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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Videoüberwachungseinrichtung
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Videoüberwachungseinrichtungen
dienen zur Fernüberwachung
von Objekten am Tag und während
der Nacht. Um die von der Videoüberwachungseinrichtung übermittelten
Bilder sicher auswerten zu können,
ist eine optimale Bildqualität
erforderlich, die eine optimale Belichtung der Bilder voraussetzt.
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Gleichzeitig
wird aber auch ein geringer Energiebedarf angestrebt, wenn keine
Netzversorgung zur Verfügung
steht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung
einer Videoüberwachungseinrichtung
so auszuführen,
dass unter allen möglichen
Umgebungslichteinflüssen
eine op timale Bildqualität
bei geringst möglichem
Energiebedarf realisiert wird.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 durch die Merkmale dieses Anspruchs gelöst.
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Weiterbildung
und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird die besonders energieintensive Lichtquelle zur Belichtung während der
Nacht mit Energie über
einen Akku, eine Batterie, über
Fernspeisung oder den Ethernetanschluss der Videoüberwachungseinrichtung
gespeist. Nach den Spezifikationen für Energiespeisung über Ethernetanschlüsse (Power
over Ethernet) ist von einer durchschnittlichen Versorgungsleistung
von 12,95 Watt und einer maximalen Versorgungsleistung von 15,4
Watt auszugehen. Diese Leistung wäre aber unzureichend für die energieintensive
Versorgung einer Lichtquelle im Dauerbetrieb, um auch weiter von
der Kamera entfernte Objekte für
eine ausreichende Belichtung der von der Kamera erfassten Bilder
zu beleuchten.
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Mittels
des erfindungsgemäßen Verfahrens gelingt
es aber, durch gepulstes Ein- und Ausschalten der Lichtquelle für eine ausreichende
Beleuchtung der aufzunehmenden Objekte zu sorgen, ohne dass dabei
die durchschnittliche oder maximale Leistung des Akkus, der Batterie,
der Fernspeisung oder der über
den Ethernetanschluss übertragenen
Energie überschritten
wird. Dabei werden die Ein- und Ausschaltpulse mit einer Belichtungsphase
innerhalb der Bildwechselperiode der digitalen Kamera synchronisiert,
so dass die Lichtquelle immer in dem Zeitraum der Belichtungsphase
der digitalen Kamera aktiviert ist. Während der übrigen Zeit, in der die im Bildsensor
der digitalen Kamera gespeicherten Bildinformationen abgerufen und
verarbeitet werden, ist die Lichtquelle hingegen ausgeschaltet.
Die zur Verfügung
gestellte Energie wird somit nur für den Zeitraum genutzt, in
dem auch tatsächlich
eine Belichtung stattfindet, so dass dadurch eine wesentlich höhere Effizienz
erreicht werden kann, als wenn die Lichtquelle auch während der üblichen
Zeit, in der sie nicht genutzt wird, eingeschaltet bliebe. Auch
bei Energieübertragung über lange
Leitungen, Fernspeisung genannt, ergibt sich bei hohem Stromverbrauch ein
entsprechend hoher Spannungsabfall, was zum Nichtfunktionieren des
angeschlossenen Gerätes führen würde.
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Gemäß einer
Weiterbildung kann durch die Steuerschaltung der digitalen Kamera
eine für
eine kontrastreiche Aufnahme in wenigstens einem ausgewählten Bildausschnitt
erforderliche Lichtmenge ermittelt werden und eine zur Steuerung
der erforderlichen Lichtmenge ermittelte Anzahl aus einer Gesamtzahl
von Lichtquellen gleichzeitig angesteuert und gepulst ein- und ausgeschaltet
werden.
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In
diesem Fall kann die Lichtmenge proportional zur Zahl der gleichzeitig
angesteuerten Lichtquellen dosiert werden. Die Lichtquellen selbst,
zum Beispiel Leuchtdioden, können
dabei in ihrem optimalen Arbeitspunkt betrieben werden, indem ein
maximaler Wirkungsgrad der Lichtausbeute gegenüber der eingesetzten elektrischen
Energie besteht.
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Gemäß einer
Weiterbildung kann die Nutzungsdauer der Lichtquellen an einander
angeglichen werden, indem die Ansteuerung der Lichtquellen bei weniger
als der Gesamtzahl gleichzeitig angesteuerter Lichtquellen im Wechsel
gleichmäßig auf alle
Lichtquellen der Gesamtzahl verteilt wird.
