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Die vorliegende Erfindung betrifft eine stereoskopische Messanordnung zum Ermitteln einer Positionsinformation eines Ereignisorts in einem Überwachungsraum von einem Bezugspunkt und Verfahren zum Ermitteln einer Positionsinformation eines Ereignisorts in einem Überwachungsraum. Ereignisorte im Sinne der Erfindung sind Orte, an denen ein Medium, insbesondere ein Gas oder ein Dampf festzustellen ist, auf dessen Präsenz der Überwachungsraum zu überwachen ist. Es sind stereophotographische Ansätze bekannt, anhand von Aufnahmen einer Gaswolke mit zwei beabstandeten Kameras Orts- und Geschwindigkeitsinformationen zu gewinnen. Derartige Ansätze sind beispielsweise beschrieben von Rangel et al. in „On Scener Flow Computation of Gas Structures with Optical Imaging Cameras“, WACV 2020, Seite 174 und in „Catadiotropic StereoOptical Gas Imaging System for Scene Flow Computation of Gas Structures“, IEEE Sensos Journal, Col. 21, No. 5 March 1, 2021, Seite 6811. Diese Systeme sind jedoch sehr teuer, da sie zwei Infrarot-Kameras erfordern.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine einfachere Messanordnung bzw. ein einfacheres Verfahren bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Messanordnung gemäß Anspruch 1 und das Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 10.
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Die erfindungsgemäße stereoskopische Messanordnung zum Ermitteln einer Positionsinformation mindestens eines Ereignisorts in einem Überwachungsraum umfasst:
- eine Beleuchtungsanordnung;
- eine Hintergrundstruktur, welche eine der Beleuchtungsanordnung zugewandte Hintergrundfläche aufweist;
- eine Abbildungsvorrichtung; und
- eine Auswertungsvorrichtung;
- wobei der Überwachungsraum zwischen der Hintergrundfläche und der Beleuchtungsanordnung angeordnet ist;
- wobei die Beleuchtungsanordnung dazu eingerichtet ist, die Hintergrundfläche durch den Überwachungsraum von einer ersten Beleuchtungsposition und von mindestens einer zweiten Beleuchtungsposition zu beleuchten, wobei die erste Beleuchtungsposition von der zweiten Beleuchtungsposition einen definierten Beleuchtungsabstand aufweist,
- wobei erste Lichtstrahlen, die von der ersten Beleuchtungsposition ausgehen, und die durch einen Ereignisort im Überwachungsraum verlaufen mit zweiten Lichtstrahlen, die durch den Ereignisort im Überwachungsraum verlaufen, und die von der zweiten Beleuchtungsposition ausgehen, einen Winkel von nicht weniger als 1°, insbesondere nicht weniger als 2° einschließen, sodass ein erster Projektionsort des Ereignisorts auf der Hintergrundfläche, der durch die Beleuchtung der Hintergrundfläche von der ersten Beleuchtungsposition erzeugt ist, einen Projektionsortabstand zu einem zweiten Projektionsort des Ereignisorts aufweist, der durch die Beleuchtung der Hintergrundfläche von der zweiten Beleuchtungsposition erzeugt ist,
- wobei die Abbildungsvorrichtung eingerichtet ist, den ersten Projektionsort und den zweiten Projektionsort ortsaufgelöst abzubilden,
- wobei die Auswertungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, ein Ereignis festzustellen, den Projektionsortabstand zu ermitteln, und auf Basis des Projektionsortabstands die Positionsinformation des Ereignisorts zu ermitteln,
