DE102010023108B4

DE102010023108B4 - Projektor mit automatischer Fokussierung und Abbildungsverfahren

Info

Publication number: DE102010023108B4
Application number: DE102010023108.8A
Authority: DE
Inventors: Axel Kiesshauer
Original assignee: Sypro Optics GmbH
Current assignee: Jabil Optics Germany GmbH
Priority date: 2009-06-04
Filing date: 2010-06-04
Publication date: 2019-12-05
Anticipated expiration: 2030-06-05
Also published as: US8773529B2; DE102010023108A1; US20100328453A1

Abstract

Projektor (1) zum Abbilden eines Ursprungsbildes auf eine Projektionsfläche (5) mit:einer Projektionsoptik (2) mit einer einstellbaren Bildweite (L) zum Abbilden des Ursprungsbildes auf die Projektionsfläche (5) und einer Kameraeinrichtung (6) zum Abbilden der Projektionsfläche (5) und Erzeugen eines Projektionsflächenbildes, wobei eine Vergleichseinrichtung (12) zum Vergleichen des Ursprungsbildes mit dem Projektionsflächenbild und zum Einstellen der Bildweite (L) der Projektionsoptik (2) in Abhängigkeit von dem Vergleich vorgesehen ist, wobei die Vergleichseinrichtung (12) ausgebildet ist, eine Verschiebung des Ursprungsbildes im Projektionsflächenbild gegenüber dem Ursprungsbild zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dassdie Verschiebung des Ursprungsbildes im Projektionsflächenbild als Maß für die Bestimmung der Bildweite der Projektionsoptik (2) verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft das Abbilden eines Ursprungsbildes auf eine Projektionsfläche und insbesondere, aber nicht ausschließlich einen Projektor mit automatischer Fokussierung mittels Entfernungsmessung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein entsprechendes Abbildungsverfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 12.
Projektoren dienen dazu, ein beliebiges Bild auf eine Fläche zu projizieren. Das Ursprungsbild kann dabei als optische Vorlage vorliegen, etwa in Art eines Diapositivs, oder es kann in elektronischer Form gespeichert sein und durch entsprechende elektrooptische Wandler in ein optisches Signal gewandelt werden. In jedem Fall muss das Bild auf der Projektionsfläche mit einer bestimmten Schärfe dargestellt werden. Dazu wird die Bildweite der Projektionsoptik angepasst. Um die Bildweite anpassen zu können, wird eine Entfernungsbestimmung zwischen Projektor und Projektionsfläche vorgenommen.
So ist aus US 2005/001999 A1 ein Projektor mit einem Abbildungssystem bekannt, mit dem eine genaue Fokussierung eines Projektors unter Verwendung eines Photoempfängers möglich ist. Der Projektor umfasst ein Abbildungssystem, die Fokussierung erfolgt in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal eines Photoempfängers. Der Photoempfänger erfasst das von der Abbildungsfläche zurück geworfene Licht. Die optische Achse des Abbildungssystems ist in Bezug auf eine Referenzachse verschoben. Die Referenzachse führt von der Mitte einer ursprünglichen optischen Abbildung zu der Mitte der Abbildung. Der Photoempfänger erfasst Licht in seinem Erfassungsbereich in der Nähe der optischen Achse befindet, in welchem sich auch die Position der optischen Achse des optischen Abbildungssystems auf der Abbildungsfläche befindet.
Zur Messung der Entfernung wird der Hell-Dunkel-Übergang der unteren Bildkante mit einem Phasenvergleichssensor aufgenommen. Bedingt durch den geometrischen Abstand der zwei optischen Achsen des Phasenvergleichssensors erscheint die Bildkante jeder Teileinheit je nach Entfernung unter einem anderen Winkel. Mit Hilfe dieser Winkel und der Basisbreite wird zwischen den optischen Achsen ein Dreieck aufgespannt und durch Triangulation die Entfernung bestimmt.
Bei diesem Stand der Technik besteht einerseits die Notwendigkeit, dass im betrachteten Bereich ein Hell-Dunkel-Übergang existieren muss, was bei vorwiegend dunklen Bildern oder anderen Bildseitenverhältnissen der zu projizierenden Information als das Bildseitenverhältnis des Projektors nicht gegeben ist. Weiterhin wird durch das Messprinzip ein großer Bauraum bedingt.
In DE 60 2005 000296 T2 ist ein Projektor mit automatischer Fokuseinstellung beschrieben. Der Projektor umfasst eine Teststruktur-Projektionseinheit zum Abbilden einer Teststruktur mit zwei Bereichen unterschiedlicher optischer Dichte auf eine Projektionsfläche. Eine Fokusänderungseinheit bewegt den Brennpunkt des Projektors, eine Abbildeinheit bildet die Projektionsoberfläche ab, eine Fokuseinstelleinheit fokussiert den Brennpunkt in Abhängigkeit von einem Indikatorwert, der eine Funktion des Fokuszustandes ist.
Mit anderen Worten, durch Aufnahme dieser Struktur mit einem Bildaufnahmesystem wird die Qualität der aktuellen Fokuslage gemessen und die Position des Objektivs so lange verändert, bis die Abbildung die bestmögliche „Schärfe“ zeigt.
Ein Nachteil bei diesem Stand der Technik ist es, dass bei diesem Verfahren ein Testmuster projiziert werden muss, welches den Nutzer stören könnte. Außerdem ist zunächst die Richtung der Objektivverschiebung nicht bekannt, sodass das Bild zunächst unschärfer werden kann.
In JP 2006 184569 A1 wird eine Abbildungsvorrichtung mit einem Fokussierungsmechanismus beschrieben. In Abhängigkeit von dem Ausgangssignal eines Liniensensors, dem Brennpunktabstand einer Messsucherlinse und einer Basislänge, die einem Abstand zwischen der optischen Achse einer Abbildungslinse und der optischen Achse der Messsucherlinse entspricht, wird durch eine Steuereinheit mittels Triangulation ein Abstand zwischen dem Abbildungsreferenzpunkt der Abbildungslinse und dem Punkt, in welchem sich die optische Abbildungsachse auf einer Projektionsfläche und eine Projektionsoberfläche schneiden, berechnet. In Abhängigkeit von dem berechneten Abstand wird ein Motoransteuerungssignal für einen Motor erzeugt, mit dem die Drehposition eines Fokusrings eingestellt wird, und die Abbildungslinse fokussiert.
Mit diesem System werden also Testmuster basierend auf Linien durch die Projektionsoptik auf die Projektionsflache projiziert. Durch ein mit einem Versatz angeordnetes Aufnahmeobjektiv mit einer Zeile lichtempfindlicher Photoelemente als Sensor kann das Testbild bestehend aus einer Linie aufgenommen werden. Durch Triangulation wird die Entfernung zur Projektionsfläche gemessen. Gleichzeitig können Trapezverzerrungen korrigiert werden, die auftreten, wenn eine Projektionsfläche schräg zur optischen Achse der Projektion angeordnet ist.
