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Die Erfindung betrifft ein Kamerasystem zur Aufnahme verschiedener spektraler Bilder einer Szene gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es sind Matrixkamerasysteme bekannt, welche die spektrale Empfindlichkeit mit Hilfe von Spektralfiltem direkt vor oder auf dem Sensor bzw. über die Eindringtiefe im Silizium erzielen. Derartige Systeme mit schmalen Spektralfiltern können für die Erdbeobachtung vom Flugzeug eingesetzt werden. Diese Systeme besitzen meist vier einzelne Kameras, um sowohl die schmalen Filter realisieren zu können als auch an Auflösung nicht zu verlieren. Die Filter für die vier Kameras sind beispielsweise ein R-, G-, B- und NIR-Filter.
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Die bekannten Systeme haben im Wesentlichen große Nachteile hinsichtlich der spektralen und geometrischen Genauigkeitsanforderungen. Ein typisches Problem derartiger Systeme liegt bei der Verwendung mehrerer Kameras in der Systemkalibration. Erschwerend kommt hinzu, dass diese Systeme aus verschiedenen Aufnahmepositionen ein Objekt aufnehmen. Die unterschiedlichen Aufnahmepositionen generieren Farbsäume.
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Des Weiteren sind Zeilen-Kameras bekannt, wobei den einzelnen Zeilen unterschiedliche Filter zugeordnet sind. Hier ist zwar das Problem der Kalibration entschärft, allerdings ist die Auflösung für viele Anwendungen zu gering.
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Ebenfalls sind abbildende Spektrometer bekannt, die zeilenorientiert arbeiten und die den Nachteil haben, nur mit geringen geometrischen Auflösungen arbeiten zu können.
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Aus der
US 5,528,295A ist ein gattungsgemäßes Kamerasystem zur Aufnahme verschiedener spektraler Bilder einer Szene bekannt, umfassend mindestens einen zweidimensionalen photosensitiven Matrix-Sensor, ein Objektiv und mindestens einen Filter, wobei der Matrix-Sensor durch eine Steuereinheit angesteuert wird, wobei der Filter als elektrisch abstimmbarer Filter ausgebildet ist, der von der Steuereinheit angesteuert wird, sodass jeweils der gewünschte Durchlassbereich des Filters für die Aufnahme eingestellt wird, wobei der Filter und die Matrix zueinander synchronisiert sind. Das Kamerasystem ist dabei als TV-Kamera ausgebildet.
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Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Kamerasystem zu schaffen, das bei hoher geometrischer Auflösung einfacher zu kalibrieren ist und als Luftbildkamera einsetzbar ist.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch den Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Hierzu umfasst das als Luftbildkamera ausgebildete Kamerasystem zur Aufnahme verschiedener spektraler Bilder einer Szene mindestens einen zweidimensionalen photosensitiven Matrix-Sensor, ein Objektiv und mindestens einen Filter, wobei der Matrix-Sensor durch eine Steuereinheit angesteuert wird und der Filter als elektrisch abstimmbarer Filter ausgebildet ist, der von der Steuereinheit angesteuert wird, so dass jeweils der gewünschte Durchlassbereich des Filters für die Aufnahme synchronisiert eingestellt wird. Hierdurch wird erreicht, dass mittels einer einzigen Kamera mit einem Sensor die Aufnahmen durchgeführt werden können, so dass Kalibrationsprobleme bei Kalibration der Kameras untereinander entfallen, die geometrische Auflösung nicht reduziert wird und das Farbsaumproblem erheblich reduziert wird. Reduziert deswegen, da es aufgrund der zeitlich nacheinander aufgenommenen Aufnahmen, bei Relativbewegungen zwischen Kamerasystem und Szene, wie dies typischerweise bei Luftbildkameras der Fall ist, zu einer Pixelverschmierung kommt. Erfindungsgemäß ist die Pixelverschmierung aufgrund zweier Aufnahmen bei Relativbewegungen zwischen Luftbildkamera und Szene kleiner als 1 Pixel. Die Auslesegeschwindigkeit des Matrix-Sensors wird hierzu entsprechend gewählt. Die Auslesegeschwindigkeit kann dabei auch durch die Anzahl der Ausgänge am Matrix-Sensor beeinflusst werden. Bei ausreichend hoher Auslesegeschwindigkeit des Sensors bei hoher geometrischer Auflösung ist dieser Farbsaum aber vernachlässigbar. Aus diesem Grund wird die Synchronisation der Filterwahl nach der Verschmierung eines Pixels in Flugrichtung vorgenommen. Der elektrisch abstimmbare Filter ist vorzugsweise auf Basis veränderbarer Flüssigkristall-Optikkomponenten aufgebaut, die keine mechanisch bewegten Teile aufweisen. Diese Filter, die bisher im Bereich der Mikroskopie bzw. Fluoriszenzspektroskopie eingesetzt werden, weisen Halbwärtsbreiten von 7 bis 20 nm auf und sind für verschiedene Wellenlängenbereiche konzipiert, beispielsweise 400 bis 1000 nm. Zur Aufnahme eines farbigen Bildes wird dann beispielsweise ein Filter mit einem Arbeitsbereich von 400 bis 680 nm gewählt und die drei Durchlassbereiche für ein R-, G-, und B-Bild nacheinander eingestellt.
