DE102009014216B4

DE102009014216B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen einer optischen Abbildung eines dreidimensionalen Objektes und elektronische Bildausgabeeinrichtung

Info

Publication number: DE102009014216B4
Application number: DE102009014216A
Authority: DE
Inventors: Christian Naujoks; Roland Trefftz
Original assignee: Naujoks Christian Dipl-Ing; Trefftz Roland Dipl-Volksw
Current assignee: NAUJOKS, CHRISTIAN, DIPL.-ING., DE; TREFFTZ, ROLAND, DIPL.-VOLKSW., DE
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2010-12-30
Anticipated expiration: 2029-03-26
Also published as: DE102009014216A1

Abstract

Vorrichtung zum Erzeugen einer optischen Abbildung eines dreidimensionalen Objektes, insbesondere für eine Rekonstruktion geometrischer Informationen für das dreidimensionale Objekt, mit:
– einem optischen Abbildungssystem, welches konfiguriert ist, das dreidimensionale Objekt (10, 20) in eine Bildebene (4) abzubilden, und
– einer von dem optischen Abbildungssystem umfassten Lochblendenanordnung mit drei Lochblenden (20, 21, 22), die beabstandet voneinander angeordnet sind und denen jeweils ein unterschiedlicher Farbfilter zugeordnet ist, derart, dass in der Bildebene (4) unter Beibehaltung von das dreidimensionale Objekt (10, 20) betreffender Rauminformation und den Farbfiltern entsprechend farblich differenzierte Einzelbilder des dreidimensionalen Objektes (10, 20) innerhalb eines Unschärferadius des Abbildungssystems erzeugt werden,
wobei die Lochblendenanordnung benachbart zu einer Aperturblende (9) und die drei Lochblenden (20, 21, 22) der Lochblendenanordnung in einem Bereich gegenüber einer Öffnung der Aperturblende (9) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen einer optischen Abbildung eines dreidimensionalen Objektes, insbesondere für eine Rekonstruktion geometrischer Informationen für das dreidimensionale Objekt, sowie eine elektronische Bildausgabeeinrichtung.
Hintergrund der Erfindung
Bei derartigen Vorrichtungen findet das bekannte Anaglyphenverfahren in einem singulären Linsensystem Anwendung. Die mit solchen Vorrichtungen hergestellten Bilder sind allerdings zur unmittelbaren Betrachtung eines dreidimensionalen Raumbildes bestimmt und dienen weniger der Rekonstruktion der Raumgeometrie. Für ein Anaglyphenbild werden die beiden infinitesimal versetzten Strahlenbündel durch zwei monochromatische Filter in Komplementärfarben, zumeist Rot-Grün bzw. Rot-Blau, getrennt und überlagernd auf der Bildsensorebene aufgezeichnet. Die Betrachtung der Anaglyphenbilder erfolgt durch eine spezielle Brille, deren Gläser oder Folien wiederum in den Komplementärfarben die Halbbilder aus der Sensoraufnahme herausfiltern und dem Augenpaar getrennt zuführen.
Auf Leonardo da Vinci (1452–1519) ist die Vorstellung zurückzuführen, dass von jedem Objektpunkt durch kugelförmige Wellenfront n-fach infinitesimale Lichtstrahlen ausgehen. Dieser Strahlenkranz erlaubt umgekehrt n-fache perspektivische Aufsichten auf einen Objektpunkt bei infinitesimalen Versatz des Beobachtungspunktes orthogonal zur einer Strahlenachse.
Eine Aufnahme eines einzelnen Lichtstrahls je Objektpunkt erfolgt idealerweise mit einer Lochkamera (Camera Obscura). Dabei ist die gedachte Blendenöffnung gerade so groß, dass von jedem Objektpunkt jeweils nur ein zugehöriger Strahl auf die Projektionsebene hindurch gelassen wird. Jeder Punkt aus dem Objektraum ist geometrisch singulär auf der Abbildungsebene zuzuordnen.
Im Gegensatz zur Lochkamera wird bei einer Sammellinse ein Vielfaches von Objektstrahlen jedes einzelnen Objektpunktes aufgenommen. Die Abbildung eines Objektpunktes ist bei einer Linse über die Oberfläche der Blendenöffnung gleichsam einer m-fach perspektivischen Aufsicht in den Objektraum. Um die m-fache Anzahl der Objektstrahlen eines einzelnen Objektpunktes, eingefangen durch die Linse, punktförmig auf der Aufnahmeebene abzubilden, muss das Lichtbündel fokussiert werden.
Der Vorgang des Fokussierens eines Lichtbündels ist abhängig vom Abstand des Bildpunktes zur Hauptebene des Linsensystems. Des weiteren bestimmt die Brechkraft des Linsensystems den Brennpunkt eines Lichtbündels. Der spezifische Abstand der Projektionsebene zur Linsenhauptebene bestimmt den Durchmesser des abzubildenden Fokalstrahls. Bei korrekter Fokussierung wird das Lichtbündel ideal punktförmig auf der Projektionsebene abgebildet. Eine Abweichung der Aufzeichnungsebene vom Brennpunkt eines Strahlenbündels führt zu radialen Verzeichnungen, die als Bildunschärfe oberhalb einer Toleranzschwelle wahrgenommen wird.