DE 10 2005 034 990 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Auto-Fokussierung mit einem Projektor zum Abbilden mindestens eines Ursprungsbildes auf eine Projektionsfläche mit: einer Projektionsoptik mit einer einstellbaren Bildweite zum Abbilden des Ursprungsbildes auf die Projektionsfläche und einer Kameraeinrichtung zum Abbilden der Projektionsfläche und Erzeugen eines Projektionsflächenbildes, wobei eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen des Ursprungsbildes mit dem Projektionsflächenbild und zum Einstellen der Bildweite der Projektionsoptik in Abhängigkeit von dem Vergleich. Jedoch verwendet auch DE 10 2005 034 990 A1 ein Testmuster aus Balken, um eine Auto-Fokussierung durchzuführen. Insbesondere wird die Position des projizierten Bildes im Projektionsflächenbild nicht unmittelbar als Maß zur Einstellung der Bildweite der Projektionsoptik verwendet, sondern der Gesamtschärfegrad des abgebildeten Testmusters.
US 2007/0242233 A1 offenbart einen Projektor und einen Projektionsschirm, wobei der Projektionsschirm zur Kompensation einer Bildverzerrung einen oder mehrere Marker aufweist. Auch US 2007/0242233 A1 verwendet ein Testmuster, um eine Auto-Fokussierung durchzuführen.
Ein Nachteil besteht beim diskutierten Stand der Technik darin, dass ein Testbild notwendig ist, um die Fokussierung durchführen zu können, was im permanenten Betrieb als störend empfunden werden kann.
US 2008/0024738 A1 offenbart einen Projektor mit integrierter Kamera, wobei die Projektorlinse und die Kameralinse zur Verringerung der Komponenten mit demselben Antrieb gesteuert werden sollen. Zwar verwendet US 2008/0024738 A1 zur Auto-Fokussierung kein Testbild, sondern die tatsächlich zu projizierenden Bilder, jedoch wird die Auto-Fokussierung durch Berechnung des Kontrastverhältnisses im Projektionsflächenbild realisiert, was nachteilhafterweise zu einem erhöhten Rechenaufwand führt.
US 2005/0094112 A1 offenbart einen Projektor mit einem Autofokus, welcher für helle Umgebungen geeignet ist. US 2005/0270496 A1 offenbart einen Projektor mit einer Vorrichtung zur Bestimmung des Neigungswinkels der Abbildung.
US 2006/0139582 A1 offenbart einen Projektor mit einem Verfahren zur Fokusverstellung. US 2005/0195375 A1 offenbart einen Projektor mit automatischer Fokussierung. US 7 165 849 B2 offenbart einen Projektor mit einem Autofokus auf Grundlage einer Abstandsbestimmung zur Projektionsfläche.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die obigen Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und insbesondere eine genaue Fokussierung des Projektors zu ermöglichen, ohne dass spezielle Eichprojektionen vorgenommen werden müssen, durch die der Projektionsablauf gestört wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Projektor zum Abbilden eines Ursprungsbildes auf eine Projektionsfläche nach Anspruch 1 und das entsprechende Abbildungsverfahren nach Anspruch 12. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe beruht im Wesentlichen darauf, dass ein Messwert zur automatischen Fokussierung ermittelt wird. Dazu wird ein Kameramodul mit einem seitlichen Versatz zur optischen Achse der Projektion positioniert. Das Kameramodul wird so ausgerichtet, dass es mindestens einen Teil der Projektion, im Idealfall sogar die ganze Projektion aufnehmen kann. Weiterhin wird innerhalb des Projektors eine temporäre Kopie des zu projizierenden Inhaltes erzeugt. Durch Findung des zu projizierenden Inhaltes im Kamerabild und Ermittlung der seitlichen Positionen kann die Entfernung zur Projektionsfläche durch Triangulation bestimmt werden.
Der erfindungsgemäße Projektor zum Abbilden eines Ursprungsbildes auf eine Projektionsfläche weist auf: eine Projektionsoptik mit einer einstellbaren Bildweite zum Abbilden des Ursprungsbildes auf die Projektionsfläche und eine Kameraeinrichtung zum Abbilden der Projektionsfläche und Erzeugen eines Projektionsflächenbildes; eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen des Ursprungsbildes (d.h. der Bilddaten des zu projizierenden Bildes) mit dem Projektionsflächenbild; Mittel zum Einstellen der Bildweite der Projektionsoptik in Abhängigkeit von dem Vergleich, wobei die Vergleichseinrichtung ausgebildet ist, eine Verschiebung des Ursprungsbildes (d.h. der Bilddaten des zu projizierenden Bildes) im Projektionsflächenbild gegenüber dem Ursprungsbild zu bestimmen (auch als Versatz bezeichnet), wobei die Verschiebung des Ursprungsbildes im Projektionsflächenbild als Maß für die Bestimmung der Bildweite der Projektionsoptik verwendet wird.
Vorzugsweise wird die Verschiebung des Ursprungsbildes im Projektionsflächenbild unmittelbar als Maß für die Bestimmung der Bildweite der Projektionsoptik verwendet. Vorzugsweise wird die Bildweite der Projektionsoptik durch Triangulation unter Verwendung der Verschiebung des Ursprungsbildes im Projektionsflächenbild bestimmt.
Vorzugsweise wird der Versatz der Bildmitte der Projektion des zu projizierenden Bildes im (von der Kamera) aufgenommenen Bild von der Bildmitte des aufgenommenen Bildes (Projektionsflächenbild) in Pixeln als Maß für die Bestimmung der Bildweite der Projektionsoptik verwendet. Vorzugsweise wird die Bildweite der Projektionsoptik durch Triangulation unter Verwendung dieses Versatzes bestimmt.
Vorzugsweise wird die Bildweite L wie folgt berechnet: $L = \frac{b * R}{k * 2 * tan (γ / 2)}$
wobei b der Abstand der optischen Achse der Kamera von der (dazu parallelen) optischen Achse der Projektionsoptik, γ der Feldwinkel des Kamerasystems, k der Versatz der Bildmitte (der Projektion) des zu projizierenden Bildes im aufgenommenen Bild von der Bildmitte des aufgenommenen Bildes (Projektionsflächenbild) in Pixeln, R ist Auflösung des Kamerabildes in der jeweiligen Richtung (vorzugsweise Bildbreite in Pixeln) ist.
Zur Vereinfachung der Ermittlung der Bildverschiebung kann der Positionswert k, der den Versatz der Bildmitten des Projektionsflächenbildes von der Bildmitte der Projektion im Projektionsflächenbild darstellt, transformiert werden in rechentechnisch günstigere Werte, beispielsweise zum Versatz einer Außenkante des Projektionsflächenbildes von der Bildmitte der Projektion im Projektionsflächenbildes.
Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Projektors weisen als weiteres Merkmal oder - soweit technisch möglich und sinnvoll - als Kombination weiterer Merkmale auf, dass