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Weiter ist die Steuereinheit mit einem Rechner-Interface verbunden, wobei die Daten vom Rechner-Interface in eine DDR-RAM-Architektur zwischengespeichert werden. Dabei ist das Rechner-Interface über eine Schnittstelle mit einem weiteren Rechner verbunden, der die Daten in einem Massenspeicher ablegt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Objektiv als bildseitig telezentrisches Objektiv ausgebildet, welches den Blickwinkel in einen kollimierten Strahlengang am Objektivausgang wandelt. Dies ist insbesondere bei der Verwendung von Filtern auf Basis von Flüssigkristallen vorteilhaft.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Durchmesser des Objektivs größer/gleich dem des Matrix-Sensors. Insbesondere bei der Verwendung einer telezentrischen Optik wird somit sichergestellt, dass die geometrische Auflösung des Matrix-Sensors voll ausgenutzt wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Steuereinheit ein satellitengestütztes Positionsbestimmungssystem wie beispielsweise DGPS und eine Inertial Measurement Unit IMU zugeordnet, mittels derer die Lage und Orientierung des Kamerasystems bestimmt werden kann. Insbesondere bei Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt ist die Kenntnis der Lage und Orientierung des Kamerasystems notwendig, um die Aufnahmen eindeutig einem Ort zuzuordnen. Dabei können die Lage- und Orientierungsdaten als Header mit abgespeichert werden. Hierzu kann beispielsweise die Steuereinheit synchronisiert zur Ansteuerung des Matrix-Sensors und des Filters die Lage- und Orientierungsdaten abspeichern. Prinzipiell ist es aber denkbar, die Lage- und Orientierungsdaten als Auslösekriterium zu verwenden, d.h. die Aufnahmen werden gestartet, wenn das Kamerasystem eine bestimmte Lage und Orientierung aufweist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Kamerasystem ein weiteren Bildaufnahmesystem, wobei die beiden Bildaufnahmesysteme teilweise überlappende Bilder aufnehmen, wobei anhand der Überlappung eine Drift der Inertial Measurement Unit berechnet und vorzugsweise über Echtzeitbildverarbeitung kompensiert wird. Dabei kann das weitere Bildaufnahmesystem auch zur Aufnahme weiterer Spektraldaten zusätzlich verwendet werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Matrix-Sensor mit einem integrierten A/D-Wandler ausgebildet, da so bereits digitale Daten an die Steuereinheit übergeben werden können.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird mittels des elektrisch abstimmbaren Filters nacheinander ein R-, G-, B-Kanal und/oder ein NIR-Kanal eingestellt, wenn dies der Arbeitsbereich des Filters zulässt. Gegebenenfalls wird der NIR-Kanal durch das weitere Bildaufnahmesystem aufgenommen. Somit kann entsprechend beispielsweise ein RGB-Bild einer Szene ermittelt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Filter als elektrischer Shutter ansteuerbar. Hierdurch kann auf separate Shutter verzichtet werden. Hierdurch kann auf ein unnötiges Datenauslesen verzichtet werden, in dem beispielsweise nach den drei R-, G- und B-Aufnahmen der Filter auf schwarz gestellt wird, so dass der Matrix-Sensor keine Signale mehr erhält. Soll dann wieder eine R-, G- und B-Aufnahme durchgeführt werden, muss dann der Sensor nicht zurückgesetzt werden. Des Weiteren kann die Shutter-Funktion bei der Ermittlung des Dunkel-Rauschens verwendet werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Rechner-Interface als PCI-Express-Schnittstelle ausgebildet.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen:
- 1 eine schematische Blockdarstellung eines Kamerasystems und
- 2 eine schematische Darstellung der Schnittstellen zwischen Steuereinheit und einem Massenspeicher.