Fotogrammetrische Systeme zur hoch genauen dreidimensionalen Objektvermessung im Nahbereich sind nach dem Stand der Technik bekannt. Entgegen Sensortechniken wie Laserscanning oder Radartechnik (SAR), die auf Laufzeitmessungen von Reflexionssignalen aus aktiven Emittenten beruhen, bedient sich die Photogrammetrie der Photographie bzw. der Messbildaufnahme im sichtbaren Spektrum (VIS) bis zu Infrarot (IR). Fotogrammetrische Messverfahren beruhen auf dem Prinzip, dass die fotografierte Abbildung mathematisch eine Zentralprojektion des abgebildeten Objekts in der Bildebene darstellt. Jeder Objektpunkt, der als Bildpunkt in der Aufnahmeebene abgebildet wird, ist im Idealfall der Lochkamera der Repräsentant eines Projektstrahls mit einem Durchstoßpunkt. Der jeweilige Projektstrahl ist durch die Richtung festgelegt, aus der die Kamera das betreffende Objekt aufnimmt. Um die Lage bzw. die Distanz mehrerer Objektpunkte zu bestimmen, müssen aus versetzter Perspektive mindestens zwei Bilder aufgenommen werden, bei denen die Schnittpunkte zweier Projektionsstrahlen ein und desselben Objektpunktes die Entfernung festlegen. Die Messtechnik beruht darauf, dass homologe Punkte, das sind Abbildungen desselben Objektpunktes, in den gewonnenen Bildern identifiziert werden und ihre Lage in der Bildebene zu bestimmen sind. Die zur Rekonstruktion des Projektstrahls notwendige Kenntnis der Raumlage des Projektionszentrums lässt sich durch ein mathematisches Modell, der so genannten Mehrbildtriangulation bzw. Bündelausgleich, zusammen mit den Koordinaten der gesuchten Objektpunkte aus mehreren Bildern berechnen. Das Verfahren ist gleichermaßen anwendbar für analoge oder digitale Bildaufzeichnungen. Nach Stand der Technik wird das fotogrammetrische Verfahren zur Vermessung von ruhenden Objekten aus bekannter Ortslage verwendet; im Sonderfall werden bewegte Objekte durch synchronisierte Aufnahmen aus mindestens zwei Perspektiven vermessen.
Neben der wissenschaftlichen Disziplin der Photogrammetrie, die sich im weitläufigem Sinne als Technik zur Erfassung von räumlichen Daten aus Bildern für Geoinformationsysteme versteht, hat sich in den vergangenen Jahrzehnten das Fachgebiet für Maschinelles Sehen, des Computer Visions etabliert. Die Motivation für die technischen Entwicklungen beruht auf dem Anspruch, das automatisierte Erkennen der Umwelt durch Bildanalyse voranzutreiben, wobei zunächst die Interpretation der Bildtexturen im Vordergrund stand. Zwangsläufig ergab sich hierdurch der Bedarf nach einem besseren Verständnis von Bildinformationen und Raumgeometrie, der inzwischen von der Forschung mit Arbeiten zu modernen Orientierungsverfahren umfassend erfüllt wurde. Vorläufiger Höhepunkt der Entwicklung bildet die Methode des selbst kalibrierenden Bündelausgleichs, ein Verfahren zur simultanen rechnerischen Einpassung beliebig vieler im Raum angeordneter Bilder (n > 1 Strahlenbündel) unter Berücksichtigung photogrammetrisch gemessener Bildpunkte und geodätischer Beobachtungen sowie eines übergeordneten Koordinatensystems. Mehrere Bilder werden mit Hilfe homologer Punkte zu einem Gesamtmodell verknüpft, in dem das Objekt bereits vollständig dreidimensional rekonstruiert werden kann. Der Bezug zu einem übergeordneten, absoluten Objektkoordinatensystem kann durch eine minimale Zahl von bekannten Passpunkten erfolgen, so dass größere passpunktlose Räume durch Mehrbildverbände überbrückt werden können. Der Stand der Technik in der Disziplin Computer Vision ist inzwischen soweit fortgeschritten, dass die in diesem Bereich entwickelten Methoden auch die Genauigkeitsansprüche der Photogrammeter erfüllen können.
Im Allgemeinen beruht die fotogrammetrische Auswertung auf der geometrischen Rekonstruktion des Aufnahmevorgangs. Diese ist jedoch nur dann mit der angemessenen Präzision möglich, wenn die auszuwertenden Bilder mit speziell konzipierten Aufnahmesystemen erstellt werden und die so genannte Innere Orientierung für das abzubildende Strahlenbündel bekannt ist. Die Rekonstruktion des Strahlenbündels einer zentralperspektiven Abbildung ist dann eindeutig möglich, wenn die räumliche Lage des Projektionszentrums in Bezug auf die Bildebene bekannt ist. Dazu werden u. a. die drei Raumkoordinaten (x', y', c) des Projektionszentrums in der Aufnahmekammer als bekannt vorausgesetzt und sind nur für speziell justier te fotogrammetrische Aufnahmegeräte berechenbar. Zusätzlich ist es für die konventionelle Stereoauswertung notwendig, die Raumlage (Translation und Rotation) des Projektionszentrums in der Kamera, die so genannte Äußere Orientierung, mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.
Moderne Orientierungsverfahren bedienen sich der algebraischen projektiven Geometrie, so dass aus der Grundlagenforschung heraus ein universelles mathematisches Modell für die Rekonstruktion des geometrischen Raumes aus ein, zwei und drei Bildern zur Verfügung steht. Zur vollständigen Lösung des Gleichungssystems müssen für homologe Bildmerkmale die trilinearen Randbedingungen bekannt sein. Der Trifokaltensor besitzt maximal 18 Freiheitsgrade, wenn die Projektionsmatrizen von drei Kameras (33 Parameter) nur bis auf eine projektive Transformation des Raumes (15 Parameter) bestimmbar sind. In der Praxis bedeutet dies nach Stand der Technik, dass zur Vermeidung singulärer Lösungen aus drei Aufnahmestandorten mindestens 26 Randbedingungen bekannt sein müssen.