- wobei der Ereignisort ein Ort ist, an dem ein Ereignis sich ereignet, welches das Auftreten des zu detektierenden Mediums umfasst, wobei bei Anwesenheit des zu detektierenden Mediums eine Wechselwirkung des zu detektierenden Mediums mit den ersten und zweiten Lichtstrahlen mindestens eine Eigenschaft des ersten Projektionsorts und eine Eigenschaft des zweiten Projektionsorts gegenüber Referenzbedingungen ändert, bei denen das zu detektierende Medium abwesend bzw. anders wirksam ist.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Auswertungsvorrichtung dazu eingerichtet, anhand der geänderten Eigenschaft des ersten Projektionsorts und der geänderten Eigenschaft des zweiten Projektionsorts die Anwesenheit des zu detektierenden Mediums festzustellen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung unterscheiden sich die ersten und die zweiten Lichtstrahlen in mindestens einer Eigenschaft, die ausgewählt ist aus der Liste der folgenden Eigenschaften:
- • Wellenlänge,
- • Modulation,
- • Beleuchtungszeitpunkt.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die geänderte Eigenschaft des ersten und/oder zweiten Projektionsorts die Intensität und/oder Intensitätsfluktuationen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Auswertungsvorrichtung dazu eingerichtet, die Positionsinformation in Abhängigkeit von dem Projektionsortabstand, und dem Abstand zwischen der Beleuchtungsanordnung und der Hintergrundfläche zu berechnen. Hierbei können Daten zur Hintergrundfläche wie Entfernung und Material der Hintergrundfläche einbezogen werden, die beispielsweise beim Abbilden der Hintergrundfläche parallel gemessen werden, beispielsweise mittels LIDAR
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Abbildungsvorrichtung eine Kamera, die im Spektralbereich der ersten und zweiten Lichtstrahlen sensitiv ist, insbesondere eine IR-Kamera.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Beleuchtungsanordnung mindestens einen Laser, insbesondere einen Interbandkaskadenlaser.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Beleuchtungsanordnung mindestens einen optischen Strahlaufweiter mit mindestens einem refraktiven, diffraktivem und/oder reflektierenden Element, so dass das Licht des mindestens einen Lasers mit den ersten und zweiten Lichtstrahlen jeweils einen Raumwinkel von nicht weniger als 0,024 sr insbesondere nicht weniger als 0,04 sr und/oder in der Horizontalen mit einem Halbwinkel von nicht weniger als 5° bzw. nicht weniger als 10° ausleuchtet. Alternativ dazu kann die Beleuchtungsanordnung eine Scannervorrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, die Hintergrundfläche von den beiden Beleuchtungspositionen aus mit dem Licht des Lasers scannend zu beleuchten. Die Scannervorrichtung kann dabei mehrere, insbesondere zwei Scanner aufweisen, die jeweils an einer Beleuchtungsposition angeordnet sind. Mit dem Einsatz einer Scannvorrichtung kann die Beleuchtung mit kollimiertem Laserlicht erfolgen. Jedem Scanner kann ein eigener Laser zugeordnet sein. Gleichermaßen kann die Beleuchtung aus mehreren Beleuchtungspositionen mit nur einem Laser und einem Scanne erfolgen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung beträgt der Abstand der Hintergrundfläche von der Beleuchtungsanordnung nicht weniger als 0,5 m, beispielsweise nicht weniger als 2,5 m und insbesondere nicht weniger als 10 m.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weicht der Abstand der Abbildungsvorrichtung von der Hintergrundfläche um nicht mehr als 20 % insbesondere nicht mehr als 10% des Abstandes der Beleuchtungsanordnung von der Hintergrundfläche von dem Abstand der Beleuchtungsanordnung von der Hintergrundfläche ab.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist Abbildungsvorrichtung in einem Raum angeordnet, der durch zwei parallele Ebenen begrenzt ist, deren Normalenvektor zwischen der ersten und der zweiten Beleuchtungsposition verläuft.