile mit Z = N × M Komponenten mit
den Einzelbildern 17 bis 22 als Vektorkomponenten
oder eine Matrix aus N Zeilen und M Spalten oder N Spalten und M
Zeilen mit den Einzelbildern 17 bis 22 als Matrixelementen,
wobei im letztgenannten Fall der Matrix wenigstens vier Videokameras
vorgesehen sind. Die natürlichen
Zahlen N und M können auch
beide ≥ 2
sein.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist bei einem Bildstreifenvektor aus Z Einzelbildern
eine Gesamt-Gesichtsfeldgröße über die
Bildbreite von nahezu Z-facher Gesichtsfeldgröße der einzelnen Videokameras
oder bei einer Bildfeldmatrix aus N Zeilen und M Spalten eine linear
N- oder M-fach erhöhte
Gesichtsfeldgröße gegenüber derjenigen
der einzelnen Videokameras realisierbar, wobei im letztgenannten
Fall die natürlichen
Zahlen N und M identisch und ≥ 2
sind. Besonders vorteilhaft für
die praktische Anwendung sind Anordnungen von 4 = 2 × 2, 6 =
2 × 3,
8 = 2 × 4
oder 9 = 3 × 3
Kameras jeweils gleicher Gesichtsfeldgröße.
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So
ergibt sich beispielsweise aus einer Anordnung mit neun Videokameras
entweder ein Bildstreifenvektor aus neun Einzelbildern mit einer
Gesamt-Gesichtsfeldgröße über die
Bildbreite von fast 9-facher Gesichtsfeldgröße der Einzelkameras oder eine
Bildfeldmatrix aus drei Zeilen und drei Spalten mit linear 3-fach
erhöhter
Gesichtsfeldgröße gegenüber den
Einzelkameras. Mit dieser Anordnung ist ein digitaler Dreifach-Zoom
möglich,
ohne dass im Ergebnisbild die Bildauflösung der Einzelkameras unterschritten
wird.
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Sofern
Videokameras mit höherer
Auflösung als
Standard-Video-Auflösung,
wie z.B. bei HDV-Kameras oder XGA-Kameras, verwendet werden, die Bilddarstellung
jedoch in Standard-Videoauflösung erfolgt,
entspricht die zusätzliche
lineare Auflösungssteigerung
dem Quotienten aus der linearen Auflösung der verwendeten, höher auflösenden Videokameras
dividiert durch die lineare Auflösung
der Standard-Videokameras.
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Gemäß einer
in 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung bilden
die Videokameras 3 bis 5 einen gesondert verstellbaren
Kamerakomplex 27. Dieser Kamerakomplex 27 ist
an einer Kardanschwenkeinrichtung 30 befestigt und mittels
dieser insgesamt verstellbar. Dazu weist die Kardanschwenkeinrichtung 30 Schwenkantriebe 31, 32,
beispielsweise um die Rollachse 33 und die Nickachse 34 des
lediglich schematisch angedeuteten Flugzeugs 2 auf. Ferner
ist gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform
der Erfindung innerhalb des Kamerakomplexes 27 pro Videokamera 3 bis 5 eine weitere
Verstelleinrichtung 35 bis 37 vorgesehen. Jede
Verstelleinrichtung 35 bis 37 bewirkt eine Relativverstellung
der jeweiligen Videokamera innerhalb des Kamerakomplexes 27.
In 1 sind die Verstellrichtungen der Videokameras 3 bis 5 durch
die Doppelpfeile A bis C angedeutet.
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Der
gesamte Kamerakomplex 27 ist mit der Kardanschwenkeinrichtung 30 verbunden
und über letztere
an dem Flugzeug 2 befestigt. Die den Kamerakomplex 27 tragende
Kardanschwenkeinrichtung 30 kann als Kardangelenk an den
Kamerakomplex an einem Punkt angreifend oder als Kardanrahmen den
Kamerakomplex insgesamt umfassend ausgeführt sein.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
bei drei Videokameras eine Videokamera in dem Kamerakomplex 27 relativ
zu den beiden übrigen
Videokameras fixiert. Daraus folgt, dass diese eine Videokamera
starr im Kamerakomplex angeordnet ist, hingegen die beiden übrigen Videokameras
verstellbar im Kamerakomplex ausgebildet und angeordnet sind. Der
Kamerakomplex 27 ist, wie zuvor erwähnt, vorzugsweise an der Kardanschwenkeinrichtung 30 befestigt.