Stereoskopisches bzw. räumliches Wahrnehmen ist durch die menschliche Physiognomie geprägt. Unter physiologischem Aspekt wird die bildliche Rekonstruktion des Raumes durch ein Bildpaar erzielt, das in Anlehnung an den Augenabstand mit einer Basis von 65 mm aufgenommen wurde. Für die technische Auswertung werden Bildpaare auch mit vergrößerter Basis, der Hyper-Stereoskopie, und mit verringerter Basis, der Hypo-Stereoskopie verwendet. In der Regel werden hierzu zwei Bilder aus horizontal versetztem Blickwinkel binokular aufgenommen, damit aus zwei unterschiedlichen Perspektiven der Strahlengang der Objekte erfasst wird. Der physikalische Effekt, auf dem das stereoskopische Wahrnehmen beruht, wurde erstmalig in den Skizzenbüchern von Leonardo da Vinci beschrieben. Danach besteht in einem lichterfüllten Raum in jedem Lichtstrahl ein infinitesimales Abbild der beleuchteten Objekte. Die physikalische Differenzierung des stereoskopischen Effektes ist tatsächlich limitiert durch die Amplitude eines Lichtwellenleiters als Träger eines infinitesimalen Bildes. Idealerweise nimmt die Lochkamera eine singuläre Ansicht eines Objektes auf, wogegen die Sammellinse ein integrales Bild aus der Summe der infiniten Bilder wiedergibt. Zur Generierung von Stereobildern mit einer einzelnen, monokularen Optik gibt es verschiedene technische Ansätze. Ein einfaches und häufig genutztes Verfahren ist die Verwendung eines optischen Aufsatzes vor der Kameralinse, wobei durch Bild-Splitting Einschränkungen bei der Lagenbestimmung homologer Punkte durch Translation und Rotation bzw. durch Verzerrungen in der Bildaufnahmeebene entstehen.
Aus dem Bereich der Forschung sind Arbeiten bekannt, die sich das Phänomen der gemittelten infiniten Bilder zu Nutze machen, um aus der Bildinformation, aufgenommen mit einem Linsensystem, zusätzlich die Tiefeninformation zurückzugewinnen. Die Abbildung eines Objektpunktes aus der Summe der homologen Objektstrahlen durch die Linse wird nur in einer spezifischen Fokalebene gebündelt und scharf als Bildpunkt abgebildet. Raumpunkte jenseits der Fokalebene werden in der Bildaufnahmeebene unscharf abgebildet. Aus dem Durchmesser des Zerstreuungskreises kann auf den relativen Tiefenabstand zum fokussierten Bildpunkt geschlossen werden. In Zusammenhang zur Single Lens Stereo Technik ist auch die Entwicklung der Plenoptic Camera (E. Adelson, J. Wang, 1992, Single Lens Stereo with a Plenoptic Camera; IEEE Transactions on Pattern Analysis and Mashine Intelligence, Vol. 14, No. 2, S. 99–106) zu nennen, die sich durch eine spezielle Konstruktion des Bildaufnehmers in Form von Linsenrastern auszeichnet. Prinzip bedingt ist die Auflösungsgenauigkeit in der Bildebene einer starken Einschränkung unterworfen, die um so nachteiliger wirkt, da aufgrund der minimal genutzten Stereo-Basis eine hohe Auflösung notwendig ist.
Neuere Forschungsergebnisse auf dem Gebiet der Wellenfront-Mustererkennung zur stereographischen Analyse werden von Federico Frigerio and Douglas Hart präsentiert (F. Frigerio, D. Hart, 2006, Calibrationless Aberration Correction through Active Wavefront Sampling (AWS) and Multi-Camera Imaging; 13th Int Symp on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics; Lisabon, Portugal, 26–29 June, S. 1–9). Das vorgestellte Verfahren basiert auf Erfassung von Bildverbänden, die durch eine rotierende Aperturmaske, die radial versetzt eine oder mehrere kreisförmige Öffnungen besitzt, zeitversetzte Farbbilder aus infinitesimal unterscheidbaren Perspektiven erfasst. Nachteilig wirkt sich der relativ hohe mechanische Aufwand der Aperturvorrichtung und die sequenzielle Bildanalyse aus. Dagegen zeichnet sich das Verfahren nach Yosuke Bando, Bing-Yu Chenund Tomoyuki Nishita durch eine parallele Bildverarbeitung aus, das eine Echtzeitbearbeitung der stereoskopischen Bilder ermöglicht (Y. Bando, B. Chen, T. Nishita, 2008, Extracting Depth and Matte using a Color-Filtered Aperture; ACM Trans. Graph. 27, 5, Article 134, December S. 134: 1–9). Jedoch ermöglicht das vorgestellte Verfahren bei Anordnung bündiger und rechteckförmiger Filter nur eine eingeschränkte Auswertung der Bildtiefe, da die Aufzeichnung der virtuellen Bilder durch eine integrale Abbildung erfolgt, bei denen die Raumtiefeninformation durch Unschärfe reduziert wird.