- ein optoelektronischer Wandler vorgesehen ist zum Wandeln des Ursprungsbilds von einer photographischen Vorlage in ein elektronisches Signal;
- ein elektrooptischer Wandler vorgesehen ist zum Wandeln des als elektronischer Datensatz abgespeicherten Ursprungsbilds in ein optisches Bild;
- eine Skalierungsvorrichtung vorgesehen ist zum Angleichen der Größe des Ursprungsbildes und des Projektionsbildes;
- das Ursprungsbild und das Projektionsbild jeweils eine vorgegebene Anzahl von horizontalen und vertikalen Pixeln aufweist und der Vergleich von Ursprungsbild und Projektionsbild pixelweise erfolgt;
- die Vergleichseinrichtung das Ursprungsbild und das Projektionsflächenbild jeweils um einen vorgegebenen Verschiebungsweg zueinander verschiebt und für jeden Verschiebungsweg einen Vergleich durchführt, um eine optimale Überlappung des Ursprungsbildes und des Projektionsbilds zu bestimmen;
- der Verschiebungsweg einer vorgegebenen Anzahl von Pixeln in horizontaler und/oder einer vorgegebenen Anzahl von Pixeln in vertikaler Richtung entspricht;
- zum Vergleichen des Ursprungsbildes mit dem Projektionsflächenbild ein Vergleichssignal in Abhängigkeit von einem Helligkeitsunterschied zwischen dem Ursprungsbild und dem Projektionsflächenbild erzeugt wird;
- zum Vergleichen des Ursprungsbildes mit dem Projektionsflächenbild ein Vergleichssignal in Abhängigkeit von einem Farbunterschied zwischen dem Ursprungsbild und dem Projektionsflächenbild erzeugt wird;
- eine Merkmalextraktionseinrichtung zum Extrahieren wenigstens eines Bildmerkmals aus der Projektionsflächenabbildung vorgesehen ist, wobei der Vergleich von Ursprungsbild und Projektionsflächenbild im wesentlichen nur anhand des wenigstens einen Bildmerkmals erfolgt;
- ein Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur der optischen Komponenten der Projektionsoptik und/oder der Kameraeinrichtung und ein Korrekturelement zum Korrigieren des Vergleichssignals in Abhängigkeit von der Temperatur vorgesehen ist.

Das entsprechende erfindungsgemäße Abbildungsverfahren zum Abbilden eines Ursprungsbildes auf eine Projektionsfläche mit einem Projektor weist die Schritte auf:

Abbilden des Ursprungsbildes auf die Projektionsfläche mit einer Projektionsoptik mit einer einstellbaren Bildweite und Abbilden der Projektionsfläche und Erzeugen eines Projektionsflächenbildes mit einer Kameraeinrichtung, und ist gekennzeichnet durch Vergleichen des Ursprungsbildes mit dem Projektionsflächenbild und Einstellen der Bildweite der Projektionsoptik in Abhängigkeit von dem Vergleich mit einer Vergleichseinrichtung.

Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abbildungsverfahrens weisen als weiteres Merkmal oder - soweit technisch möglich und sinnvoll - als Kombination weiterer Merkmale auf,

- dass das Ursprungsbild von einer photographischen Vorlage in ein elektronisches Signal durch einen optoelektronischen Wandler gewandelt wird; dass das als elektronischer Datensatz abgespeicherte Ursprungsbild in ein optisches Signal durch einen elektrooptischen Wandler gewandelt wird; Angleichen der Größe des Ursprungsbildes und des Projektionsbildes durch eine Skalierungsvorrichtung;
- Verschieben des Ursprungsbildes und des Projektionsflächenbildes jeweils um einen vorgegebenen Verschiebungsweg zueinander und Durchführen des Vergleiches für jeden Verschiebungsweg durch die Vergleichseinrichtung, um eine optimale Überlappung des Ursprungsbildes und des Projektionsbilds zu bestimmen;
- dass der Verschiebungsweg einer vorgegebenen Anzahl von Pixeln in horizontaler und/oder einer vorgegebenen Anzahl von Pixeln in vertikaler Richtung entspricht;
- dass zum Vergleichen des Ursprungsbildes mit dem Projektionsflächenbild ein Vergleichssignal in Abhängigkeit von einem Helligkeitsunterschied zwischen dem Ursprungsbild und dem Projektionsflächenbild erzeugt wird;
- dass zum Vergleichen des Ursprungsbildes mit dem Projektionsflächenbild ein Vergleichssignal in Abhängigkeit von einem Farbunterschied zwischen dem Ursprungsbild und dem Projektionsflächenbild erzeugt wird;
- Extrahieren wenigstens eines Bildmerkmals aus dem Projektionsflächenbild durch eine Merkmalextraktionseinrichtung, wobei der Vergleich von Ursprungsbild und Projektionsflächenabbildung im wesentlichen nur anhand des wenigstens einen Bildmerkmals erfolgt;
- Erfassen einer Temperatur der optischen Komponenten der Projektionsoptik und/oder der Kameraeinrichtung durch einen Temperatursensor und Korrigieren des Vergleichssignals in Abhängigkeit von der Temperatur durch ein Korrekturelement.

Die erfindungsgemäße Lösung hat unter Anderem die folgenden Vorteile. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist es nicht notwendig Testbilder einzublenden, die den Betrachter stören könnten. Außerdem kann selbst während der Projektion unscharfer oder bewegter Bilder die Entfernung gemessen und das Objektiv zielgerichtet in die richtige Position bewegt werden, ohne dass das System zu „pumpen“ beginnt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von besonders bevorzugten Ausführungsformen, bei der Bezug genommen wird auf die beigefügte Zeichnung.

1 zeigt in semi-perspektivischer Ansicht einen Projektoraufbau aus dem Stand der Technik.
2 zeigt ein Beispiel für ein projiziertes Bild, das mit dem erfindungsgemäßen Projektor abgebildet werden kann.
3 zeigt schematisch als Blockdiagramm eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Projektors.
4 zeigt schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Projektors sowie die zur Bestimmung der Bildweite relevanten Parameter.
5 zeigt schematisch die Position des Ursprungsbildes im Projektionsflächenbild als Maß für die Bestimmung der Bildweite der Projektionsoptik.