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Dadurch
wird eine gleichmäßige Belastung aller
vorhandener Lichtquellen der Gesamtzahl der Lichtquellen erzielt,
wodurch einem vorzeitigen Ausfall oder einer Beeinträchtigung
der Leistungsabgabe einzelner Lichtquellen vorgebeugt wird.
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Die
Einschaltpulsdauer der Lichtquellen kann gleich der Dauer der Belichtungsphase
innerhalb der Bildwechselperiode der digitalen Kamera sein.
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Dadurch
wird auch bei langsamen Kameraprozessoren, die nicht exakt den Beginn
und das Ende einer Belichtungsphase bereitstellen können, eine
weitgehende zeitliche Deckung zwischen der Einschaltpulsdauer und
der Belichtungsphase ermöglicht.
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Durch
die Steuerschaltung der digitalen Kamera kann eine für eine kontrastreiche
Aufnahme in wenigstens einem ausgewählten Bildausschnitt erforderliche
Lichtmenge und daraus ein zur Erreichung der erforderlichen Lichtmenge
bemessenes Puls-Pausen-Verhältnis zwischen
Einschalt- und Ausschaltpulsen der wenigstens einen Lichtquelle
ermittelt werden, wobei die Einschaltpulsdauer der Lichtquellen
kürzer
als die Dauer der Belichtungsphase innerhalb der Bildwechselperiode
der digitalen Kamera ist.
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Diese
Variante ermöglicht
es, annähernd
stufenlos die erforderliche Lichtmenge durch Anpassung des Puls-Pausen-Verhältnisses
der Einschaltdauer der Lichtquellen zu steuern und so die Energieeffizienz
wie auch die Lebensdauer der Lichtquellen zu optimieren.
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Gemäß einer
Weiterbildung kann die erforderliche Lichtmenge durch Kontrastauswertung
des wenigstens einen ausgewählten
Bildausschnitts zuvor erfasster Bilder ermittelt werden.
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Dadurch
wird sichergestellt, dass der ausgewählte Bildausschnitt, in dem
zum Beispiel eine besonders relevantes Ereignis im Rahmen der Überwachung
stattfinden kann, zeitnah optimal belichtet wird, so dass er im
Idealfall ohne weitere Nachbearbeitung ausgewertet werden kann.
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Im
Falle, dass die erforderliche Lichtmenge übertroffen wird, kann diese
Lichtmenge durch Reduziermittel aus der Menge Blende und Filter
reduziert werden, indem einzelne oder eine Kombination der Reduziermittel
mittels durch die Steuerschaltung der wenigstens einen digitalen
Kamera gesteuerter Aktoren mechanisch teilweise oder ganz in den
Strahlengang der wenigstens einen digitalen Kamera eingeführt werden.
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Bei
der die erforderliche Lichtmenge übertreffenden Lichtmenge kann
es sich um direkte Sonneneinstrahlung handeln, die zum Beispiel
durch ein Graufilter gedämpft
wird, oder auch um partielle Einstrahlungen infolge Reflektionen
an spiegelnden Flächen
oder auch künstliche
oder natürliche
Lichtquellen, die nur ein Teil des Bildes überstrahlen würden.
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Gemäß einer
Weiterbildung können
zusätzlich
mehrere Bilder mit von der erforderlichen Lichtmenge abweichender
Lichtmenge erfasst und in der Kamera zwischengespeichert werden.
Anschließend kann
auf den zwischengespeicherten Bildern ein resultierendes Bild erzeugt
werden, indem über-
und unterbelichtete Bildausschnitte einzelner Bilder durch kontrastreiche
Bildausschnitte anderer Bilder ersetzt werden.
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Auf
diese Weise ist es möglich,
ein Gesamtbild zu schaffen, in dem keine überbelichteten und unterbelichteten
Bereiche mehr auftreten, sondern ein gleichmäßiger Kontrast zur Identifizierung
sämtlicher
Details herrscht.
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Weiterhin
kann mittels wenigstens eines internen Ereignissensors und/oder
eines externen Ereignissensors, der nahe eines im ausgewählten Bildausschnitt
liegenden mutmaßlichen
Ereignisortes angeordnet ist, die wenigstens eine digitale Kamera
bei Eintritt eines Ereignisses von einem energiesparenden Ruhezustand
in einen Betriebszustand gesetzt werden und nach Ende des Ereignisses
mit oder ohne Zeitverzögerung
in den Ruhezustand gesetzt werden.
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Weiterhin
kann mittels der Steuerschaltung nach Setzen der wenigstens einen
digitalen Kamera in den Betriebszustand anschließend eine Bildanalyse des Ereignisses
durchgeführt
werden und bei Bestätigung
des Ereignisses der Betriebszustand aufrechterhalten werden, während die
digitale Kamera bei Nichtbestätigung
des Ereignisses in den Ruhezustand gesetzt wird.