Der in den 90er Jahren geprägte Begriff Virtual Reality entspringt mehr der künstlerischen Vorstellung von erfahrbar gemachten 3D-Erlebnisräumen im Sirene einer Utopie. Dennoch fand im angelsächsischen Raum der Begriff zur Beschreibung von Mensch-Computer-Interfaces Eingang in die technische Literatur. Aktuelle Entwicklungen zu tragbaren computergestützten Informationssystemen, die zusätzlich zum realen Bild der Umwelt über optische Sehhilfen räumliche Informationen zur Verfügung stellen, werden unter dem Begriff als Mobile Augmented Reality Systems (MARS) geführt. Die Einsatzgebiete solcher Systeme sind vielfältig und es ist zu erwarten, dass im Umweltbereich neue unterstützende Informationstechniken Einzug halten werden. Gegenwärtig laufen Untersuchungen zu Augmented Reality und Mobile Computing u. a. an der Columbia University, New York [www.cs.columbia.edu/graphics/index.html]. Ziel ist das Ausloten des Entwicklungspotentials zur Steuerung von auf dem Kopf getragener Graphikdisplays, die Darstellungen räumlicher Informationen im mobilen Einsatz ermöglichen. Die eingesetzten technischen Komponenten umfassen Geopositionierungssysteme (GPS) mit Zentimetergenauigkeit und Inertial Navigation Systems (INS) zur Berechnung der Kopfhaltung und -führung. Das kopfgetragene Display erlaubt graphische Darstellungen in SVGA-Auflösung. Die Steuerung des Systems erfolgt mit tragbaren Notebooks mit speziell angepasster Software für Gerätetreiber und Systemkomponenten.
Das Dokument US 2007/0188769 A1 betrifft ein dreidimensionales Abbildungssystem. Es wird die Nutzung eines Aperturelementes mit drei Öffnungen vorgeschlagen. Die verwendete Aperturblende wirkt nach dem Prinzip der Hartmann-Shack-Maske, die die Zerlegung einer quasi parallelen Wellenfront erlaubt. Bekannt ist dieses Verfahren in der optischen Astrofotografie, um weit entfernte Objekte exakt zu fokussieren. Die Maske wird i. d. R. vor oder hinter ein Linsensystem geschaltet.
Im Dokument DE 22 44 451 A sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen dreidimensionaler fotografischer Farbbilder offenbart. Das vorgeschlagene Verfahren dient der Herstellung von Anaglyphenbildern. Der Effekt beruht auf der Erstellung eines chromatischen Bildes mit nur zwei Farbkanälen, einig zur Visualisierung eines dreidimensionalen Objektes. Zur mathematischen Rekonstruktion der Raumgeometrie sind wenigstens drei Kanäle notwendig.
Es wurde weiterhin vorgeschlagen (vgl. Bando et. al, Extracting Depth and Matte using a Color-Filtered Aperture, ACM Trans. Graph. 27, 5, Article 134, December S. 134: 1–9), für eine fotografi sche Abbildung einer Anordnung von drei Farbfiltern, die unterschiedliche Lichtfarben herausfiltern, in ein optische Abbildungssystem zu integrieren, derart, dass die drei Farbfilter in einer Ebene angeordnet sind. Auf diese Weise entstehen bei der optischen Abbildung in der Bildebene drei virtuelle Einzelbilder, die sich den Farbfiltern entsprechend farblich unterscheiden. Die farblich unterschiedlichen Bilder des fotografierten dreidimensionalen Objektes sind in der Bildebene versetzt zueinander. Auf diese Weise bleibt das fotografierte dreidimensionale Objekt betreffende Rauminformation erhalten.
Aus dem Dokument US 2007/0188769 A1 ist ein dreidimensionales Abbildungssystem bekannt, welches eine einzelne optische Primärlinse entlang einer Anordnung von drei kolinearen Aperturen nutzt, um drei optische Kanäle auszubilden, die getrennt mit einem jeweiligen optischen Sensor aufgenommen werden können. Zur Begrenzung der Bildkanäle wird eine Lochblende mit drei Öffnungen eingesetzt.
Das Dokument DE 35 15 908 A1 betrifft eine Anordnung mit einem optischen Stereoskop und eine computergesteuerte Bildschirmeinrichtung.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen einer optischen Abbildung eines dreidimensionalen Objektes sowie eine elektronische Bildausgabeeinrichtung anzugeben, mit denen räumliche Informationen über die optisch abgebildeten, dreidimensionalen Objekte besser erhalten bleiben und somit wahlweise optimierter auswertbar sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zum Erzeugen einer optischen Abbildung eines dreidimensionalen Objektes nach dem unabhängigen Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Erzeugen einer optischen Abbildung eines dreidimensionalen Objektes nach dem unabhängigen Anspruch 14 gelöst. Weiterhin sieht die Erfindung eine elektronische Bildausgabeeinrichtung nach dem unabhängigen Anspruch 13 vor. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
Die Erfindung sieht vor, in einem optischen Abbildungssystem, welches konfiguriert ist, ein dreidimensionales Objekt in eine Bildebene abzubilden, eine Lochblendenanordnung mit we nigstens drei Lochblenden zu nutzen, die beabstandet voneinander angeordnet sind und denen jeweils ein unterschiedlicher Spektralfilter zugeordnet ist, derart, dass in der Bildebene unter Beibehaltung von das dreidimensionale Objekt betreffender Rauminformation und den Spektralfilter entsprechend farblich differenzierte Einzelbilder des dreidimensionalen Objektes erzeugt werden. Während im Stand der Technik die virtuellen, farblich differenzierten Einzelbilder regelmäßig verschmieren, wodurch eine Auswertung der Bildinformation, insbesondere mittels digitaler Bildverarbeitung, erschwert wird oder sogar unmöglich ist, wird dieser Nachteil mittels Nutzen der Lochblendenanordnung überwunden, sodass klar differenzierbare Einzelbilder in der Bildebene entstehen, deren Informationsgehalt dann bei Bedarf ausgewertet werden kann. Die Lochblendenanordnung ist benachbart zu einer Aperturblende angeordnet, wobei die drei Lochblenden der Lochblendenanordnung in einem Bereich gegenüber einer Öffnung der Aperturblende gebildet sind.