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur stereoskopischen Ermittlung einer Positionsinformation mindestens eines Ereignisorts in einem Überwachungsraum mittels einer insbesondere erfindungsgemäßen der stereoskopischen Messanordnung umfasst: Beleuchten einer Hintergrundfläche durch einen Überwachungsraum hindurch von einer ersten Beleuchtungsposition; ortsaufgelöstes Abbilden der Hintergrundfläche während des Beleuchtens der Hintergrundfläche von der ersten Beleuchtungsposition; Beleuchten einer Hintergrundfläche durch einen Überwachungsraum hindurch von einer zweiten Beleuchtungsposition; ortsaufgelöstes Abbilden der Hintergrundfläche während des Beleuchtens der Hintergrundfläche von der zweiten Beleuchtungsposition; wobei erste Lichtstrahlen, die von der ersten Beleuchtungsposition ausgehen, und die durch einen Ereignisort im Überwachungsraum verlaufen mit zweiten Lichtstrahlen, die durch den Ereignisort im Überwachungsraum verlaufen, und die von der zweiten Beleuchtungsposition ausgehen, einen Winkel von nicht weniger als 1°, insbesondere nicht weniger als 2° einschließen, sodass ein erster Projektionsort des Ereignisorts auf der Hintergrundfläche, der durch das Beleuchten der Hintergrundfläche von der ersten Beleuchtungsposition erzeugt ist, einen Projektionsortabstand zu einem zweiten Projektionsort des Ereignisorts aufweist, der durch das Beleuchten der Hintergrundfläche von der zweiten Beleuchtungsposition erzeugt ist; Feststellen eines Ereignisses Ermitteln des Projektionsortabstands, und Ermitteln der Positionsinformation des Ereignisorts auf Basis des Projektionsortabstands, wobei der Ereignisort ein Ort ist, an dem das Ereignis sich ereignet, welches das Auftreten des zu detektierenden Mediums umfasst, wobei bei Anwesenheit des zu detektierenden Mediums eine Wechselwirkung des zu detektierenden Mediums mit den ersten und zweiten Lichtstrahlen mindestens eine Eigenschaft des ersten Projektionsorts und eine Eigenschaft des zweiten Projektionsorts gegenüber Referenzbedingungen ändert, bei denen das zu detektierende Medium abwesend bzw. anders wirksam ist.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Feststellen eines Ereignisses den Vergleich von Abbildungen der Hintergrundfläche bei unterschiedlichen Beleuchtungen, wobei ein Ereignis festgestellt wird, wenn Projektionsorte festzustellen sind, die im Vergleich von Abbildungen unterschiedliche Helligkeiten aufweisen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Beleuchten von der ersten Beleuchtungsposition ein erstes Messbeleuchten mit einer Messwellenlänge und ein erstes Referenzbeleuchten mit einer Referenzwellenlänge, wobei das Beleuchten von der zweiten Beleuchtungsposition ein zweites Messbeleuchten mit der Messwellenlänge und ein zweites Referenzbeleuchten mit der Referenzwellenlänge umfasst, wobei das Medium bei der Messwellenlänge und der Referenzwellenlänge unterschiedliche Absorptionskoeffizienten aufweist, wobei die für die Beleuchtungen aus der ersten und zweiten Beleuchtungsposition mit der Messwellenlänge und der Referenzwellenlänge jeweils ein Abbilden der Hintergrundfläche erfolgt, wobei der Vergleich zwischen einer Abbildung bei der Beleuchtung mit der Referenzwellenlänge und der Referenzwellenlänge erfolgt. Das Wechseln der Beleuchtung zwischen der Messwellenlänge und der Referenzwellenlänge kann einerseits durch diskretes Umschalten zwischen den beiden Wellenlängen erfolgen, und andererseits durch eine kontinuierliche bzw. harmonische Modulation der Wellenlänge mit einer korrespondierenden Datenerfassung im Lock-In-Verfahren.
