-
Die Erfindung betrifft alle Gebiete
der photoelektronischen Bildaufnahme räumlicher Objekte, bei denen
eine linienweise Objektabtastung bei relativer Bewegung zwischen
der Aufnahmekamera und dem Objekt erfolgt, insbesondere
-
- – Panoramascanner
mit rotierender Kamera,
- – Objektscanner
mit rotierendem Objekt bei feststehender Kamera,
- – Linearscanner,
bei denen die Kamera translatorisch durch den Objektraum oder das
Objekt translatorisch durch den Aufnahmebereich der Kamera bewegt
wird,
- – kontinuierliche
Erfassung von Bandware oder Objekten auf linearen Transportbändern in
Produktionsprozessen.
-
Sie ist besonders vorteilhaft zur
schnellen und rauscharmen Bildgewinnung allgemein, sowie zur gleichzeitigen
Erfassung von komplexen Tiefeninformationen geeignet, wie sie für 3D- oder
Stereo-Bilder, aber auch zur photogrammetrischen Messwertgewinnung,
gebraucht werden.
-
Für
die linienweise Abtastung von Objekten sind Anordnungen mit einer
sogenannten Zeilenkamera und einer mechanischen Verfahreinrichtung, die
eine Relativbewegung zwischen Zeilenkamera und Objekt ausführt, bekannt.
Die Zeilenkamera besteht dabei aus einem Aufnahmeobjektiv und einer Reihenstruktur
von Fotosensoren, z.B. in Ausführung als
sogenannte CCD-Zeile, in dessen Bildebene. Die Bewegungsrichtung
ist allgemein rechtwinklig zur reihenweisen Anordnung der Fotosensoren,
um so eine Fläche
zu überstreichen.
-
Diese Gesamtheit aus Zeilenkamera
und Bewegungseinrichtung soll hier mit dem Begriff Kamerascanner
bezeichnet werden.
-
Als bekanntestes Beispiel solcher
Kamerascanner sind Flachbettscanner bekannt, wie sie als Dokumentenscanner
in Verbindung mit Bürocomputern
weit verbreitet sind. Hier wird eine Zeilenkamera linear über eine
flächige
Vorlage bewegt, wodurch eine linienweise Abtastung der gesamten
Fläche
erfolgt. Im Objektstrahlengang vorhandene Spiegel dienen dabei nur
zur „Faltung"
des Projektionsweges, um kompaktere Bauformen zu erreichen.
-
Als Veröffentlichung einer elektronischen
Panoramakamera mit rotierender Bewegung der Zeilenkamera sei auf
DE 4428055 verwiesen.
-
Bei der Bildabtastung mittels Zeilenkamera wirkt
zwangsläufig
ein fester Zusammenhang zwischen der Belichtungszeit einer jeden
Zeile, der Bewegungsgeschwindigkeit und der geometrischen Auflösung in
Bewegungsrichtung. Besonders bei geringer Objekthelligkeit muss
deshalb ein Kompromiss zwischen mäßiger Abtastgeschwindigkeit
und mäßiger Bilddynamik,
vor allem wegen des Rauschabstandes, eingegangen werden. Um dennoch
die Abtastgeschwindigkeit bei gleicher Integrationszeit zu erhöhen, ist
das sogenannte TDI-Verfahren („Time Delay
and Integration"), z.B. aus
CA
1129080 ,
US 4695889 oder
DE 4231401 , bekannt. Zu
dessen Realisierung werden Spezialsensoren, bestehend aus mehreren
parallel liegenden CCD-Sensorzeilen, angeboten, deren von den einfallenden
Photonen hervorgerufene Ladungen synchron zur über die Sensoroberfläche verschobenen
Abbildung von Sensorzeile zu Sensorzeile weitergegeben werden. Gleiche Bildlinien
werden so in unterschiedlichen Sensorzeilen weiter aufaddiert, wodurch
sich die effektive Integrationszeit mit der Anzahl paralleler Sensorzeilen multipliziert.
