DE19502045A1 - Kompensation von Bildverwaschungen - Google Patents
Kompensation von BildverwaschungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur realitätsgetreuen Abbildung
schnellbewegter Objekte, eine Fernerkundungskamera, die Verwendung
piezoelektronischer Stellelemente, sowie ein Verfahren zur Kompensation der
Bildverwaschung bei Aufnahmen.
Aus der Sportfotografie ist bekannt, daß man die Kamera mitschwenken muß,
wenn man z. B. eine Läufer scharf abbilden will; ansonsten erhält man ein
"unscharfes" oder verschmiertes Bild.
Das gleiche Problem tritt auf, z. B. bei optoelektronischen
Fernerkundungssystemen, die von Satelliten oder Flugzeugen aus eingesetzt
werden. Während der Belichtungszeit bzw. Integrationszeit für z. B. ein
bestimmtes Planquadrat auf der Erdoberfläche ergibt sich eine Verschiebung
des aufzunehmenden Planquadrates bezüglich der im fliegenden Objekt
angeordneten Empfängereinrichtung, der Kamera. Dieser Effekt führt dann bei
derartigen Aufnahmen ebenfalls zu einer mehr oder weniger starken
Verwaschung der aufgenommenen Bilder.
Aus der Praxis ist bekannt, daß eine Lösung zur Überwindung dieser
Schwierigkeit, das Nachführen der gesamten Kamera an sich ist. Diese
Verschiebe- oder Schwenkbewegung ist zwar exakt möglich aber technisch
außerordentlich aufwendig und behindert insbesondere eine
Aufnahmesequenz mit hoher Frequenz, da die Massenträgheit der
Gesamtkamera doch relativ groß ist. Aus der DE 34 32 252 C2 ist ein
Meßmikroskop bekannt, bei dem der Objektträger, also das abzubildende
Objekt mit dessen Unterlagen piezoelektrisch verstellt werden kann. Eine
derartige Möglichkeit ist natürlich bei Erdaufnahmen nicht gegeben.
Aus der DE 40 32 193 C2 ist bekannt, einen Spiegel bzw. die Blende einer
hochauflösenden Kamera mit CCD Bildsensoren piezogesteuert zu
verschieben. Hierbei ergibt sich das Problem, daß die Strahlenumlenkung zu
einer Verschiebung des Fokuspunktes führen können und damit der
Verwaschungseffekt oder eine realitätsfremde Abbildung auf den Aufnahmen
festzustellen ist.
Ein Piezogestellantrieb ist ebenfalls bei der Spiegelverstellung eines Ringlasers
bekannt, der auch mit hoher Frequenz verstellt werden kann (DE 34 12 016
C2).
Letztlich ist aus der DE 31 04 811 A1 bekannt, das Schärfeproblem dadurch
zu beheben, indem man den Antrieb von Filmrollen nachsteuert. Der Nachteil
liegt bei dieser Anordnung darin, daß für eine hochfrequente Aufnahmenfolge
eine exakte Steuerung nicht möglich ist, weil die Elastizität des Filmmaterials
eine eventuelle Nachführung der Filmposition mehr oder weniger
überkompensiert. Unter Berücksichtigung dessen, daß die Spiegelnachführung
- wie erwähnt - zwar eine Kompensation der Bildverwaschung ermöglicht,
jedoch die Abbildungseigenschaften sowohl was die Abbildungsebene
anlangt, wegen der Verschiebung des Fokuspunktes, als auch die Möglichkeit
einer Farbverschiebung in die, für eine bestimmtes Aufnahmeproblem
optimiert berechneten, Objektivlasern muß eine andere Lösung gefunden
werden. Das Problem besteht also darin, daß für eine schnelle Bildfolge,
gleichgültig ob für Filmaufnahmen oder elektronische Registrierverfahren wie
bei CCD Bildsensoren, eine möglichst optimale Kompensation der
Differenzbewegung zwischen dem aufnehmenden Gerät, z. B. einer Kamera
und dem aufzunehmenden Objekt, z. B. der sich schnell drehenden Erde mit
möglichst einfachen Mitteln korrigiert oder kompensiert wird.