Zweckmäßig sind die den Lochblenden zugeordneten Farbfilter mit einem ähnlichen Lichtdurchlässigkeitsvermögen ausgestattet, so dass in den verschiedenen Spektralbereichen vergleichbare Lichtmengen durch die Lochblenden gelangen. Als Farbfilterkombination wird beispielsweise eine RGB-Kombination für die drei Filter genutzt. Die Auswahl der Spektralfilter orientiert sich bevorzugt am Aufzeichnungsvermögen des Bilddetektors. In den digitalen Bildaufzeichnungsverfahren können Sensoren mit einer Bayer-Matrix verwendet werden. Darüber hinaus sind Sensoren mit erweiterten Aufzeichnung aus dem elektromagnetischen Spektrum, dem Infrarot- oder dem Ultraviolettbereich denkbar.
Die Anzahl der Lochblenden kann auch ein Vielfaches von drei betragen. Bevorzugt liegen die Lochblenden in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse, so dass eine ebene Lochblendenanordnung gebildet ist.
Es kann vorgesehen sein, digitale Bilddaten für die optische Abbildung bereitzustellen, was zum Beispiel mittels Aufnehmen einer digitalen optischen Abbildung oder einer Digitalisierung eines erfassten Bildes erreicht werden kann. Mittels der nachgeordneten digitalen Bildbearbeitung lassen sich beispielsweise aus korrespondierenden spektral markierten Bildpunkten die Raumtiefe eines Objektpunktes zur Aufzeichnungsebene rekonstruieren. Aus den ermittelten virtuellen Verschiebungen der Bildpunkte ist ebenso der ideale Fokus bestimmbar. Ähnlich zur Geometrie der Filteranordnung in der Apertur werden die spektralen Aufzeichnungsanteile innerhalb eines Zerstreuungskreises in den gemeinsamen Brennpunkt verschoben, um ein ideal scharfes Bild zu erzeugen.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die wenigstens drei Lochblenden auf einer geraden Verbindung angeordnet sind.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die wenigstens drei Lochblenden in den Ecken eines die Lochblenden verbindenden Dreiecks angeordnet sind.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die wenigstens drei Lochblenden in den Ecken eines die Lochblenden verbindenden, gleichseitigen Dreiecks angeord net sind.
Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass die wenigstens drei Lochblenden entlang einer umlaufenden Kreisbahn angeordnet sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein Abstand zwischen einer ersten und einer zweiten Lochblende größer als ein Abstand zwischen der zweiten und einer dritten Lochblende ist. Hierbei kann der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Lochblende größer als ein Mehrfaches des Abstandes zwischen der zweiten und der dritten Lochblende betragen, zum Beispiel das Zwei- bis Fünffache.
Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass zwei der Lochblenden in nächster Nachbarschaft zueinander angeordnet sind. Entsprechen die zugeordneten Spektralfilter einer so genannten RGB-Farbkombination, so sind bevorzugt der blaue und der grüne Farbfilter in nächster Nachbarschaft zueinander angeordnet, was bis zu einer Berührung der beiden Farbfilter in einem Randbereich gehen kann.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass wenigstens zwei Lochblenden mit unterschiedlichen Lochdurchmessern gebildet sind. In einer Ausgestaltung weisen zwei Lochblenden hierbei den gleichen Lochdurchmesser auf. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die drei Lochblenden einen jeweils verschiedenen Lochdurchmesser aufweisen, wodurch zum Beispiel eine optimierte Anpassung der Lochdurchmesser an verschiedene Spektralfarben ermöglicht ist.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Lochblende, welcher ein Spektralfilter für Licht einer ersten Wellenlänge zugeordnet ist, ein kleineres Loch aufweist als eine andere Lochblende, welcher ein Spektralfilter für Licht einer zweiten Wellenlänge zugeordnet ist, die kürzer als die erste Wellenlänge ist. In einer RGB-Farbkombination kann beispielsweise die Lochblende mit dem zugeordneten roten Farb- oder Spektralfilter einen kleineren Loch- oder Öffnungsdurchmesser als die beiden anderen Lochblenden aufweisen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die wenigstens drei Lochblenden mit den zugeordneten Spektralfiltern in einer Blendeneinrichtung angeordnet sind. In dieser oder anderen Ausführungsformen sind die zugeordneten Spektralfilter teilweise oder ganz in die Öffnungen der Lochblenden eingelassen oder alternativ auf die Lochblenden aufgesetzt, also den Öffnungen vorgesetzt.
Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass die Blendeneinrichtung eine Lamellenblende ist und die wenigstens drei Lochblenden in Lamellen der Lamellenblende gebildet sind. Eine Ausführungsform der Lamellenblende ist die Irisblende.
Die Einbringung der Spektralfilter nach vorgeschlagenem Anordnungsprinzip in der vollständig geschlossenen Irisblende ermöglicht die Aufzeichnung virtueller Anaglyphenbilder. Durch Öffnen der Irisblende ist bei lichtschwacher Umgebung zusätzliche eine konventionelle Bildaufnahme ohne 3D-Aufzeichnung möglich. Mit geöffneter Irisblende wird der Aufzeichnungsanteil des Lichtstromes, der durch die Spektralfilter gelangt, durch den Anteil des Lichtstromes, der durch die Irisblendeöffnung gelangt, überdeckt.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zwei der Lochblenden in einer gemeinsamen Lamelle gebildet sind.