Es ist aber auch möglich,
den Kamerakomplex starr mit dem nicht näher gezeigten Flugzeug 2 zu
verbinden. Bei der letztgenannten Ausführungsform ist somit eine Videokamera
starr mit dem Flugzeug verbunden und daher relativ zum Flugzeug nicht
verstellbar ausgebildet, die beiden übrigen Videokameras sind hingegen
relativ zum Flugzeug und relativ zueinander verstellbar ausgebildet.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung sind bei mehr als drei Videokameras mindestens zwei
Videokameras starr im Kamerakomplex angeordnet. Auch bei dieser
Ausführungsform
kann der Kamerakomplex, wie zuvor bei der drei Videokameras aufweisenden
Ausführungsform
an der Kardanschwenkeinrichtung oder starr, d.h. unmittelbar mit
dem Flugzeug verbunden sein.
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Sofern
der Kamerakomplex an der Kardanschwenkeinrichtung befestigt ist,
wird die Blickrichtung des Kamerakomplexes insgesamt und damit auch
der fixierten Kamera bzw. Kameras durch die Kardanschwenkeinrichtung
gesteuert.
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Erfindungsgemäß ist das
Gesichtsfeld von mindestens einer der Videokameras mittels einer
bistabilen, vorzugsweise elektromechanisch ausgebildeten Drehwippe
jeweils zwischen zwei Blickrichtungen umschaltbar. Dabei sind beispielsweise
bei der Anordnung von vier Videokameras zwei Kameras im Kamerakomplex
fixiert und zwei Kameras über
die erwähnten
Drehwippen elektromechanisch zwischen den genannten Zuständen Streifenaufnahme
(Vektoranordnung) bzw. Punktaufnahme (Matrixanordnung) umschaltbar.
Es ist möglich,
zwei dieser Kameras ihrerseits als "fixiertes Paar" zu gruppieren, worauf später in Bezug
auf das in den 9 und 10 dargestellte
Ausführungsbeispiel
noch näher
eingegangen wird.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung ist bei einer ungeraden Anzahl von Videokameras die
Blickrichtung der mittleren Videokamera in Nadirrichtung, d.h. senkrecht
nach unten zum Erdmittelpunkt hin, ausgerichtet, wobei der Kamerakomplex 27 mittels
der Kardanschwenkeinrichtung 30 um die Längsachse,
Rollachse 33 genannt, und die Querachse, Nickachse 34 genannt,
des Flugzeugs 2 verstellbar ist. Gemäß einer anderen Ausführungsform
der Erfindung ist es möglich,
anstelle des Kamerakomplexes die andere Videokamera oder einige der
weiteren Videokameras um die genannten Achsen verstellbar anzuordnen
und auszubilden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung sind bei einem Kamerakomplex von mehr als drei Videokameras
jeweils Gruppen, d.h. Paare oder Triple, von Kameras in ihren nicht
koaxialen Blickrichtungen zueinander mechanisch vorfixiert, wobei
die jeweilige Gruppe gemeinsam verstellbar mit dem Vorteil angeordnet
ist, dass weniger Verstelleinrichtungen bzw. Verstellelemente erforderlich sind
und dass innerhalb der jeweiligen Gruppe eine hohe Genauigkeit der
relativen Blickrichtungen durch die Vorfixierung auf einfache Weise
erreichbar ist. Ein solches Ausfüh rungsbeispiel
ist in Bezug auf eine Streifenaufnahme in 9 und in
Bezug auf eine Punktaufnahme in 10 gezeigt.
Danach gehören die
Gesichtsfelder 6 und 7 mit den Einzelbildern 17 und 18 zu
einer ersten Gruppe aus zwei Videokameras, die Gesichtsfelder 8 und 9 mit
den Einzelbildern 19 und 20 zu einer zweiten Gruppe
von Videokameras und die Gesichtsfelder 10 und 11 mit
den Einzelbildern 21 und 22 zu einer dritten Gruppe
bestehend aus zwei Videokameras. Das zwischen den beiden Gesichtsfeldern
jeder Gruppe angeordnete Kreissymbol soll verdeutlichen, dass die
dem Kreissymbol benachbarten Gesichtsfelder jeweils über ihre
Videokameras zu einer Gruppe zusammengefasst sind.