Die Lösung ist in den Ansprüchen 1, 8, 9 und 10 angegeben. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Untersprüchen erfaßt. Dabei
unterstellt die Erfindung zunächst folgendes Fachwissen, das am Beispiel
einer fliegenden Kamera erläutert wird. Quantitativ ist die Verwaschung auf
der Aufnahme als Verhältnis von dt/DT darstellbar. Hierbei sind:
dt = Integrationszeit oder Belichtungszeit;
DT = Zeit zwischen zwei nacheinander stattfindenden Belichtungen oder Aufnahmen, allgemeiner Registrierungen von Strahlungsemissionen.
dt = Integrationszeit oder Belichtungszeit;
DT = Zeit zwischen zwei nacheinander stattfindenden Belichtungen oder Aufnahmen, allgemeiner Registrierungen von Strahlungsemissionen.
Bei einer gegebenen Flughöhe und vordefinierter Fluggeschwindigkeit bei
Aufnahmen der Erdoberfläche überstreicht die an Bord befindliche Kamera
einen berechenbaren Streifen auf der Erdoberfläche ( . . . der Projektion der
Kamerageschwindigkeit). In diesem Fall wählt man DT so, daß sich die
Projektion quadratischer Bildelemente aneinander reiht. Um die
Bildverwaschung möglichst gering zu halten, muß noch weitere Bedingung
erfüllt sein, nämlich dt/DT wesentlich kleiner 1, d. h. die Belichtungszeit muß
sehr klein gegenüber dem Abstand zwischen zwei Belichtungen sein.
Bei vielen wissenschaftlichen Aufgaben im Rahmen der Fernerkundung ist
jedoch die freie Wahl dieser Parameter sehr eingeschränkt. Die Flughöhe und
die Fluggeschwindigkeit werden oft durch die Satellitenbahn oder die
Einsatzmöglichkeiten eines Flugzeuges bestimmt. Brennweite und
Belichtungszeit für die Kamera ergeben sich in Regel aus der
wissenschaftlichen Aufgabenstellung. Die Seitenlänge eines beispielsweise
quadratischen Bildträgers, z. B. eines Sensorelementes einer CCD-Kamera ist
in der Regel ebenfalls technisch vorgegeben. Aus diesen Gründen ist für
verschiedene Aufgabenstellungen damit die zuvor genannte Bedingung dt/DT
wesentlich kleiner 1 nicht einzuhalten. Diese Schwierigkeit ist für sich den
Herstellern von Fernerkundungskameras bekannt und hat zu den zuvor
geschilderten Lösungen geführt. Die im folgenden darzustellende Lösung
beschränkt sich jedoch nicht auf das Problem der geschilderten
Fernerkundungskamera sondern umfaßt weitere Lösungen für die tägliche
Praxis beispielsweise bei der Überwachung von Massenteilen auf bestimmte
Qualitätsmerkmale wie Form und Farbe. Auch hier ist eine
Qualitätsüberwachung z. B. eines auf Bändern laufenden gestanzten
Werkstückes nur möglich, wenn eine verwaschungsfrei Aufnahme erzielt
wird, die mit einer vorgegebenen Aufnahme vergleichbar ist.