Die hinsichtlich ihrer verschiedenen Ausführungsformen vorangehend beschriebene Vorrichtung zum Erzeugen einer optischen Abbildung eines dreidimensionalen Objektes kann in verschiedensten optischen Abbildungssystemen zum Einsatz kommen. Hierzu gehören zum Beispiel Fotoapparate.
Des Weiteren kann ein Einsatz in einer elektronischen Bildausgabeeinrichtung vorgesehen sein. Nach einem Aspekt der Erfindung ist eine solche elektronische Bildausgabeeinrichtung dahingehend konfiguriert, dass einerseits eine Bildausgabe mit den farblich differenzierten Einzelbildern und andererseits eine Bildausgabe mit einem Bild des dreidimensionalen Objektes erfolgt, bei dem die Rauminformation nicht beibehalten ist, das heißt die farblich differenzierten Einzelbilder sind „wieder verschmolzen” zu einem Bild ohne versetzte Einzelbilder. Über eine der elektronischen Ausgabeeinrichtung zugeordnete Eingabeeinrichtung kann ein Benutzer zwischen den verschiedenen Bildausgaben auswählen, die dann auf eine Anzeige ausgegeben werden. Derartige elektronische Bildausgabeeinrichtungen können beispielsweise in Verbindung mit medizinischen Geräten genutzt werden, zum Beispiel in Verbindung mit Endoskopen in der nicht invasiven Chirurgie.
Derartige elektronische Bildausgabeeinrichtungen können beispielsweise in Verbindung mit Geräten zur medizinischen oder technischen Diagnostik genutzt werden, zum Beispiel in der Endoskopie (Gastroskopien, Arthoroskopien, minimal-invasiven Chirurgie etc.); also in Bereichen, in denen wegen des geringen Lumens eine monokulare Optik eingesetzt wird und eine räumliche und farbliche Darstellung ermöglicht werden soll.
In einer anderen Anwendung ist vorgesehen, die mit Hilfe der beschriebenen Vorrichtung erzeugte, optische Abbildung zu nutzen, um geometrische Informationen über das abgebildete dreidimensionale Objekt abzuleiten. Beispielsweise kann ein Verfahren zur Bestimmung von Entfernungsinformation vorgesehen sein, bei dem die optische Abbildung ausgehend von zugehörigen digitalen Bilddaten und unter Berücksichtigung von elektronischen Informationen über das Abbildungssystem ausgewertet wird. Derartiger elektronischer Auswerteanwendungen, die insbesondere in Form von Software-Applikationen verfügbar sind, nutzen unter anderem die Strahlengeometrie zur digitalen Bildauswertung.
Insbesondere lässt sich das vorgeschlagene Verfahren für die Bildanalyse nutzen. Neben den fotografischen Bildanteilen sind zusätzlich für die Analyse der geometrische Anteil des Raumobjektes nutzbar. Durch das zusätzliche räumliche Merkmal eines Oberflächenreliefs ist die Identifikation eines Objektes differenzierter möglich. Verwertbar sich solche Analysemöglichkeiten im Bereich der Personenerkennung und Objektidentifikation. Als Spezialgebiete sind hier zum Beispiel interaktive Computerspiele aus der Spielindustrie zu benennen oder optische Navigationssysteme im Fahrzeugbereich.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer optischen Abbildung von Objekten mit Hilfe eines Abbildungssystems in eine Bildebene,
2a bis 2f schematische Darstellungen von Blenden mit verschiedenen Lochblendenanordnungen,
3a bis 3f schematische Darstellungen von Lamellenblende mit verschiedenen Lochblendenanordnungen und
4a bis 4d schematische Darstellungen von für weitere Blenden mit unterschiedlichen Lochblendenanordnungen.
1 zeigt eine schematische Darstellung für eine optische Abbildung eines dreidimensionalen Objektes, welches mittels zwei Objektabschnitten 1, 2 schematisch dargestellt ist, mit Hilfe eines optischen Abbildungssystems aus einem Objektraum 3 in eine Bildebene 4. Das optische Abbildungssystem umfasst eine Abbildungslinse 5 sowie eine Lochblendenanordnung 6 mit einer ersten Lochblende 7 und einer zweiten Lochblende 8. Die Lochblendenanordnung 6 ist benachbart zu einer Aperturblende 9 positioniert, also im Wesentlichen in der Aperturebene.
Gemäß 1 sind in der Bildebene 4 einerseits Bildpunkte 10, 11 dargestellt, die sich ohne Verwendung der Lochblendenanordnung 6 ergeben würden. Darüber hinaus sind Bildpunkte in Form von Einzelbildern 10a, 10b sowie 11a, 11b dargestellt, die sich auf Grund der Nutzung der Lochblendenanordnung 6 ergeben. Mit Hilfe der in 1 verwendeten, unterschiedlichen Linienarten für die Bildkonstruktion in der Bildebene 4 wird schematisch gezeigt, dass sich die virtuellen Einzelbilder 11a, 11b sowie 10a, 10b farblich unterscheiden, wobei die Ursache hierfür in der Verwendung unterschiedlicher Farbfilter in den Lochblenden 7, 8 liegt. Es entstehen also farblich differenzierte Einzelbilder, in denen räumliche bzw. geometrische Informationen über die Objektpunkte 1, 2 erhalten bleiben.