Die Darstellung in den Figuren ist nicht maßstäblich, gleiche oder gleich wirkende Elemente sind mit denselben Bezugsziffern versehen, soweit nicht anders vermerkt.
1 zeigt schematisch und semi-perspektivisch den Aufbau eines Projektors 1 aus dem Stand der Technik. Der Projektor 1 umfasst eine Projektionsoptik 2 mit variabler Bildweite. Die Bildweite kann mit einer Fokussiereinrichtung 3 für die Projektionsoptik eingestellt werden, was mit einem Doppelpfeil in 1 angedeutet ist. Die Bilddaten des abzubildenden Ursprungbildes können wie in der Einleitung angedeutet grundsätzlich entweder als optische Daten, d.h. etwa als Diapositiv oder als elektronische Daten vorliegen. Der Einfachheit halber wird hiervon elektronisch vorliegenden Daten ausgegangen, die auf einem Speicher 4 abgelegt sind, der als Bildquelle dient. Die elektronischen Bilddaten werden von dem Speicher 4 in die Projektionsoptik 2 geladen und dort durch einen (nicht dargestellten) elektrooptischen Wandler in entsprechende optische Bildinformation gewandelt. Das so erzeugte Bild wird auf eine Projektionsfläche 5 abgebildet.
Es ist im Stand der Technik bereits bekannt, das von der Projektionsfläche 5 zurückgeworfene Licht mit einer Kamera 6 aufzufangen, um es für die Einstellung der Projektionsoptik 2 in dem Projektor 1 zu nutzen. Soweit insbesondere der Abstand zwischen Projektor 1 und Projektionsfläche 5 ermittelt werden soll und zur Fokussierung der Projektionsoptik 2 genutzt werden soll, wird ein vorgegebener Abstand zwischen der Kamera 6 und der Projektionsoptik 2 vorgesehen. Auf diese Art kann der Abstand zwischen Projektor 1 und Projektionsfläche 5 mittels Triangulation bestimmt werden. Der Abstand zwischen Kamera 6 und Projektionsoptik 2 entspricht einem Abstand „b“ zwischen der optischen Achse 7 der Projektionsoptik 2 und der optischen Achse 8 der Kamera 6.
Wie in der Einleitung bereits erläutert, muss im Stand der Technik ein (nicht gezeigtes) Testbild auf der Projektionsfläche 5 abgebildet werden, um mit bekannten Strukturen in dem Testbild dann den Abstand zwischen dem Projektor und der Projektionsfläche 5 bestimmen zu können.
In 2 ist ein Beispiel für ein „gewöhnliches“ Bild gezeigt, das mit dem Projektor auf die Projektionsfläche 5 abgebildet werden kann und das keinerlei Beschränkungen in Bezug auf die Darstellung unterliegt. Als Beispiel ist eine Landschaft gezeigt. Das Bild auf der Projektionsfläche 5 wird von der Kamera 6 in 1 unter einem Winkel „ß“ erfasst, wobei der Winkel „ß“ der Winkel zwischen einer Richtung 10, unter der das Bild erkannt wird, und der optischen Achse 8 der Kamera 6 ist.
Zum Erkennen der Richtung 10, unter der das Bild von der Kamera aus gesehen auf der Projektionsfläche 5 erscheint, und damit des Winkels „ß“ können insbesondere Merkmale 9 herangezogen werden, die leicht zu identifizieren sind. In dem gezeigten Beispiel ist ein solches Merkmal 9 ein Haus in dem Bild. Nähere hierzu werden weiter unten erläutert.
Das Grundprinzip der Erfindung wird im Folgenden anhand von 3 erläutert. Dieses Grundprinzip beruht auf der Lokalisierung des (mit der Kamera aufgenommenen) Projektionsbildes im (fotografisch aufgenommenen) Ursprungsbild mittels Skalierung und Pixelvergleich, wie z.B. Differenzbildung.
Für die Entfernungsmessung zwischen Projektor 1 und Projektionsfläche 5 wird die Position des projizierten Bildes in einem aufgenommenen Bild, welches durch eine auf die Projektionsfläche gerichtete Kamera 6 aufgenommen wird, benötigt. Im Gegensatz zu Bildsystemen beispielsweise in industriellen Zähl- und Sortieranlagen gibt es bei dem erfindungsgemäßen System in Bezug auf Bildinhalte jedoch keinerlei Beschränkungen. Die einzige Voraussetzung ist, dass das Projektionsbild mindestens in einigen Teilflächen nichtschwarze Bildbereiche aufweist.
Das Kameramodul 6 ist neben dem Projektionsmodul 2 angeordnet, so dass ihre beiden optischen Achsen 7, 8 parallel zueinander ausgerichtet sind. Dadurch wird das projizierte Bild praktisch unverzerrt auf dem Kamerasensor abgebildet. Weiterhin wird bei annähernd gleichem Abstand zwischen der Projektionsfläche 5 und der Austrittspupille des Projektionsmoduls 2 sowie der Eintrittspupille des Kameramoduls 6 das projizierte Ursprungsbild mit konstanter Größe auf dem Kamerasensor abgebildet. Es wird folgend mindestens eines der beiden Bilder, also das Projektionsbild oder das Ursprungsbild intern so skaliert, dass wenigstens ein Ausschnitt der beiden Bilder in beiden Bildern dieselbe Bildgröße besitzt. Der Skalierfaktor ist dabei aufgrund der optischen Parameter von Projektionsoptik 2 und Kamera 6 bekannt.
Wenn also der Projektor eine Auflösung von 800x600 Pixeln besitzt, so wird das Kamerabild so skaliert, dass das Abbild der Projektion im Kamerabild ebenfalls 800×600 Pixel groß ist. Zur Ermittlung der Bildverschiebungen werden das von der Kamera aufgenommene Projektionsbild und das Ursprungsbild (wobei eines oder beide Bilder skaliert sein können) übereinandergelegt. Anschließend werden die einzelnen Pixelwerte der beiden Bilder miteinander verglichen und ein Gesamtwert für den Vergleich ermittelt.