Weitere ähnliche Problemstellungen ergeben sich aus Belichtungsproblemen
mit Falschfarben, -filmen oder Infrarotfilmen, beispielsweise bei der
Vegetationsüberwachung, wo eine Verwaschung der Aufnahmen ein
Nachvollziehen der geometrischen Verhältnisse auf der Erdoberfläche
verhindert.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist daher vorgesehen, daß die
Bildebene der Fokalebene gegenüber der, für den Strahlungsempfang
ausgelegten, Optik beweglich ausgeführt wird und diese Bewegung
elektronisch gesteuert wird. Die realitätsgetreue Abbildung von zur
Vorrichtung nach Betrag und Richtung mit vordefinierter Geschwindigkeit
relativ bewegte Objekte läßt sich dadurch erzielen, daß eine aus einem
Empfänger für vom Objekt stammende Strahlung mit einer nachgeordneten
Fokussiereinrichtung und eine in der Fokalebene angeordneten
Abbildungseinrichtung zur Erfassung von Abbildungen hoher Frequenz, diese
Abbildungseinrichtung während der Erfassungsdauer bzw. Belichtungszeit
relativ zur Fokussiereinrichtung mit zum Objekt annähernd reziproker
Geschwindigkeit mittels einer elektronischen Stelleinrichtung bewegt wird. Die
Bewegungseinrichtung des Abbildungseinrichtung hängt von der Wirkung der
Fokussiereinrichtung und/oder weiteren, den Strahlungsgang ändernden
Einrichtungen ab, d. h. die Abbildungseinrichtung kann in Richtung der realen
Kamerabewegung oder entgegengesetzt verlaufen.
Eine derartige elektronische Stelleinrichtung sollte als piezoelektrisches
Stellelement ausgebildet sein, welches für hohe Aufnahmefrequenzen
entsprechend elektronisch angesteuert werden kann, um die Bewegung der
Abbildungseinrichtung auszulösen.
Die Abbildungseinrichtung selbst faßt primär eine Platte, auf der
beispielsweise CCD-Sensoren oder CCD-Zeilen aber auch ein
belichtungsempfindliches Filmmaterial angeordnet ist, welche vorzugsweise
auf zwei zueinander parallel angeordneten, beweglichen Schwingelementen,
beispielsweise zwei dünnen Biegefedern angeordnet ist. Derartige Biegefedern
sind an dem Kameragehäuse statisch relativ genau zu dem
Strahlungsempfänger und dem Objektiv ausrichtbar, so daß eine Anregung der
Abbildungseinrichtung in definierter Richtung um einen definierten Betrag in
definierter Geschwindigkeit rechentechnisch erfaßt werden kann.
Für die rechentechnische Auswertung und die anschließende Anregung des
piezoelektrischen Stellelementes ist eine elektronische Baugruppe vorgesehen,
die den Zeitpunkt, den Betrag und die Dauer der Verstellung der
Abbildungseinrichtung berechnet und vorgibt.
Das Steuerungssystem wird z. B. für eine Fernerkundungskamera mit den
genannten piezoelektrischen Stellelementen beruht auf einem definierten
Verfahren zur Kompensation der Bildverwaschung bei Aufnahmen von relativ
zur Kamera bewegten Objekt und setzt folgende Verfahrensschritte voraus:
- - zunächst ist der Belichtungsbeginn für die diskrete Aufnahme festzustellen;
- - zudem muß die Stellung der Abbildungseinrichtung relativ zu dem Objektiv in möglichst exakter Weise vorgenommen werden, wobei aus vorhergehenden Anregungen der Abbildungseinrichtung ein . . . . vorkommen kann oder durch Temperaturschwankungen könnten sich die für die Kamera vorgesehen Biegefedern zu einer Seite geneigt haben; all dies ist mit Hilfe des Vergleichs von Soll- zu Istwerten festzustellen, so daß man zu dem genauen Lagepunkt der Abbildungseinrichtung gelangt.
- - Weiterhin ist festzustellen, welche Belichtungszeit einzustellen ist, was als Vorgabe für die zu lösende wissenschaftliche Aufgabe leicht über ein Programm eingebbar ist und schließlich ist aus den angegebenen Werten eine Verstellung nach Zeitpunkt, Betrag und Dauer zu ermitteln und in eine elektronisches Signal zu wandeln, mit dem schließlich die piezoelektrische Stelleinrichtung beaufschlagt wird zur Auslenkung der Position der Abbildungseinrichtung.