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Das Kamerasystem umfasst einen zweidimensionalen Matrix-Sensor 1, der beispielsweise in CMOS- oder CCD-Technik ausgebildet ist, einen elektrisch abstimmbaren Filter 2, ein telezentrisches Objektiv 3, eine Steuereinheit 6, eine Inertial Measurement Unit 7, ein weiteres Bildaufnahmesystem 8 und ein satellitengestütztes Positionsbestimmungssystem 9. Das telezentrische Objektiv 3 wandelt dabei den Blickwinkel 5 in einen kollimierten Strahlengang 4 am Objektivausgang, was schematisch dargestellt ist. Die Steuereinheit 6 ist mit dem Matrix-Sensor 1 und dem elektrisch abstimmbaren Filter 2 verbunden. Die Steuereinheit 6 stellt dabei einerseits den Filter 2 entsprechend dem gewünschten Durchlassbereich ein und triggert den Matrix-Sensor 1. Der Matrix-Sensor 1 ist mit einem integrierten A/D-Wandler ausgebildet, so dass an den verschiedenen Ausgängen O1 - On des Matrix-Sensors 1 digitale Daten anliegen, die dann von der Steuereinheit 6 ausgelesen werden können.
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Weiter ist die Steuereinheit 6 mit der Inertial Measurement Unit 7, dem weiteren Bildaufnahmesystem 8 und dem satellitengestützten Positionsbestimmungssystem 9 verbunden. Mit dem Triggern des Matrix-Sensors 1 werden gleichzeitig die aktuellen Lage- und Orientierungsdaten ausgelesen, wobei über eine Echtzeitbildverarbeitung anhand der Daten des weiteren Bildaufnahmesystems eine Drift der Inertial Measurement Unit 7 komprimiert wird. Die Daten einer Aufnahme werden dann über Schnittstellen 10 an ein digitales Rechner-Interface 11 geführt.
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Zur Erzeugung eines RGB-Bildes erfolgt dieser Vorgang dreimal kurz nacheinander, wobei die Steuereinheit 6 jeweils die Durchlassbereiche für R, G und B einstellt. Nach der letzten Aufnahme wird dann der Filter 2 gesperrt, so dass dieser als Shutter wirkt. Die Anzahl der Ausgänge O1 - On sind dabei derart gewählt, dass bei der Taktfrequenz der Steuereinheit eine Auslesegeschwindigkeit als Matrix-Sensor 1 erreicht wird, die eine Punktverschmierung kleiner als 1 Pixel zwischen zwei Aufnahmen gewährleistet.
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In der 2 ist nun schematisch der Übergang zu dem digitalen Rechner-Interface 11 dargestellt. Das digitale Rechner-Interface 11 überträgt dann die Daten über ein Interface 12 an einen Rechner 13, der dann die Daten in einem Massenspeicher 14 abspeichert. Um die hohe Bandbreite des Matrix-Sensors 1 zu gewährleisten, speichert das Rechner-Interface 11 vorzugsweise in DDR-RAMs die Daten zwischen, die dann über das Interface 12 an den Rechner 13 geführt werden. Dadurch muss das Rechner-Interface 11 lediglich der mittleren Bandbreite der unterschiedlichen Spektralaufnahmen gerecht werden, da die DDR-RAMs die Daten zwischenspeichern und somit die Zeit zwischen zwei RGB-Aufnahmen zum Auslesen und Übertragen genutzt werden kann. Diese Zeit ist ausreichend lang im Vergleich zu der sehr kurzen Zeit zwischen einer R-, G- oder B-Aufnahme.