Dieses Vorgehen wird für die beiden Bilder bei mehreren vorgegebenen (horizontalen) Verschiebungen zueinander durchgeführt. Jedes Mal wird dabei der Vergleichswert ermittelt. Der Vergleichswert kann dabei beispielsweise das für alle Pixel aufsummierte Helligkeitssignal sein. Alternativ können die Farbwerte jedes Pixels bei beiden Bildern miteinander korreliert werden.
Am Ende werden alle Gesamtwerte für die jeweiligen Verschiebungen miteinander verglichen, und die optimale Überlappung der beiden Bilder wird je nach zugrundeliegendem Korrelationsalgorithmus durch den niedrigsten bzw. höchsten Gesamtwert identifiziert. Damit ist auch ein entsprechender Verschiebungswert identifiziert, und dieser gibt den (zum Abstand „b“ zwischen Kamera und Projektionsoptik) relativen Abstand des Projektors von der Projektionsfläche 5 bzw. den Winkel „ß“ wieder.
Dieses Verfahren arbeitet unabhängig davon, ob die Kamera neben oder über der Austrittslinse des Projektors angeordnet ist. Wenn die Kamera 6 neben der Projektionsoptik 2 angeordnet ist, so bleibt die vertikale Bildposition konstant. Umgekehrt, wenn die Kamera 6 über der Projektionsoptik 2 angeordnet ist, so bleibt die horizontale Bildposition konstant. Dieses Verfahren der Bildüberlagerung ist auch anwendbar bei Messungen mit strukturarmen oder unscharfen Bildern, es muss durch die verschiebungsabhängige Überlappung der Bilder nur immer einer optimale Überlappung definiert werden können.
Über dieses allgemeine Prinzip hinaus wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Merkmal in dem von der Kamera 6 erfassten Bild gesucht. Zur Verrechnung der Signale wird eine Recheneinheit benötigt, die das Projektionsbild im Kamerabild finden kann. Dies wird mit der Merkmalextraktionseinrichtung 11 durchgeführt. Anschließend werden die beiden Bilder und insbesondere die darin erkannten Merkmale in einer Vergleichereinrichtung 12 miteinander verglichen und ein entsprechendes Vergleichssignal erzeugt. Dieses Vergleichssignal wird anschließend der Fokussiereinrichtung 3 zugeführt, die in Abhängigkeit von dem Vergleichssignal eingestellt wird, so dass das Bild auf der Projektionsfläche 5 für den Betrachter optimal wirkt.
Eine Ausführungsform für dieses Verfahren ist in 3 gezeigt. Der Projektor 1 in 3 ist wie in 1 ein Projektor, der den Inhalt des zu projizierenden Bildes - im Gegensatz zu Dia-Projektoren - in Form von elektrischen Signalen von dem Bildspeicher 4 zugesendet bekommt. Die Kamera 6 erfasst das auf die Projektionsfläche 5 projizierte Bild elektronisch und speichert es als Projektionsbild.
In 3 ist dargestellt, dass das Ursprungsbild an einem Ausgang der Projektionsoptik 2 anliegt und von hier aus an einen Eingang der Vergleichereinrichtung 12 geliefert wird. Selbstverständlich ist es alternativ auch möglich, dass das Eingangssignal der Vergleichereinrichtung 12 direkt von dem Bildspeicher 4 zur Verfügung gestellt wird. Dies ist durch die gestrichelte Verzweigung in 3 angedeutet.
Es wird ein Ausschnitt gesucht, in welchem ein Merkmal des Bildes erkannt wird. Der Vergleich der beiden Bilder von dem Bildspeicher 4 und von der Kamera 6 wird dann auf den Ausschnitt um das erkannte Merkmal beschränkt. Anschließend wird das gleiche Prozedere durchgeführt, das oben bereits beschrieben wurde. Aufgrund des erkannten Merkmals 9 in dem Bild auf der Projektionsfläche 5 kann eine noch genauere Richtung 10 von der Kamera 6 aus und damit ein noch genauerer Winkel „ß“ ermittelt werden. Aus diesem und dem Abstand „b“ zwischen Kamera 6 und Optik 2 kann dann wie oben beschrieben der gesuchte Abstand zwischen Projektor 1 und Projektionsfläche 5 bestimmt werden.
Es versteht sich für den Fachmann von selbst, dass die Erfindung nicht auf das reine Prinzip beschränkt ist, sondern dass verschiedene Weiterentwicklungen möglich sind, von denen im Folgenden einige angegeben werden.
So kann das Ursprungsbild statt von einem Datenträger geladen zu werden und durch einen elektrooptischen Wandler in der Projektionsoptik in ein optisches Signal gewandelt zu werden auch von einer photographischen Vorlage mit einem optoelektronischen Wandler in eine elektronische Form gebracht werden.
Die Merkmalextraktionseinrichtung 11, die das elektronische Bild von der Kamera 6 auswertet, kann insbesondere Helligkeitsunterschiede und Farbunterschiede in der Projektionsflächenabbildung diskriminieren. Dabei versteht es sich, dass die Messergebnisse davon abhängen, ob das Kameramodul eine eigene Fokussierung aufweist und wie hoch seine Auflösung ist. Ist die Auflösung hoch genug, so kann beispielsweise in dem Beispiel nach 2 nicht nur das Haus als ganzes aufgelöst werden, sondern es kann beispielsweise der Schornstein oder die Tür des Hauses als Referenzpunkt für die Triangulation herangezogen werden.