Die hierzu erforderlichen spezialisierten Sensorbauelemente werden
nur in vergleichsweise geringen Stückzahlen bei hohen Kosten gefertigt.
-
Für
die stereoskopische, also räumliche,
Objektabtastung ist die Gewinnung von wenigstens zwei Projektionsperspektiven
nötig.
Spezielle Darstellungsverfahren, z.B. mittels autostereoskopischer Lentikularlinsen-Displays,
benötigen
eine weit größere Anzahl
von Zwischenphasen. Auch für
diese Anforderungen sind Lösungsvorschläge für Kamerascanner
bekannt. Neben Vorschlägen,
die mehrere Zeilenkameras gleichzeitig einsetzen, beschreiben
DE 19921734 und
DE 19942385 rotierende
Panoramakameras mit vorgesetzten Ablenkspiegeln zur Erzeugung einer
optischen Exzentrizität
des Projektionzentrums. Nachteilig ist dabei, dass mindestens zwei
Aufnahmedurchgänge
in einem zeitlichen Abstand erfolgen müssen, weshalb bewegte Objekte räumliche
Artefakte hervorrufen.
DE 10132399 schlägt eine
Panoramakamera mit zwei Sensorzeilen in der Projektionsebene vor,
die auch Bestandteile eines gemeinsamen Flächensensors sein können. Hier verbleibt
als Problem wieder die feste Bindung zwischen Belichtungszeit und
Abtastgeschwindigkeit.
-
Zur stereoskopischen Erfassung rotierender Objekte
wird nach
DE 10011241 die
Rotationsbewegung einer Zeilenkamera in sehr kleinen Winkeln mit der
Objektrotation synchronisiert. Auch hier erfolgt die Aufnahme in
mehreren Durchgängen.
-
DE
19819992 schlägt
ein Verfahren zur dreidimensionalen Objekterfassung mittels Flachbettscanners
vor, bei dem das Objekt in mehreren Durchläufen bei unterschiedlicher lateraler
Lage erfasst wird. Abgesehen von der erforderlichen mehrfachen Umpositionierung
des Objektes und der erforderlichen Anzahl von Durchgängen ist
dieses Verfahren für
die kontinuierliche Aufnahme, z.B. auf Transportbändern, nicht
geeignet.
-
Ferner sind vielfältige Anordnungen bekannt, bei
denen Serien von Bildaufnahmen mit Flächensensoren entlang einer
linearen oder rotierenden Bewegungsbahn aufgezeichnet und anschließend zu einem
Gesamtbild kombiniert werden. Solche Anordnungen arbeiten diskontinuierlich,
können
somit keine geometrisch exakten Abbildungen liefern und werden deshalb
hier von der Betrachtung ausgeschlossen.
-
Das der Erfindung zugrundeliegende
Problem besteht in einem allgemeingültigen Lösungsansatz für die Neukonzeption
eines universellen Kamerascanners, der für alle bisher bekannten, in
der Einleitung umrissenen, Einsatzbereiche geeignet ist und zusätzlich eine
TDI-ähnliche Überlagerungsfunktion, ebenso
wie eine räumliche
Bilderfassung, ermöglicht,
dabei aber keine speziell zu fertigenden Sensorbauelemente benötigt.
-
Das Problem wird durch die in den
Ansprüchen
1 und 4 gekennzeichnete Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
sind in 7 weiteren Ansprüchen
angegeben.
-
Erfindungsgemäß (vergl. 1) befindet sich in der Bildebene des
Aufnahmeobjektivs (1) und symmetrisch zu dessen optischer
Achse eine Sensormatrix (2), deren Sensorelemente (3),
einzeln oder zumindest als linienförmig angeordnete Gruppen (4),
adressier- und auslesbar sind. Diese linienförmigen Gruppen, bestehend jeweils
aus aneinandergereihten Sensorelementen, werden nachfolgend Einzelzeilen
genannt. Die Gruppierung einer willkürlich definierbaren Anzahl
nebeneinander liegender Einzelzeilen sei als Formation (5)
bezeichnet. Nach dem Stand der Technik kommen als Sensormatrix CMOS-Matrixsensoren
in Frage, wie sie in elektronischen Flächenkameras weit verbreitet
sind. Im Unterschied zu ebenfalls verbreiteten CCD-Matrixsensoren
erlauben diese in den meisten Fällen
die direkte oder zumindest inkrementelle Adressierung ihrer Sensorelemente.
