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Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren,
die es ermöglichen,
ein komplettes und zusammenhängendes
Bild einer Umgebung aufzunehmen und wiederzugeben. Dabei können alle
bekannten Aufnahme- und Wiedergabetechniken wie z.B. photographische
Aufnahmen und Diaprojektionen, Filmaufnahmen und Filmprojektionen,
Aufnahmen mit elektronischen Bildaufnehmern und Darstellungen über elektronisch
gesteuerte Lichtimpulse eingesetzt werden. Die Erfindung ist auf
allen Gebieten anwendbar, bei denen eine komplette Darstellung eines
Raumes zusammenhängend,
lückenlos
und in hoher Qualität notwendig
ist. Die Anwendung der Erfindung ist deshalb universell. Sie ist
für Überwachungs-
und Beobachtungseinrichtungen unter Wasser, auf der Erde und im
Weltraum sehr geeignet. Weitere wichtige Anwendungen sind Vorführungen
für Bildung
und Unterhaltung.
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In der Patentschrift
DE 691 29 066 wird für die Filmproduktion
eine Einrichtung für
die Realisierung einer Vollkugeldarstellung der gesamten Hemisphäre beschrieben.
Hierbei werden bei der Aufnahme zwölf Bilderfassungssysteme und
bei der Wiedergabe ebenfalls zwölf
Projektionssysteme gemäß einem
Dodekaeder angeordnet. Durch diese Einrichtung ist es möglich, in
sphärischen
Filmtheatern eine Vollkugelprojektion mit minimaler Verzerrung und
hoher Auflösung
durchzuführen.
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Weiterhin ist in der Patentschrift
DE 43 29 025 eine Einrichtung
für die
Sternprojektion in Planetarien vorgeschlagen worden, bei der mittels
sechs Projektoren der gesamte Sternhimmel der südlichen und nördlichen
Hemisphäre
dargestellt werden kann. Die Projektionsobjektive müssen hierfür bei einer Projektion
aus dem Zentrum für
einen Bildwinkel von 2 × 54,7° ausgelegt
sein. Jedes projizierte Sternfeld wird durch ein sphärisches
Viereck, welches durch Großkreise
begrenzt wird, beschrieben und liegt in einem Abstand von 90° zu benachbarten
Feldern. Die Strukturen für
die Dias für
derartige Projektoren werden nach dem Stand der Technik ausschließlich durch
Berechnung der Lage und Größe der Bildstrukturen
in Form von Punkten und Linien und nicht durch Aufnahme von natürlichen
Objekten gewonnen.
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Außerdem wird bemerkt, dass Weitwinkelobjektive
mit einem Gesamt-Bildwinkel von 110° auch noch in kleiner Bauform
und mit sehr guter Korrektur hergestellt werden können. Super-Weitwinkelobjektive
(sogenannte Fischaugenobjektive) mit einem Gesamt-Bildwinkel von
170°-180° besitzen
dagegen eine sehr große
Frontlinse und verursachen extreme Abbildungsfehler.
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Zum Stand der Technik wird weiterhin
angeführt,
dass es bekannt und möglich
ist, mittels Laserprojektion verzerrungsfrei zusammengesetzte Bilder mit
veränderbarem
Bildinhalt an eine Kuppelwand zu projizieren, indem die Ablenkung
der Lichtstrahlen rasterförmig
gesteuert wird (siehe Patentschrift
DE 196
28 455 ). Hierbei können
auch Großkreise
die von einem Laserprojektor projizierten Bereiche begrenzen.