Ein oft auftretendes Problem bei höher und hoch auflösenden optischen Geräten ist die temperaturbedingte Drift. Um dem entgegenzusteuern, wird vorzugsweise ein Temperatursensor vorgesehen, um die Temperatur der optischen Komponenten der Projektionsoptik 2 bzw. der Kamera 6 zu erfassen. Der aktuelle Temperaturwert kann dann in einem (nicht dargestellten) Korrekturelement verwendet werden zum Korrigieren des Vergleichssignals in Abhängigkeit von der Temperatur. Bevorzugt fließt der aktuelle Zustand des Projektionsobjektivs in die Entfernungsberechnung ein, wenn der Wurfwinkel der Projektion davon abhängig ist.
4 und 5 zeigen schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Projektors sowie die zur Bestimmung der Bildweite relevanten Parameter.
Das Problem der Messwertgewinnung zur automatischen Fokussierung bzw. Bildweitenbestimmung des Projektors 1 bzw. der Projektionsoptik 2 wird dadurch gelöst, dass ein Kameramodul (bzw. eine Kameraeinrichtung) 6 mit einem seitlichen Versatz b zur optischen Achse 7 der Projektionsoptik 2 positioniert wird. Das Kameramodul 6 wird so ausgerichtet, dass es mindestens einen Teil der Projektion, im Idealfall sogar die ganze Projektion, d.h. das von der Projektionsoptik 2 auf die Projektionsfläche 5 projizierte Bild, aufnehmen kann. Weiterhin wird innerhalb des Projektors 1 eine temporäre Kopie des zu projizierenden Inhaltes erzeugt. Durch Findung des zu projizierenden Bildes im Kamerabild (= Projektionsflächenbild) - wie in 5 dargestellt - und Ermittlung des seitlichen Versatzes k kann durch Triangulation die Entfernung zur Projektionsfläche 5 bestimmt werden.
Im Gegensatz zum Stand der Technik ist es einerseits nicht notwendig, Testbilder einzublenden, die den Nutzer stören könnten. Andererseits wird ein Kamerasystem verwendet, welches im Vergleich zu DE 602005296 T2 kompakter ist und weniger Bauraum benötigt. Weiterhin kann selbst während der Projektion unscharfer oder bewegter Bilder die Entfernung gemessen und das Objektiv 2 zielgerichtet in die richtige Position bewegt werden, ohne dass das System zu „pumpen“ beginnt.
Zur Lösung des Problems wird ein Projektor 1 benötigt, der den Inhalt des zu projizierenden Bildes im Gegensatz zu Dia-Projektoren in Form von elektrischen Signalen zugesendet bekommt. Weiterhin wird ein Kameramodul 6 benötigt, welches ebenfalls ein elektronisches Abbild (Projektionsflächenbild) erstellt. Zur Verrechnung der Signale wird eine Recheneinheit 12 benötigt, die das Projektionsbild im Kamerabild (also das Projektionsflächenbild) finden kann.
Um die Messung nach dem Prinzip der Triangulation zu ermöglichen, wird ein seitlicher Abstand zwischen der Projektionsoptik 2 und dem Kameramodul 6 benötigt.
Weiterhin wird ein Projektionsbild benötigt, welches mindestens in einigen Teilflächen nichtschwarze Bildbereiche aufweist.
Vorteilig kann der aktuelle Zustand des Projektionsobjektivs in die Entfernungsberechnung einfließen, wenn der Feldwinkel der Projektion davon abhängig ist. Weiterhin kann ein Temperatursensor die Temperatur der optischen Komponenten messen, wenn diese Einfluss auf die Projektion und Bildaufnahme hat.
Die Messergebnisse können zudem verbessert werden, wenn das Kameramodul 6 eine eigene Fokussierung und eine relativ hohe Auflösung besitzt.
Die Bildweite L lässt sich wie folgt berechnen: $L = \frac{b * R}{k * 2 * tan (γ / 2)}$
wobei b der Abstand der optischen Achsen 7 und 8, γ der Feldwinkel des Kamerasystems 6, k der Versatz der Bildmitte des zu projizierenden Bildes im Projektionsflächenbild von der Bildmitte des Projektionsflächenbildes (in Pixeln - siehe 5), und R ist Auflösung des Projektionsflächenbildes 6 in der jeweiligen Richtung (hier Bildbreite in Pixeln) ist. Dabei müssen sowohl b, α, k und R in derselben Richtung liegen; entweder horizontal (wie in 4 und 5) dargestellt oder vertikal.
Zur Vereinfachung der Ermittlung der Bildverschiebung kann der Positionswert k, der den Versatz der Bildmitten des Projektionsflächenbildes von der Bildmitte der Projektion im Projektionsflächenbild darstellt, transformiert werden in rechentechnisch günstigere Werte, beispielsweise zum Versatz einer Außenkante des Projektionsflächenbildes von der Bildmitte der Projektion im Projektionsflächenbildes.
Wird zur Bildfindung das Kamerabild 6 skaliert, so dass beispielsweise das projizierte Bild in Originalauflösung verbleiben kann, so muss in die Berechnungsformel für die Bildweite die Kameraauflösung R eingesetzt werden, die sich nach der Skalierung ergibt.
Es erweist sich für die Ermittlung der Bildverschiebung vorteilhaft, wenn beide Bilder so skaliert sind, dass danach das projizierte Bild dieselbe Bildgröße in Pixeln aufweist wie das projizierte Bild im Kamerabild.
Durch folgende Bedingung wird dies realisiert: $\frac{2 * tan (γ / 2)}{R} = \frac{2 * (α / 2)}{R_{P}}$
wobei α der Feldwinkel der Projektion und R_P die Auflösung der Projektion in der jeweiligen Richtung (hier Bildbreite in Pixeln) ist.
Dem Fachmann ist klar, dass durch Verwendung eines Kamerasystems, welches gegenüber dem Stand der Technik kompakter ist, weniger Bauraum benötigt wird.
Bezugszeichenliste