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Mit
diesen Maßnahme
ist es möglich,
den Gesamtenergiebedarf weiter zu senken, indem die energieintensiven
Komponenten der Videoüberwachungseinrichtung
nur dann aktiviert und gegebenenfalls weiterbetrieben werden, wenn
für die Überwachung
relevante Ereignisse eintreten. Durch die Anordnung der externen
Ereignissensoren an mutmaßlichen
Ereignisorten wird dabei eine gezielte Überwachung sichergestellt und
eine eventuell durch andere Störeinflüsse ausgelöste unnötige Aktivierung
vermieden.
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Von
den Ereignissen können
solche aus der Menge Helligkeitsänderungen,
Schalländerungen, Temperaturänderungen
und Bewegungen ausgewertet werden.
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Durch
auf mögliche
relevante Ereignisse abgestimmten Einsatz von physikalischen Änderungen können für die Überwachung
relevante Ereignisse schärfer
selektiert und unnötige
Aktivierungen der digitalen Kamera vermieden werden.
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Weiterhin
kann mittels der Steuerschaltung in Abhängigkeit der von einem Sensor
erfassten Umgebungshelligkeit bei geringer Umgebungshelligkeit eine
digitale Schwarz-Weiß-Kamera
oder bei hoher Umgebungshelligkeit eine digitale Farb-Kamera der wenigstens
einen digitalen Kamera selektiert werden.
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An
sich liefern Farbkameras mehr Informationen als Schwarz-Weiß-Kameras,
Farb-Kameras benötigen
aber eine höhere
Umgebungshelligkeit als Schwarz-Weiß-Kameras. Um stets eine unter
den gegebenen Lichtverhältnissen
optimale Bildwiedergabe zu erzielen, wird zwischen beiden digitalen
Kameraarten umge schaltet, wobei der die Umgebungshelligkeit erfassende
Sensor dafür
sorgt, dass ausschließlich
die Umgebungshelligkeit ein Umschaltkriterium bildet und nicht das
Licht einer zufällig
in den Erfassungsbereich einer der beiden Kameras fallende Lichtquelle.
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Außerdem können Leistungsspitzen
der Lichtquellen und/oder Aktoren durch einen Akku oder einen Kondenstor
gepuffert werden.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, das
in der Zeichnung dargestellt ist.
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Darin
zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung einer Videoüberwachungseinrichtung
und
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2 ein
Zeitdiagramm zur Veranschaulichung einer Belichtungsphase der digitalen
Kamera und Ein- und Ausschaltpulse der Lichtquelle bei konstantern
Einschaltpulsen und
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3 ein
Zeitdiagramm zur Veranschaulichung einer Belichtungsphase der digitalen
Kamera und Ein- und Ausschaltpulse der Lichtquelle bei variablen
Einschaltpulsen
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1 zeigt
ein Blockschaltbild einer Videoüberwachungseinrichtung,
bestehend aus einer Kamera- und Beleuchtungseinrichtung 10 sowie
einer externen Sensoranordnung 11.
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Die
Kamera- und Beleuchtungseinrichtung 10 umfasst eine Schwarz-Weiß-Kamera 12,
eine Farb-Kamera 16, eine Mehrzahl von Lichtquellen 18, 18,
eine Steuerschaltung 14, einen Datenspeicher 24,
einen Energiepuffer 22, einen Ethernetanschluss 20,
einen Umgebungslichtsensor 34, einen Sensorempfänger 26 sowie
einen Aktor 30 mit Blenden 32 und 36 sowie
einem Graufilter 35.
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Die
Sensoranordnung 11 umfasst Helligkeitssensoren 40 und 44 sowie
Sensoren aus der Menge Schallsensor, Temperatursensor, Bewegungssensor,
die beispielhaft an einem Sensor 48 dargestellt sind. Die
Sensoren 40, 44, 48 sind jeweils mit
Sendern 38, 42 und 46 verbunden und die
entsprechenden Sensorsignale werden über die Sender 38, 42, 46 an
den Sensorempfänger 26 der
Kamera- und Beleuchtungseinrichtung 10 übertragen.