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Es wird nach einer Lösung für ein Aufnahme- und
Wiedergabeverfahren für
eine lückenlose
Bildaufnahme und Bildwiedergabe gesucht, bei der der zu beobachtende
Raum dem Raumwinkel einer Vollkugel oder eines Teiles davon entspricht,
wobei im Gegensatz zu der in der o.g. Patentschrift
DE 691 29 066 weniger Aufnahmesysteme
für eine
lückenlose Aufnahme
notwendig sein sollen. Auch soll eine erfindungsgemäße Aufnahmeeinrichtung
nicht nur preiswerter, sondern auch kleiner und leichter sein als
bekannte Systeme. Eine geringe Abmessung und ein kleines Gewicht
können bei
speziellen Anwendungen wie beispielsweise in der Raumfahrt von entscheidender
Bedeutung sein.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein
Bildaufnahme- und Bildwiedergabeverfahren gelöst, bei dem über Objektive
einer Bildaufnahmeeinrichtung Objekte einer Umgebung aufgenommen werden
und über
eine Bildwiedergabeeinrichtung diese Bildinhalte dargestellt werden,
wobei der aufzunehmende Raum zur Bilderfassung in sphärische Vierecke
eingeteilt wird und die Verbindungslinien zwischen den einzelnen
Mittelpunkten der sphärischen
Vierecke und deren gemeinsamen Kugelmittelpunkt als Zentrum senkrecht
zueinander stehen und dass die Bilderfassungssysteme Objekte, welche
sich in den jeweiligen, durch diese sphärischen Vierecke definierten
Raumwinkeln befinden, erfassen und die gewonnenen Bildinformationen
durch die Bildwiedergabeeinrichtung dargestellt werden. Eine Toleranz
der Winkellage der optischen Bilderfassungssysteme wird mit ± 15° angegeben.
Die einzelnen Bilderfassungssysteme sind mit ihren optischen Achsen
auf die Mittelpunkte der genannten sphärischen Vierecke ausgerichtet.
Da die ideale Platzierung eines jeden Bilderfassungssystems das
Zentrum einer gedachten Kugelfläche
ist, auf der die sphärischen
Vierecke liegen, werden die Bilderfassungssysteme vorzugsweise in
geringem Abstand zu diesem Kugelzentrum angeordnet.
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Befinden sich Objekte in dem Bereich
der beschriebenen Zonen, werden sie von den Bilderfassungssystemen
aufgenommen. Die Bereiche, welche außerhalb eines jeweiligen sphärischen
Viereckes liegen, aber noch auf den Empfänger eines Bilderfassungssystems
abgebildet werden, können durch
Blenden, welche vor dem Empfänger
angeordnet werden, ausgeblendet werden. Es ist aber auch möglich, diese überschüssigen Informationen
durch die Software eines Bildbearbeitungsprogramms herauszufiltern.
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Weiterhin ist eine Entzerrung möglicher
Verzeichnungen der Objektive möglich,
indem bei einer Wiedergabe der Bilder die Verzeichnungsfehler der Objektive
bei der Berechnung der jeweiligen Position der darzustellenden Bildpunkte
korrigiert werden.
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Die Bilder der einzelnen Bilderfassungssysteme
können
einzeln dargestellt oder zu einem kompletten Bild zusammengesetzt
werden. Dies kann an einem Monitor oder mehreren Monitoren, an zusammengesetzten
Flachbildschirmen oder über
verschiedene Projektionsarten (Diaprojektion, Filmprojektion, Video-
und Laserprojektion) auf einen Projektionsschirm erfolgen. Hierzu
ist es zunächst
möglich,
die Projektoren in dergleichen Weise wie die Aufnahmesysteme anzuordnen,
indem ein von einem einzelnen Bildaufnahmesystem aufgenommener Bildinhalt
wieder über
ein analog angeordnetes Projektionssystem dargestellt wird. Für ein alternatives
Wiedergabeverfahren wird vorgeschlagen, die Aufnahmesysteme mit
elektronischen Empfängern
auszustatten und den gesamten Datensatz der von den elektronischen Empfängern gewonnenen
Bildpunkte in ein Datenformat umzurechnen, welches unabhängig von
der Anordnung der Aufnahmesysteme ist. Bei diesem Prozess der Datengewinnung
müssen
die Verzeichnungen der Objektive, die Lage der optischen Achsen der
Aufnahmesysteme und der Abstand der Aufnahmeobjektive in Bezug zum
Zentrum in der Weise berücksichtigt
werden, dass der gewonnene Datensatz neben den Informationen zu
Helligkeit und Farbe eines Bildpunktes die Koordinaten für die Beschreibung
eines jeden Bildpunktes auf einer Hemisphäre aufweist. Dies kann beispielsweise
in Kugelkoordinaten erfolgen.
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Dieser vom Aufnahmesystem unabhängige Datensatz
kann anschließend
für beliebige
Bildwiedergabeverfahren verwendet werden, wobei die Bildwiedergabeeinrichtungen
dann unabhängig
von der Anordnung der Bildaufnahmesysteme sind. Für Beobachtungseinrichtungen
mittels einem Bildschirm oder mehreren Bildschirmen ergibt sich
die Möglichkeit,
Bildausschnitte über
ein Computerprogramm vom Bediener wählbar oder bestimmte Abläufe programmierbar
zu gestalten. Auf diese Weise kann der Ablauf einer Beobachtung
entlang bestimmter Regionen festgelegt werden.