-
Sowohl die Steuer- und Adresseingänge (6), wie
auch die Signalausgänge
(7) der Sensormatrix sind mit einem Mikroprozessor (8)
verbunden, der somit die Intensitätssignale der Sensorelemente
einer jeden Einzelzeile im wahlfreien Zugriff auslesen, in Registern
zwischenspeichern und weiterverarbeiten kann.
-
Der Signalprozessor besitzt weiterhin
eine Synchronisationsschnittstelle (9), über die
er mit dem Bewegungsantrieb (10) des Kamerascanners so
verbunden ist, dass der Signalprozessor entweder den Antrieb steuert
oder Synchronisationssignale vom Antrieb empfängt. Am Ausgang (11)
erfolgt die Weitergabe der gewonnenen Bildinformation, z.B. an einen
Bildspeicher.
-
Wird nur die in der Mitte des Sensors
befindliche Einzelzeile einzeln ausgelesen, so wirkt diese zunächst wie
die Sensorzeile in einer Zeilenkamera mit herkömmlichem Aufbau. Wählt der
Signalprozessor eine andere Einzelzeile, so vergrößert sich
mit zunehmender Entfernung Δx
zur Sensormitte auch der Einfallswinkel ϕ für alle Sensorelemente
der gesamten Einzelzeile, bezogen auf die optische Achse.
-
Qualitativ muss zwischen kleinen
und großen
Einfallswinkeldifferenzen unterschieden werden. Während kleine
Winkeldifferenzen nur zu minimalen, vernachlässigbaren Veränderungen
des absoluten Einfallswinkels führen,
bedingen große
Winkeldifferenzen dessen signifikante Änderung. Dieser Unterschied
ist entscheidend für
die Abbildungsperspektive.
-
2 demonstriert
hierzu drei verschiedene Phasen (a, b, c) der Darstellung eines
räumlichen Objekts
(20), das während
der Bildaufnahme in Richtung x verschoben werde. Je nachdem, ob
die Zeilenabtastung in den Regionen (A), (B) oder (C) erfolgt, wie
groß also
der Winkel ? ist, wird der vorbeibewegte Gegenstand entweder mehr
von der rechten oder mehr von der linken Seite abgebildet. Werden
mehrere Regionen gleichzeitig erfasst, so ist bereits in nur einem
Aufnahmevorgang, das heißt,
innerhalb nur einer Abtastbewegung, eine räumliche Bildaufnahme möglich. Hierfür müssen also
programmtechnisch bestimmte Regionen ausgewählt und separaten Bildspeichern
zugewiesen werden. Für
eine einfache zweiäugige
Stereodarstellung genügen
zwei Regionen, für
ein autostereoskopisches Lentikularlinsenbild können es z.B. neun oder mehr sein.
Jede Region erzeugt also ihr eigenes, vollständiges Bild einer perspektivischen
Ansicht, das anschließend
in bekannter Weise räumlich
dargestellt werden kann.
-
Einem völlig anderen Ziel dient die
Verwendung unmittelbar nebeneinander liegender Zeilen im Bereich
der kleinen Winkeldifferenzen. Zunächst ist davon auszugehen,
dass für
diese Differenzen die perspektivischen Unterschiede vernachlässigbar klein
sind.
-
Besitzt ein Flächensensor z.B. 1000 Zeilen, denen
ein Bildwinkel von insgesamt 60 Grad zuzuordnen ist, so betrüge bei linearer
Relativbewegung gemäß 2 die maximale Winkeldifferenz
zwischen drei Einzelzeilen gerade einmal 0,2 Grad. Bei Rotationsbewegungen
kann, je nach effektiver Exzentrizität des Projektionszentrums,
dieser Wert noch wesentlich geringer, bei fehlender Exzentrizität sogar Null
sein.