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Bildfolgen,
die von der Schwarz-Weiß-Kamera 12 oder
der Farb-Kamera 16 empfangen
werden, werden von der Steuerschaltung 14 verarbeitet und komprimiert
und anschließend über den
Ethernetanschluss 20 zu einer Empfangsstation fernübertragen. Über denselben
Ethernetanschluss 20 erfolgt auch die Energieversorgung
sämtlicher
in der Kamera- und Beleuchtungseinrichtung 10 angeordneten
Komponenten. Die Umgebungshelligkeit wird durch den Umgebungslichtsensor 34 erfasst
und an die Steuerschaltung 14 übermittelt. Die Steuerschaltung
wählt anhand
der Umgebungshelligkeit aus, welche der beiden digitalen Kameras 12 oder 16 selektiert
wird. Bei hoher Umgebungshelligkeit wird die digitale Farb-Kamera 16 selektiert,
während
bei niedriger Umgebungshelligkeit die digitale Schwarz-Weiß-Kamera 12 selektiert
wird.
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Wenn
keine relevanten Überwachungsereignisse
vorliegen, befinden sich die digitale Farbkamera 16 und
die digitale Schwarz-Weiß-Kamera 12 sowie
auch die übrigen
Komponenten mit Ausnahme des Sensorempfängers 26 in einem
Ruhezustand. Relevante Ereignisse werden von den Sensoren 40, 44, 48 der
Sensoranordnung 11 an Orten überwacht, die mutmaßliche Ereignisorte
sein können.
Mit den Helligkeitssensoren 40 und 44 können Helligkeitsänderungen
an besagten Orten überwacht
werden und mit dem allgemeinen Sensor 48, stellvertretend
für eine
Mehrzahl unterschiedliche Sensoren für Schalländerungen, Temperaturänderungen
oder Bewegungen. Sensorsignale werden dann über die nachgeordneten Sender 38, 42 und 46 zum
Sensorempfänger 26 übertragen
und aktivieren über
die Steuerschaltung 14 die Farb-Kamera 16 oder
die Schwarz-Weiß-Kamera 12 und
setzen diese von einem Ruhezustand in einen Betriebszustand.
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Für den Fall,
dass der Umgebungslichtsensor 34 eine geringe Umgebungshelligkeit
ermittelt, wird die Schwarz-Weiß-Kamera 12 selektiert. Über die
Steuerschaltung 14 wird die für eine kontrastreiche Aufnahme
erforderliche Lichtmenge ermittelt. Reicht die natürliche Lichtmenge
aus der Umgebung nicht aus, werden die Lichtquellen 18, 18 angesteuert,
um durch Beleuchtung des Objektes die natürliche Lichtmenge aus der Umgebung
am Ort des Objektes so weit zu ergänzen, dass die für eine kontrastreiche
Aufnahme erforderliche Lichtmenge erreicht wird.
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Dies
kann durch Aktivieren und gepulstes Ein- und Ausschalten einer Anzahl
von Lichtquellen 18, 18' aus einer Gesamtanzahl stufenweise
erfolgen oder durch Steuerung des Puls-Pausen-Verhältnisses
zwischen Einschaltpuls und Ausschaltpuls der Lichtquellen 18, 18', so dass sie
nur während
einer Belichtungsphase der digitalen Schwarz-Weiß-Kamera 12 eingeschaltet
sind. Während
des Einschaltpulses können
die Lichtquellen 18, 18' kurzzeitig eine höhere elektrische
Eingangsleistung beanspruchen, als über den Ethernetanschluss 20 im
Durchschnitt zur Verfügung
gestellt wird. Zum Ausgleich der Spitzenleistung der Lichtquellen 18, 18' oder des Aktors 30 dient
ein Puffer 22, der als Kondensator oder Akku ausgebildet
sein kann.
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Vorzugsweise
wird die für
eine kontrastreiche Aufnahme erforderliche Lichtmenge rechnerisch durch
den Steuerrechner 14 so ermittelt, dass ein maximaler Kontrast
in einem ausgewählten
Bildausschnitt entsteht, der auf besonders relevante Bereiche des
zu überwachenden
Objektes ausgerichtet ist. Dabei kann es vorkommen, dass andere
Bildausschnitte über-
oder unterbelichtet werden. Um einen ausgeglichenen optimalen Kontrast
im Gesamtbild zu erreichen, werden mehrere Bilder im Speicher 24 zwischengespeichert
und anschließend
aus den zwischengespeicherten Bildern ein resultierendes Bild erzeugt,
in dem über- und unterbelichtete
Bildausschnitte durch kontrastreiche Bildausschnitte anderer Bilder
ersetzt werden.
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Im
Falle einer hohen Umgebungshelligkeit wird mittels des Umgebungslichtsensors 34 und
der Steuerschaltung 14 die digitale Farb-Kamera 16 aktiviert.