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Mit dem beschriebenen Verfahren ist
auch eine sphärische
Projektion an eine Kuppelwand mittels Laserprojektion möglich, womit
eine komplette Darstellung eines in erfindungsgemäßer Weise
aufgenommenen Raumes lückenlos
an einer Kuppelwand besonders kontrastreich dargestellt werden kann.
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Nachfolgend wird die Erfindung an
einem Beispiel erläutert:
In 1 ist ein oben beschriebenes
sphärisches
Viereck mit gleichen Bogenlängen als
Teil einer Vollkugel in der Draufsicht dargestellt. Der Punkt M
markiert dabei den Mittelpunkt des sphärischen Viereckes. In 2 ist die zugehörige Seitenansicht
dargestellt. Aus dieser Zeichnung ist ersichtlich, dass der Bildwinkel
für ein
Bilderfassungssystem – wenn
das Objektiv im Kugelzentrum liegt – 2 × 54,7° beträgt. Die Schnitte A-A und B-B
in 3 und 4 verdeutlichen, dass ein derartiges sphärisches
Viereck in zwei zueinander senkrechten Richtungen einen Bildwinkel
von jeweils 2 × 45° besitzt, so
dass die Verbindungslinien zwischen den einzelnen Mittelpunkten
M der sphärischen
Vierecke und deren gemeinsamen Kugelmittelpunkt als Zentrum Z senkrecht
zueinander stehen. In 5 und 6 ist eine Anordnung von
fünf derartigen
zugeordneten sphärischen
Vierecken (1) bis (5) dargestellt, wobei 6 die zu 5 zugehörige Draufsicht ist. Die Aufnahme
eines unteren, sechsten Feldes wäre
entsprechend der Erfindung auch möglich, worauf aber in diesem
Beispiel verzichtet wird. In 7 ist
eine erfindungsgemäße Aufnahmeeinrichtung
dargestellt, bei der die optischen Achsen der fünf Aufnahmesysteme (6)
bis (10) senkrecht zueinander stehen und jedes Aufnahmesystem
aus einem Weitwinkelobjektiv (11), einem elektronischen
Empfänger
(12) und einer zugehörigen
Elektronikeinheit (13) besteht. Für die Bildverarbeitung werden
nur die Informationen weiterverwendet, die den jeweiligen Bereichen
der zugeordneten sphärischen
Vierecke entsprechen. Da die einzelnen Projektoren sich nicht im
Kugelzentrum befinden, ist der notwendige Bildwinkel eines Objektives
zur Erfassung eines sphärischen
Viereckes in Abhängigkeit
vom Abstand eines gedachten mittleren Objektabstandes zum Kugelzentrum
geringfügig größer als
in 1 bis 4 dargestellt. Auf Grundlage der elektronischen
Bildaufnahme können
Dias erzeugt werden, die nur die Bildinhalte entsprechend der sphärischen
Vierecke aufweisen und beispielsweise mit einer Projektionseinrichtung
an eine sphärische
Projektionswand projiziert werden. In 8 ist eine
derartige mögliche
Projektionseinrichtung dargestellt, bei der fünf einzelne Projektoren (14)
bis (18) senkrecht aufeinander stehen und auf die Mittelpunkte
der zugeordneten sphärischen
Vierecke ausgerichtet sind. Jeder einzelne Projektor besteht aus
einem Weitwinkelobjektiv (19), einem Dia (20),
einem Kondensor (21) und einer Lichtquelle (22),
welche in diesem Fall eine Hochleistungs-LED ist. Die Verzeichnungen
beider Objektive (Aufnahme und Wiedergabe) kann bei der softwaremäßigen Bearbeitung der
Bildinhalte berücksichtigt
werden, so dass das beschriebene Prinzip zur Aufnahme und Wiedergabe auch
mit Objektiven möglich
ist, die starke und auch unterschiedliche Verzeichnungen und unterschiedliche
Brennweiten aufweisen, indem die Bildpunkte auf dem Dia nach der
Aufnahme entsprechend den Verzeichnungen und Brennweiten beider
Objektive berechnet werden.