-
Innerhalb zu vereinbarender Grenzen
ist also anzunehmen, dass die Relativbewegung zwischen Objekt und
Aufnahmekamera zu einer Verschiebung des unveränderlichen Bildes entlang der Sensorfläche in x-Richtung
(1) führt. Betrachtet man
die Abbildung eines bestimmten Objektpunktes, so überstreicht
diese eine Einzelzeile nach der anderen, dabei aber stets an der
gleichen y-Koordinate. Durch Synchronisation der Belichtungs- und
Auslesezeiten der Einzelzeilen mit der Relativbewegung ist es demnach
möglich,
von einer Einzelzeile nach der anderen immer wieder ein bildbedingt
gleiches Signalprofil zu erhalten. Auftretende Unterschiede könnten demnach
nur durch verschiedene Rauschprozesse verursacht sein. Haben diese
stochastischen Charakter, so steigt gemäß allgemein bekannter Zusammenhängen der
mathematischen Statistik nach dem Aufaddieren von N Wiederholungen
der Signal-Rausch-Abstand
um den Faktor √N . Demgegenüber ist
die Signalspannung ladungsintegrierender Fotosensoren proportional
zur Integrationszeit. Hieraus folgt, dass durch synchronisiertes Überlagern der
Signale von N benachbarten Einzelzeilen die Belichtungszeit um Faktor
N verkürzt
werden kann. Dabei bleibt die erhaltene Signalspannung die gleiche, während sich
der Rauschpegel um Faktor √N erhöht. Bei Halbleitersensoren
wirken jedoch auch Rauschprozesse, deren Intensität mit der
Integrationszeit steigt, so dass die Rauschpegelerhöhung kleiner sein
kann, als hier dargestellt.
-
Insgesamt wird deutlich, dass durch
Aufaddieren einer zunehmenden Anzahl von Einzelzeilen die Integrationszeit
bei vergleichbarer Signalqualität im
gleichen Maße
gesenkt werden kann.
-
Die Größenabhängigkeit im Synchronisationsprozess
zwischen Antrieb und Signalgewinnung hängt vom Bahnverlauf der Relativbewegung
ab. In 3 sind typische
Bahnen dargestellt.
-
Bei linearer Verschiebung (a) gilt
mit den in der Zeichnung
eingetragenen Größen. Für eine Rotationsbewegung
der Kamera um das Projektionszentrum O herum (b) gilt
Δxs = s·tanϕ und
für eine
Rotation des Objektes um den Drehpunkt D (c) gilt
-
Wegen der festen Rasterstruktur des
Flächensensors übertragen
sich die diskreten Elementarschritte ΔxS0 selbstverständlich auf
die abhängigen Größen ΔxR , ? oder ψ. Nicht immer ist die genaue Zuordnung
diskretisierter Größen zueinander
möglich,
z.B. wenn ein Schrittmotor den Antrieb nur in diskreten Schritten
bewegt. In solchen Fällen
hilft die Addition der Intensitätssignale
beider benachbarter Einzelzeilen unter Wichtung mit einem Faktor,
der entgegengesetzt proportional zum jeweiligen Abstand zwischen
den Koordinaten der Einzelzeile und den tatsächlich vorhandenen Projektionskoordinaten ist.
-
In 4 ist
die Zuordnung der Sensorelemente einer Formation (5) aus
sechs Einzelzeilen zum Summenregister (30) dargestellt,
die sich in zeitlicher Folge mit fortschreitender Relativbewegung
in Richtung x vollzieht.
-
Zur Gewinnung von Farbinformationen
besitzen bekannte Matrixsensoren Farbfilterraster, die in der Regel
als sogenannte Bayer-Matrix oder als diagonale Streifen angeordnet
sind. Solche Farbsensoren sind in das Konzept des Kamerascanners
problemlos integrierbar, wobei sich diagonal angeordnete Farbfilterstreifen
besser eignen, weil nur diese bei Überlagerung benachbarter Zeilen
eine lückenlose Abbildung
aller Punkte in allen Grundfarben ermöglichen. Neuerdings unter dem
Namen X3 bekannt gewordene Sensortechnologien, bei denen die Farbebenen übereinander
angeordnet sind, so dass für
jedes Sensorelement eine vollständige
Farbinformation vorhanden ist, eignen sich für diesen Einsatz selbstverständlich auch. 5 verdeutlicht die Zuordnung.