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Zusammengefasst
zeigen daher die 2 und 3 binäre Stellungsalternativen
bei zwei Videokameras mit gleicher Größe der Gesichtsfelder 6 und 7 und
damit auch der Einzelbilder 17 und 18. In 2 ist
eine erste Stellungsalternative, nämlich die Streifenaufnahme 25,
auch Vektoranordnung genannt, und in 3 die Punktaufnahme 26,
auch Matrixanordnung genannt, dargestellt. Ein Wechsel vom einen
zum anderen Aufnahmeformat geschieht im dargestellten Fall durch
Verstellen des Gesichtsfeldes 6 einmal aus der in 2 oberhalb
des Gesichtsfeldes 6 angeordneten, gestrichelten Matrixanordnung
in Richtung des gestrichelten Pfeils D oder umgekehrt, wie in 3 gezeigt,
von der neben dem Gesichtsfeld 7 angeordneten, gestrichelt
angedeuteten Streifenaufnahme entlang des gestrichelten Pfeils E
in die in durchgezogenen Linien dargestellte Matrixanordnung, in
der beide Gesichtsfelder übereinander
angeordnet sind. So ist es je nach Anwendungs- oder Einsatzfall
möglich,
beliebig zwischen der Streifenaufnahme 25 und der Punktaufnahme 26 hin
und her zu schalten.
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Analoge
Ausführungen
gelten letztlich auch für
die in den 4 bis 6 gezeigten
Formate für drei
Videokameras, wobei in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel die Größen der
Gesichtsfelder teilweise unterschiedlich sind. Die Gesichtsfelder 6 und 8 sind
gemäß den 4 bis 6 gleich
groß,
jedoch unterschiedlich zur Größe des mittleren
Gesichtsfeldes 7. Gezeigt ist wiederum die ebene Abwicklung
des Gesamt-Gesichtsfeldes
einschließlich geringer
Randüberlappung 40.
Die Anordnung gemäß 4 entspricht
wiederum der Vektoranordnung, die Anordnung gemäß 5 einer Matrixanordnung,
die Anordnung gemäß 6 einer
um 90° verdrehten
Vektoranordnung.
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Die
Darstellungen gemäß den 7 und 8 verdeutlichen
praxisrelevante Relativstellungs-Anordnungen mit vier Videokameras
und einheitlichen Größen der
Gesichtsfelder 6 bis 9 und damit der Einzelbilder 17 bis 20.
Gezeigt ist wiederum die ebene Abwicklung des Gesamt-Gesichtsfeldes, auch
Ergebnisbild 23 genannt, einschließlich geringer Randüberlappung 40.
Die Anordnung gemäß 7 entspricht
wiederum der Vektoranordnung, diejenige der 8 der Matrixanordnung.
Vorzugsweise sind die Kameras der Gesichtsfelder 7 und 8 fixiert,
diejenigen der Gesichtsfelder 6 und 9 entlang der
Pfeile F und G sowie H und I binär
verstellbar angeordnet. Die Pfeile F bis I, auch Richtungspfeile
genannt, deuten die Verstellrichtungen an, die beispielsweise über die
vorerwähnte
bistabile Drehwippe realisierbar sind.
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Die 9 und 10 zeigen
praxisrelevante Relativstellungs-Anordnungen eines Kamerakomplexes
aus sechs Videokameras mit einheitlichen Größen der Gesichtsfelder 6 bis 11 und
damit der Einzelbilder 17 bis 22. Jeweils zwei
Kameras sind als Paar sowohl bei der Streifenaufnahme 25 als
auch bei der Punktaufnahme 26 gruppiert. Gezeigt ist wiederum
die ebene Abwicklung des Gesamt-Gesichtsfeldes, Ergebnisbild 23 genannt,
einschließlich
geringer Randüberlappung 40.
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Bei
einer einfachsten Ausführungsform
können
daher aus den Bildern von zwei Videokameras mit jeweils gleicher,
rechteckiger Größe der Gesichtsfelder
Bildfelder mosaikiert werden, welche die genannten binären Alternativen
darstellen: Die Gesichtsfelder sind in ihrer Breitenrichtung "nebeneinander" aneinander gereiht,
sozusagen einen schmalen Streifen bildend, oder in ihrer Höhenrichtung "übereinander" aneinander gereiht, sozusagen ein kompaktes
Bild in Rechteckformat bildend.
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Insofern
kann die erfindungsgemäße Einrichtung
eine aus mehreren Einzelkameras aufgebaute Video-Vektor/Matrix-Kameraanordnung
mit in den optischen Achsenrichtungen der Einzelkameras verstellbarem
Gesichtsfeld, nämlich
verstellbarem Format des Ergebnisbildes, sein. Die Übertragung der
aufgenommenen Einzelbilder bzw. des Gesamtbildes kann über Funk
an eine bodenseitige Auswertungsstation erfolgen.
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Damit
ist eine Einrichtung insbesondere aber nicht ausschließlich zum
Echtzeit-Luftbild-Überwachen
aus Flugzeugen geschaffen, welche äußerst flexibel und trotzdem
mit hoher Auflösung
arbeitet.