Die unter Bezugnahme auf 1 erläuterten Prinzipien der optischen Abbildung gelten analog für die Verwendung einer Lochblendenanordnung mit drei oder mehr Lochblenden.
Die mit einer jeweiligen Lochblendenanordnung erzeugten, farblich differenzierten Einzelbilder in der optischen Abbildung können dann nach dem Bereitstellen digitalisierter Bilddaten mit einer Bildauswertesoftware verarbeitet und analysiert werden, um verschiedenste Informationen abzuleiten, insbesondere hinsichtlich geometrischer Informationen zu dem oder den abgebildeten dreidimensionalen Objekten. Software-Applikationen für eine solche digitale Bildauswertung sind in verschiedenen Ausführungsformen als solche bekannt. Wird bei der Bildauswertung elektronische Information über das Abbildungssystem einschließlich dessen Positionierung relativ zur Bildebene berücksichtigt, kann aus der optischen Abbildung insbesondere auch Abstandsinformation bezüglich des Abstandes des abgebildeten Objektes zum Abbildungssystem oder auch hinsichtlich eines Abstandes zwischen abgebildeten Objekten gewonnen werden.
Die 2a bis 2f zeigen jeweils eine Blende für ein optisches Abbildungssystem mit unterschiedlichen Lochblendenanordnungen. Die jeweilige Lochblendenanordnung umfasst drei Lochblenden 20, 21, 22.
Der Durchmesser D der Lochblenden 20, 21, 22 ist eine Funktion aus den Eigenschaften des Bilddetektors und der Linsenoberfläche. Hierbei fällt dem Auflösungsvermögen und der Lichtsensitivität des Sensors eine entscheidende Rolle zu. Ideal ist zum Beispiel ein Aufnehmer, der pro elektromagnetischem Impuls eine Photonenaufzeichnung detektiert gepaart mit einer hohen Aufzeichnungsdichte im Auflösungsvermögen einer Wellenamplitude. Die Wellenlänge des Lichts bildet eine unter Grenze für den Lochdurchmesser D. Beugungserscheinungen treten bei allen Wellenlängen auf. Rot wird etwas stärker als Blau gebeugt.
Aufbauend auf einem idealen Sensor ist eine Lochkamera realisierbar. Danach ist die effektive Lichtstärke durch die Filteröffnung für den Belichtungsvorgang von Bedeutung. Erfahrungsgemäß muss für handelsübliche Detektoren ein deutlich größerer Durchmesser gewählt werden, um mit brauchbaren Verschlusszeiten eine Bildaufnahme zu erhalten. Die empirisch ermittelten Durchmesser sind kleiner als 1/10 des Linsendurchmessers.
Den drei Lochblenden 20, 21, 22 ist ein jeweils unterschiedlicher Farbfilter oder Spektralfilter zugeordnet, was in den 2a bis 2f mittels unterschiedlicher Strichmuster in den Löchern oder Öffnungen der Lochblenden 20, 21, 22 dargestellt ist. Bei einer so genannten RGB-Farbkombination ist die Lochblende 20 mit einem roten Farbfilter versehen. Die beiden anderen Lochblenden 21, 22 verfügen dann über den grünen und den blauen Farbfilter.
In den Darstellungen in den 2a und 2d sind die drei Lochblenden 20, 21, 22 in den Eckbereichen eines gleichseitigen Dreiecks und auf einer Kreisbahn 23 angeordnet. Eine solche Lochblendenanordnung erzeugt eine für die digitale Bildauswertung der geometrischen Information optimierte, optische Abbildung mit farblich differenzierten Einzelbildern. Bevorzugt ist der Lochblende 21 der grüne Farbfilter und der Lochblende 22 der blaue Farbfilter zugeordnet.
Bei der Lochblendenanordnung in den 2b und 2e ist der Abstand zwischen den zwei Lochblenden 21, 22 wesentlich geringer als der Abstand zwischen der Lochblende 20 und diesen beiden Lochblenden 21, 22. Eine solche Lochblendenanordnung erzeugt ein für das menschliche Auge optimiertes Abbild mit den farblich differenzierten Einzelbildern.
Schließlich sind in den Darstellungen 2c und 2f die drei Lochblenden 20, 21, 22 entlang einer geraden Verbindung 24 angeordnet.
Bei den Lochblendenanordnungen in den 2d, 2e und 2f ist die Lochblende 20 mit einem kleineren Lochdurchmesser als die beiden anderen Lochblenden 21, 22 versehen. Hierdurch wird in einer RGB-Farbkombination wenigstens teilweise der Umstand kompensiert, dass in der Bildebene rote Bildpunkte regelmäßig größer dargestellt werden als blaue und grüne Bildpunkte.
In den 3a bis 3f sind die Lochblendenanordnungen, wie sie die 2a bis 2f zeigen, nun in eine Lamellen- oder Irisblende 30 integriert. Bei den Ausführungsformen in den 3b, 3c, 3e und 3f sind zwei der Lochblenden 21, 22 auf einer gemeinsamen Lamelle angeordnet, wohingegen bei den Ausführungsformen 3a und 3d jede der Lochblenden 20, 21, 22 auf einer eigenen Lamelle gebildet ist. Hinsichtlich der Lochblendenanordnungen sowie der den Lochblenden 20, 21, 22 zugeordneten Farbfiltern gelten die in Verbindung mit den Ausführungsformen in den 2a bis 2f gemachten Erläuterungen entsprechend.
Schließlich zeigen die 4a bis 4d weitere Blendeneinrichtungen mit Lochblendenanordnungen, wobei bei den Ausführungsformen in den 4c und 4d wieder eine Lamellen- oder Irisblende zum Einsatz kommt.