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In einer Weiterbildung der Erfindung sind Referenzbedingungen solche Bedingungen, bei denen das Medium noch nicht aufgetreten ist, wobei das Beleuchten aus den Beleuchtungsposition mit einer Messwellenlänge erfolgt, bei welcher das Medium einen größeren Absorptionskoeffizienten aufweist als die Atmosphäre unter Referenzbedingungen, wobei der Vergleich jeweils zwischen zu verschiedenen Zeitpunkten erstellten Aufnahmen aus jeweils der gleichen Beleuchtungsposition erfolgt.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das zu detektierende Medium ein Gas, oder ein Gasgemisch, das sich in chemischen oder physikalischen Eigenschaften von der Referenzatmosphäre, beispielsweise Luft bei Temperaturen zwischen -20° und 40° unterscheidet. Das Gas kann beispielsweise flüchtige Kohlenwasserstoffe, wie CH4 oder NO2, N2O, NO, Ammoniak, Kohlenstoffdioxid oder Schwefelwasserstoff umfassen.
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Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, es zeigt:
- 1: eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messanordnung;
- 2a: eine exemplarische Abbildung einer Projektion aus einer ersten Beleuchtungsposition eines Heißgasereignisses auf eine Hintergrundfläche;
- 2b: eine exemplarische Abbildung einer Projektion aus einer zweiten Beleuchtungsposition eines Heißgasereignisses auf eine Hintergrundfläche; und
- 3: ein Flussdiagramm für ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen stereoskopische Messanordnung 1 zum Ermitteln einer Position eines Ereignisses 30 in einem Überwachungsraum 5 umfasst eine Beleuchtungsanordnung 10, und eine Hintergrundstruktur, welche eine der Beleuchtungsanordnung 10 zugewandte Hintergrundfläche 20 aufweist. Die Hintergrundfläche kann beispielsweise eine Wand eines Gebäudes sein. Weiterhin umfasst die Messanordnung 1 eine Abbildungsvorrichtung 16, insbesondere eine Infrarotkamera; und eine Auswertungsvorrichtung 40, welche insbesondere einen Computer mit einer Software zur Bildverarbeitung und zur Steuerung der Beleuchtungsanordnung 10 umfasst. Der Überwachungsraum 5 ist zwischen der Hintergrundfläche 20 und der Beleuchtungsanordnung 10 angeordnet. Die Beleuchtungsanordnung 10 ist dazu eingerichtet, die Hintergrundfläche 20 durch den Überwachungsraum 5 von mindestens zwei unterschiedlichen Beleuchtungspositionen 12, 14 zu beleuchten. Die Beleuchtungsanordnung 10 kann insbesondere einen oder mehrere Interbandkaskadenlaser umfassen, um damit selektiv spezifische Absorptionswellenlängen eines zu überwachenden Gases anzuregen, oder eben gerade nicht, wodurch sich sowohl Messbeleuchtungen einstellen lassen, in denen das Gas sichtbar ist, und Referenzbeleuchtungen, in denen das Gas keine Auswirkungen hat. Es kann entweder an jeder Beleuchtungsposition 12, 14 ein Interbandkaskadenlaser, insbesondere im IR-Bereich vorgesehen sein, oder, es kann das Licht von einem solchen Laser mittels Umlenkspiegeln an die Beleuchtungsposition geführt werden, um von dort aus den Überwachungsraum 5 in Richtung der Hintergrundfläche 20 auszuleuchten. Sofern mit anderen Ereignissen zu rechnen ist, wie beispielsweise mit Heißgas, welches zu Schlierenbildung aufgrund schwankender Brechungsindices führt, kann auch eine beliebige andere Lichtquelle eingesetzt werden.
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Erste Lichtstrahlen L1, die von einer ersten Beleuchtungsposition 12 ausgehen, sollten mit zweiten Lichtstrahlen L2, die von der zweiten Beleuchtungsposition 14 ausgehen, einen Winkel von nicht weniger als 1°, insbesondere nicht weniger als 2° einschließen, sodass ein erster Projektionsort p12 des Ereignisorts 30 auf der Hintergrundfläche, der durch die Beleuchtung der Hintergrundfläche 20 von der ersten Beleuchtungsposition erzeugt ist, einen Projektionsortabstand Δxp zu einem zweiten Projektionsort p14 des Ereignisorts 30 aufweist, der durch die Beleuchtung der Hintergrundfläche von der zweiten Beleuchtungsposition 14 erzeugt ist.