1: Projektor
2: Projektionsoptik
3: Fokussiereinrichtung
4: Speicher
5: Projektionsfläche
6: Kamera/ Kameraeinrichtung/ Kameramodul
7: Optische Achse der Projektionsoptik
8: Optische Achse der Kamera
9: Bildmerkmal (Haus)
10: Richtung, unter der das Bildmerkmal zur optischen Achse der Kamera liegt
11: Merkmalsextraktionseinrichtung
12: Vergleichseinrichtung
k: Versatz der Bildmitte des zu projizierenden Bildes im Projektionsflächenbild von der Bildmitte des Projektionsflächenbildes (in Pixeln)
b: Abstand der beiden optischen Achsen
R: Auflösung des Kamerabildes
R_P: Auflösung der Projektion in der jeweiligen Richtung
α: Feldwinkel der Projektion
β: Winkel, unter dem das Bildmerkmal zur optischen Achse der Kamera liegt
γ: Feldwinkel des Kamerasystems
L: zu bestimmende Bildweite der Projektionsoptik

Claims

Projektor (1) zum Abbilden eines Ursprungsbildes auf eine Projektionsfläche (5) mit: einer Projektionsoptik (2) mit einer einstellbaren Bildweite (L) zum Abbilden des Ursprungsbildes auf die Projektionsfläche (5) und einer Kameraeinrichtung (6) zum Abbilden der Projektionsfläche (5) und Erzeugen eines Projektionsflächenbildes, wobei eine Vergleichseinrichtung (12) zum Vergleichen des Ursprungsbildes mit dem Projektionsflächenbild und zum Einstellen der Bildweite (L) der Projektionsoptik (2) in Abhängigkeit von dem Vergleich vorgesehen ist, wobei die Vergleichseinrichtung (12) ausgebildet ist, eine Verschiebung des Ursprungsbildes im Projektionsflächenbild gegenüber dem Ursprungsbild zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung des Ursprungsbildes im Projektionsflächenbild als Maß für die Bestimmung der Bildweite der Projektionsoptik (2) verwendet wird.
Projektor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildweite L wie folgt eingestellt wird: $L = \frac{b * R}{k * 2 * tan (γ / 2)}$
wobei b der Abstand der optische Achse der Kameraeinrichtung (6) von der optischen Achse der Projektionsoptik (2), γ der Feldwinkel der Kameraeinrichtung (6), k der Versatz der Bildmitte des zu projizierenden Bildes im Projektionsflächenbild von der Bildmitte des Projektionsflächenbildes und R die Auflösung des Bildes der Kameraeinrichtung (6) ist.
Projektor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrooptischer Wandler zum Wandeln des als elektronischer Datensatz abgespeicherten Ursprungsbilds in ein optisches Bild und/oder ein optoelektronischer Wandler zum Wandeln des Ursprungsbilds von einer photographischen Vorlage in ein elektronisches Signal vorgesehen ist.
Projektor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Skalierungsvorrichtung vorgesehen ist zum Angleichen der Größe des Ursprungsbildes und des Projektionsbildes.
Projektor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ursprungsbild und das Projektionsbild jeweils eine vorgegebene Anzahl von horizontalen und vertikalen Pixeln aufweist und der Vergleich von Ursprungsbild und Projektionsbild pixelweise erfolgt.
Projektor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichseinrichtung (12) das Ursprungsbild und das Projektionsflächenbild jeweils um einen vorgegebenen Verschiebungsweg zueinander verschiebt und für jeden Verschiebungsweg einen Vergleich durchführt, um eine optimale Überlappung des Ursprungsbildes und des Projektionsbilds zu bestimmen.
Projektor (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschiebungsweg einer vorgegebenen Anzahl von Pixeln in horizontaler und/oder einer vorgegebenen Anzahl von Pixeln in vertikaler Richtung entspricht.
Projektor (1) einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Vergleichen des Ursprungsbildes mit dem Projektionsflächenbild ein Vergleichssignal in Abhängigkeit von einem Helligkeitsunterschied zwischen dem Ursprungsbild und dem Projektionsflächenbild erzeugt wird.
Projektor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Vergleichen des Ursprungsbildes mit dem Projektionsflächenbild ein Vergleichssignal in Abhängigkeit von einem Farbunterschied zwischen dem Ursprungsbild und dem Projektionsflächenbild erzeugt wird.
Projektor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Merkmalextraktionseinrichtung (11) zum Extrahieren wenigstens eines Bildmerkmals aus der Projektionsflächenabbildung vorgesehen ist, wobei der Vergleich von Ursprungsbild und Projektionsflächenbild nur anhand des wenigstens einen Bildmerkmals erfolgt.
Projektor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur der optischen Komponenten der Projektionsoptik (2) und/oder der Kameraeinrichtung (6) und ein Korrekturelement zum Korrigieren des Vergleichssignals in Abhängigkeit von der Temperatur vorgesehen ist.
Abbildungsverfahren zum Abbilden eines Ursprungsbildes auf eine Projektionsfläche (5) mit einem Projektor (1), das folgende Schritte aufweist: Abbilden des Ursprungsbildes auf die Projektionsfläche (5) mit einer Projektionsoptik (2) mit einer einstellbaren Bildweite, Abbilden der Projektionsfläche (5) und Erzeugen eines Projektionsflächenbildes mit einer Kameraeinrichtung (6), Vergleichen des Ursprungsbildes mit dem Projektionsflächenbild und Einstellen der Bildweite der Projektionsoptik (2) in Abhängigkeit von dem Vergleich, wobei die Vergleichseinrichtung (12) ausgebildet ist, eine Verschiebung des Ursprungsbildes im Projektionsflächenbild gegenüber dem Ursprungsbild zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung des Ursprungsbildes im Projektionsflächenbild als Maß für die Bestimmung der Bildweite der Projektionsoptik (2) verwendet wird.
Abbildungsverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildweite L wie folgt bestimmt wird: $L = \frac{b * R}{k * 2 * tan (γ / 2)}$
wobei b der Abstand der optische Achse der Kameraeinrichtung (6) von der optischen Achse der Projektionsoptik (2), γ der Feldwinkel der Kameraeinrichtung (6), k der Versatz der Bildmitte des zu projizierenden Bildes im Projektionsflächenbild von der Bildmitte des Projektionsflächenbildes und R die Auflösung des Bildes der Kameraeinrichtung (6) ist.
Abbildungsverfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei das als elektronischer Datensatz abgespeicherte Ursprungsbild durch einen elektrooptischen Wandler in ein optisches Bild und/oder das Ursprungsbild von einer photographischen Vorlage durch einen optoelektronischen Wandler in ein elektronisches Signal gewandelt wird.
Abbildungsverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet durch Angleichen der Größe des Ursprungsbildes und des Projektionsbildes durch eine Skalierungsvorrichtung.
Abbildungsverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet durch Verschieben des Ursprungsbildes und des Projektionsflächenbildes jeweils um einen vorgegebenen Verschiebungsweg zueinander und Durchführen des Vergleiches für jeden Verschiebungsweg durch die Vergleichseinrichtung (12), um eine optimale Überlappung des Ursprungsbildes und des Projektionsbilds zu bestimmen.
Abbildungsverfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschiebungsweg einer vorgegebenen Anzahl von Pixeln in horizontaler und/oder einer vorgegebenen Anzahl von Pixeln in vertikaler Richtung entspricht.
Abbildungsverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zum Vergleichen des Ursprungsbildes mit dem Projektionsflächenbild ein Vergleichssignal in Abhängigkeit von einem Helligkeitsunterschied zwischen dem Ursprungsbild und dem Projektionsflächenbild erzeugt wird.
Abbildungsverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zum Vergleichen des Ursprungsbildes mit dem Projektionsflächenbild ein Vergleichssignal in Abhängigkeit von einem Farbunterschied zwischen dem Ursprungsbild und dem Projektionsflächenbild erzeugt wird.
Abbildungsverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, gekennzeichnet durch Extrahieren wenigstens eines Bildmerkmals aus dem Projektionsflächenbild durch eine Merkmalextraktionseinrichtung (11), wobei der Vergleich von Ursprungsbild und Projektionsflächenabbildung nur anhand des wenigstens einen Bildmerkmals erfolgt.
Abbildungsverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, gekennzeichnet durch Erfassen einer Temperatur der optischen Komponenten der Projektionsoptik (2) und/oder der Kameraeinrichtung (6) durch einen Temperatursensor und Korrigieren des Vergleichssignals in Abhängigkeit von der Temperatur durch ein Korrekturelement.