Wird eine Bildaufzeichnung nach 2a, 2d, 3a, 3d vorgenommen, wirkt das Erscheinungsbild nach üblicher Sehgewohnheit unscharf und verschwommen, ist jedoch für die digitale Vermessung eine ideale Voraussetzung um die virtuellen Verschiebungen metrisch zu erfassen. Eine Bildaufzeichnung nach 2b, 2c, 2e, 2f, 3b, 3c, 3e, 3f wirkt nach Sehgewohnheit weniger verzeichnend und ist mit einer Anaglyphenbrille zur Erkennung des dreidimensionalen Objekts betrachtbar. Die metrische Analyse ist jedoch bei solcher Filteranordnung erschwert bzw. unmöglich. Ein Kompromiss erfolgt bei Filteranordnung nach 4a, 4b, 4c, 4d. Damit ist es möglich, das Aufzeichnungsergebnis direkt mit einer Analglyphenbrille zu betrachten und eine metrische Auswertung vorzunehmen. Die digitale Nachbearbeitung der virtuellen Bilder führt zu ideal scharfen Abbildungen, da durch die virtuelle Verrückung der einzelnen spektralen Aufzeichnungen in den gemeinsamen Brennpunkt einer Aufzeichnung mit einer Lochkamera entspricht.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.

Claims

Vorrichtung zum Erzeugen einer optischen Abbildung eines dreidimensionalen Objektes, insbesondere für eine Rekonstruktion geometrischer Informationen für das dreidimensionale Objekt, mit: – einem optischen Abbildungssystem, welches konfiguriert ist, das dreidimensionale Objekt (10, 20) in eine Bildebene (4) abzubilden, und – einer von dem optischen Abbildungssystem umfassten Lochblendenanordnung mit drei Lochblenden (20, 21, 22), die beabstandet voneinander angeordnet sind und denen jeweils ein unterschiedlicher Farbfilter zugeordnet ist, derart, dass in der Bildebene (4) unter Beibehaltung von das dreidimensionale Objekt (10, 20) betreffender Rauminformation und den Farbfiltern entsprechend farblich differenzierte Einzelbilder des dreidimensionalen Objektes (10, 20) innerhalb eines Unschärferadius des Abbildungssystems erzeugt werden, wobei die Lochblendenanordnung benachbart zu einer Aperturblende (9) und die drei Lochblenden (20, 21, 22) der Lochblendenanordnung in einem Bereich gegenüber einer Öffnung der Aperturblende (9) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens drei Lochblenden (20, 21, 22) auf einer geraden Verbindung angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens drei Lochblenden (20, 21, 22) in den Ecken eines die Lochblenden (20, 21, 22) verbindenden Dreiecks angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens drei Lochblenden (20, 21, 22) in den Ecken eines die Lochblenden (20, 21, 22) verbindenden, gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens drei Lochblenden (20, 21, 22) entlang einer umlaufenden Kreisbahn (23) angeordnet sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand zwischen einer ersten und einer zweiten Lochblende (20, 21) größer als ein Abstand zwischen der zweiten und einer dritten Lochblende (21, 22) ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der Lochblenden (21, 22) in nächster Nachbarschaft zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Lochblenden (20, 21) mit unterschiedlichen Lochdurchmessern gebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lochblende (20), welcher ein Spektralfilter für Licht einer ersten Wellenlänge zugeordnet ist, ein kleineres Loch aufweist als eine andere Lochblende (21; 22), welcher ein Spektralfilter für Licht einer zweiten Wellenlänge zugeordnet ist, die kürzer als die erste Wellenlänge ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens drei Lochblenden (20, 21, 22) mit den zugeordneten Spektralfilter in einer Blendeneinrichtung angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Blendeneinrichtung eine Lamellenblende (30) ist und die wenigstens drei Lochblenden (20, 21, 22) in Lamellen der Lamellenblende (30) gebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der Lochblenden (21, 22) in einer gemeinsamen Lamelle gebildet sind.
Elektronische Bildausgabeeinrichtung, mit: – einer Vorrichtung zum Erzeugen einer optischen Abbildung eines dreidimensionalen Objektes nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, – einer digitalen Bildverarbeitungseinrichtung, die konfiguriert ist, digitale Bilddaten für die optische Abbildung zu erzeugen und die digitalen Bilddaten zu verarbeiten, um: – erste digitale Bildausgabedaten zu erzeugen, die die unter Beibehaltung der das dreidimensionale Objekt betreffenden Rauminformation und den Farbfiltern entsprechend farblich differenzierten Einzelbilder des dreidimensionalen Objektes umfassen, und – zweite digitale Bildausgabedaten zu erzeugen, die ein Einzelbild umfassen, welches die das dreidimensionale Objekt betreffende Rauminformation nicht beibehält, nämlich ein virtuelles Anaglyphenbild, und – einer Steuereinrichtung, die konfiguriert ist, Steuereingabesignale zu empfangen, um den Steuereingabesignalen entsprechend die ersten und/oder die zweiten digitalen Bildausgabedaten für eine Ausgabe über eine Anzeigeeinrichtung bereitzustellen.
Verfahren zum Erzeugen einer optischen Abbildung eines dreidimensionalen Objektes, bei dem die optische Abbildung in einer Bildebene unter Verwendung einer Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12 erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass für die optische Abbildung digitale Bilddaten erzeugt werden und geometrische Informationen für das dreidimensionale Objekt ermittelt werden, indem die digitalen Bilddaten mittels einer digitalen Bildauswertung ausgewertet werden.