Im Gegensatz zur digitalen Schwarz-Weiß-Kamera 12 liefert
diese Kamera durch die Farbe zusätzliche
Bildinformationen, setzt aber eine höhere Umgebungshelligkeit voraus,
damit diese zusätzlichen Informationen
nutzbar werden. In diesem Fall können die
Lichtquellen ausgeschaltet bleiben.
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Bei
hoher Umgebungshelligkeit durch starke Sonneneinstrahlung besteht
aber die Gefahr, dass durch direkte Sonneneinstrahlung oder durch
Spiegelungen an spiegelnden Oberflächen Bildbereiche überbelichtet
werden. In diesem Fall können
gesteuert durch die Steuerschaltung 14 mittels eines Aktors 30 Blenden 32 und 36 oder
ein Graufilter 35 in den Strahlengang der digitalen Farb-Kamera 16 eingefügt werden.
Beispielhaft sind für
die Blenden eine Blende 32 für von oben kommende Strahlung
und eine Blende 36 für
von unten kommende Strahlung vorgesehen. Denkbar sind auch weitere
Blenden, die von der Seite eingeschoben werden können. Diese Maßnahmen
unterstüt zen
die in der digitalen Farb-Kamera 16 regulär vorhandenen
Blenden, um gezielt einem übermäßigen Lichteinfall
entgegenzuwirken, der von der regulären Blende nicht kompensiert
werden kann.
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Obwohl
in der Zeichnung nicht dargestellt, können entsprechende Blenden
mittels eines zusätzlichen
Aktors auch in den Strahlengang der digitalen Schwarz-Weiß-Kamera 12 eingeschoben
werden, zum Beispiel bei Fremdlicht, Spiegelungen von Fremdlicht
an einer spiegelnden Oberfläche
oder durch Mondlicht.
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2 und 3 zeigen
einen zeitlichen Ablauf der Bildaufnahme und Beleuchtung während 3 Bildwechselperioden
einer digitalen Schwarz-Weiß-Kamera 12.
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In
den Abschnitten A und B sind jeweils Bildwechselperioden 50, 50' und 50'' dargestellt. Diese Bildwechselperioden 50, 50' und 50'' sind jeweils unterteilt in Belichtungsphasen 52, 52', 52'', Erfassungsphasen 54, 54', 54'' und Verarbeitungsphasen 56, 56' und 56''. Auf der y-Achse im Abschnitt
A ist jeweils der Ladungszustand einer Bildsensorzelle über der
Zeit dargestellt. Im Abschnitt B ist die Lichtmenge angege ben, die
zu einer entsprechenden Ladung einer Bildsensorzelle der digitalen
Schwarz-Weiß-Kamera 12 führt.
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Dargestellt
sind hier drei verschiedene Restlichtmengen 58, 58' und 58'', die ihre Ursache in unterschiedlichen
Umgebungshelligkeiten haben. Diese Lichtmengen werden durch zusätzliche
Lichtmengen 60, 60' und 60'' der Lichtquellen 18, 18' ergänzt, so
dass die resultierende Lichtmenge aus Restlicht und von den Lichtquellen 18, 18' erzeugtem Licht
die für
eine kontrastreiche Aufnahme erforderliche Lichtmenge liefert.
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In 2 ist
davon ausgegangen, dass die Einschaltpulsdauer der Lichtquellen 18, 18' gleich der
Dauer der Belichtungsphase 52, 52', 52'' innerhalb
der Bildwechselperiode 50, 50' und 50'' der
digitalen Schwarz-Weiß-Kamera 12 ist.
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Alternativ
dazu zeigt 3 eine Darstellung, bei der
die Einschaltpulsdauer 62, 62' und 62'' der Lichtquellen 18, 18' kürzer als
die Dauer der Belichtungsphase 52, 52', 52'' ist und die Ergänzung der Restlichtmenge
aufgrund der Umgebungshelligkeit bis zur erforderlichen Lichtmenge
durch entsprechende Wahl des Pulspausenverhältnisses zwischen Einschalt- und Ausschaltpulsen
der Lichtquellen 18, 18' gewählt wird. Die Einschaltpulse 62, 62' und 62'' führen zu einem diskontinuierlichen
Anstieg der Ladungen auf den Bildsensorzellen. Letztendlich werden
aber die gleichen Ladungszustände
im Sinne einer Erreichung der durchschnittlich erforderlichen Lichtmenge
erzielt. Die durch die Einschaltpulse 62, 62' und 62'' zusätzlich gelieferten Lichtmengen
entsprechen jeweils über
die Belichtungsphasen 52, 52', 52'' gemittelt
den Lichtmengen 64, 64' und 64''.