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Die Auswertungsvorrichtung 40 ist dazu eingerichtet, ein Ereignis festzustellen, einen Projektionsortabstand Δxp zu ermitteln, und auf Basis des Projektionsortabstands die Positionsinformation Zp des Ereignisorts 30 zu ermitteln, wobei der Ereignisort 30 ein Ort ist, an dem ein Ereignis sich ereignet, also ein Gas austritt. Zur Feststellung des Ereignisses sind beispielsweise Aufnahmen bei Beleuchtung aus zwei Beleuchtungspositionen 12, 14 mit jeweils zwei unterschiedlichen Wellenlängen miteinander zu vergleichen, von denen eine vom Gas absorbiert wird und die andere nicht, oder es sind Aufnahmen bei einer Wellenlänge mit früheren Aufnahmen, beispielsweise in Form von Langzeitmittelungen zu vergleichen, um Veränderungen festzustellen. Nach Feststellen eines Ereignisses, ist auf Basis der zugehörigen Projektionsorte p12, p14 des Ereignisses der Abstand Zp des Ereignisorts 30 von der Hintergrundfläche 20 zu ermitteln, gemäß Zp = Z · Δxp / (Δxp + Δxl), wobei Z der Abstand der Beleuchtungsanordnung 10 von der Hintergrundfläche 20 ist, Δxl den Abstand der Beleuchtungspositionen voneinander beschreibt, und Δxp der bereits oben diskutierte Projektionsortabstand ist. Mit Kenntnis des Abstands Zp des Ereignisorts 30 von der Hintergrundfläche und der Projektionsorte p12, 14 kann dann die genau Position Ereignisorts 30 bestimmt werden.
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2a und 2b zeigen exemplarisch zwei Aufnahmen einer Hintergrundfläche 20 mit Projektionen eines Heißgasereignisses, also des Auftretens von Heißgas über einem Brandherd, mit Beleuchtung aus unterschiedlichen Beleuchtungspositionen. Mittels digitaler Bildverarbeitung sind zunächst Bildelemente in den beiden Aufnahmen dem gleichen Ereignis zuzuordnen, und dann ist der Projektionsabstand Δxp für die Projektionsorte einander zugeordneter Ereignisse zu bestimmen, beispielsweise Δxp-1 = p12-1 - p14-1 und Δxp-2 = p12-2 - p14-2. Auf Basis dieser Daten können dann die Ortsinformationen der Heißgasereignisses ermittelt werden, wie oben erläutert wurde.
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Anhand von 3 wird nun der Ablauf eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zusammenfassend beschrieben.
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Das Verfahren 200 umfasst das Beleuchten 210a einer Hintergrundfläche durch einen Überwachungsraum hindurch von einer ersten Beleuchtungsposition sowie dem ortsaufgelösten Abbilden 210b der Hintergrundfläche während des Beleuchtens der Hintergrundfläche von der ersten Beleuchtungsposition; Beleuchten 210b der Hintergrundfläche durch den Überwachungsraum hindurch von einer zweiten Beleuchtungsposition; ortsaufgelöstes Abbilden der Hintergrundfläche während des Beleuchtens der Hintergrundfläche von der zweiten Beleuchtungsposition 220b.
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Wie oben diskutiert, führt die Art der Beleuchtung zu unterschiedlichen Projektionsorten eines Ereignisses auf der Hintergrundfläche.
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Das Verfahren umfasst weiter das Feststellen eines Ereignisses 230 durch Vergleich von Aufnahmen des Hintergrunds unter Einfluss des Ereignisses mit von dem Ereignis unbeeinflussten Referenzaufnahmen. Sobald ein Ereignis festgestellt ist, folgt auf Basis der Projektionsorte des Ereignisses in den Abbildungen des Hintergrunds das Ermitteln des Projektionsortabstands 240, und damit schließlich das Ermitteln der Positionsinformation des Ereignisses 250.