Zur Formation (5) seien sechs Einzelzeilen zusammengefasst,
deren Sensorelemente in der periodischen Folge RGB für Rot, Grün und Blau
angeordnet sind, die aber von Zeile zu Zeile um je ein Element verschoben
sind. Drei getrennte Summenregister für Rot, Grün und Blau integrieren die
zugeordneten Intensitätssignale
der jeweiligen Grundfarbe. Der Vergleich mit 4 zeigt die Analogie zur monochromen
Variante. Die für
die Verbesserung der Signalqualität wirksame Anzahl von Einzelzeilen
ist jedoch nur noch ein Drittel der physikalisch vorhandenen – im gezeigten
Beispiel nur noch zwei anstelle von sechs.
-
Matrixsensoren werden allgemein nicht
mit der gleichen linearen Anzahl von Sensorelementen angeboten,
wie Zeilensensoren. Um eine höhere physikalische
Auflösungen
zu erreichen, wird die Sensormatrix so mit einem Aktor verbunden,
dass sie von ihm linear, rechtwinklig zur optischen Achse um eine
Strecke verschoben werden kann, die innerhalb des Abstandes zweier
benachbarter Sensorelemente liegt. Somit gelangen die Sensorelemente
auf Koordinaten, die in den Lücken
zwischen ihrer ursprünglichen
Position liegen, so dass auch in solchen Positionen weitere Aufnahmen
erfolgen können,
was die effektive Dichte der Matrix erhöht. 6a zeigt
das Beispiel einer Sensormatrix (2), die seitlich mit einem Piezoaktor
(40) verbunden ist, der sie entlang der Koordinate y verschiebt.
Es ist dargestellt, wie dabei die Sensorelemente (3) neue
Koordinaten einnehmen. 6b zeigt ein
Beispiel, wie bei einer Verschiebung um zwei Zwischenschritte im
Summenregister (30) die dreifache Signaldichte entsteht.
Eine Verschiebung mittels Aktor ist nicht nur auf eine Koordinate beschränkt. So
können
rechtwinklig zueinander wirkende Aktoren eingesetzt werden, beispielsweise
um in der x-Koordinate intervallweise der Bewegung des Kamerascanners
kurzzeitig zu folgen, oder das bereits erläuterte Problem der Abstimmung
zwischen Bewegungs- und Sensordiskretisierung zu lösen. Der bei
Matrixsensoren beschränkte
Füllfaktor,
der größere Lücken zwischen
den effektiven Flächen
der Sensorelemente bedingt, kommt dieser mechanischen Lösung grundsätzlich entgegen.
-
Alle beschriebenen Einzelmerkmale
sind in beliebiger Weise miteinander kombinierbar. So lässt sich
beispielsweise eine Farbmatrix mit einem Piezoaktor verbinden, dabei
eine Formation von 3 × 3
Einzelzeilen aufsummieren und alles das gleichzeitig in neun Regionen
der Sensorfläche
für die
Gewinnung dreidimensionaler Bilder durchführen.
-
Die beschriebene Anordnung weist
alle Funktionselemente auf, die für eine Bildaufnahme im herkömmlichen
Sinne ohne eine Relativbewegung zwischen Aufnahmekamera und Objekt
auskommt. Hierzu genügt
es, den Antrieb stillzusetzen und Einzelzeile für Einzelzeile nacheinander
auszulesen. Wenn dabei auch alle Vorzüge eines Kamerascanners gegenüber Bildaufnahmekameras
verloren gehen, kann eine solche Betriebsart dennoch eine interessante
Bereicherung praktisch ausgeführter
Gerätekonstruktionen
bieten.