An Hand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert
werden, ohne daß sie auf diese konkrete Anwendungsform beschränkt sein
soll.
Es zeigen:
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 2 eine elektronische Baugruppe zur Anwendung bei der Vorrichtung
gemäß Fig. 1.
Gemäß Fig. 1 wird ein biegesteifer Grundrahmen 1 über Justierelemente 2 mit
einer Optikfassung 3 verbunden. Ein Fotoobjektiv 4 ist in die Optikfassung
eingeschraubt. Eine Abbildungseinrichtung oder Fokalebenenträgerplatte 5 mit
optoelektronischen Bauelementen 6, beispielsweise CCD-Zeilen, ist über
Biegefederelemente 7 mit dem Grundrahmen 1 verbunden. Ein
piezoelektrisches Stellelement 8 ist über ein hin- und herbewegliches Stellglied
9 mit der Fokalebenenträgerplatte 5 verbunden. Bei Bewegung der Kamera in
Richtung R1 gelangt durch eine Optik oder einen Filter 10 eine Strahlung S1
vom Objekt via Fotoobjektiv 4 als Strahlengang S2 zur Abbildungsebene
bzw. zu den optoelektronischen Bauelementen 6 und es wurde unterstellt,
daß bei Bewegung der Kamera in Richtung R1 und entsprechender
einfallender Strahlung S1 die Abbildung auf den Elementen 6 sich auf Grund
der Art des Objektives 4 in Richtung R2 verschiebt und eine entsprechende
Bildverwaschung entsteht. Aus diesem Grunde ist bei Bewegung der Kamera
in Richtung R1 während der Belichtungszeit eine Kraftübertragung vom
piezoelektrischen Stellelement über das bewegliche Glied 9 auf die
Fokalebenenträgerplatte 5 möglich und damit eine Stellbewegung gegen die
Kraft der Biegefederelemente 7, welche die Fokalebenenträgerplatte in einer
Ausgangsposition festhalten. Durch Bewegung der Biegefederelemente 7 läßt
sich eine Relativbewegung zwischen den optoelektronischen Bauelementen 6,
die mit der Fokalebenenträgerplatte 5 starr verbunden sind und dem
Fotoobjektiv 4 erzeugen. Entsprechend der Auslenkung des Strahlenganges
während der Kamerabewegung wird somit das die Abbildung aufnehmende
Element entsprechend verschoben, so daß keine Verwaschung entstehen
kann.
Die erforderliche Elektronik für die Realisierung der vom piezoelektrischen
Element 8 einzuleitenden Bewegungen ist in Fig 2 an einem
Ausführungsbeispiel dargestellt. Das bewegliche Teil ist der Translator 11,
(z. B. ein mit dem Piezoelement gekoppeltes Bauteil) der innerhalb der
Belichtungszeit eine lineare Verschiebung der Bildebene bezogen auf die
Kamera durchführt. Dazu bedarf es einer speziellen Ansteuerung des
Translators, die im folgenden beschrieben wird. Der Nullabgleich für die
Anbindung der Koordinatensysteme zum Zeitraum, in dem nicht belichtet
wird, vollzieht sich über die Nullkompensation 15. Dieser Abgleich ist mit Hilfe
des Translatorsensors 12 und dem Temperatursensor 13 möglich. Beide
Sensorsignale werden von der Nullkompensation 15 ausgewertet und an
ihrem Ausgang 25 wird ein berechneter Wert, der eine Funktion aus
Kalibrierungsdaten und Driftdaten darstellt, digital bereitgestellt. Die Main-Con
trol-Unit (MCU) 16 verfügt über die direkte Zeitanbindung der Belichtung
via Kameratrigger 24 und ist daher in der Lage sowohl, den Multiplexer 17 auf
Nullabgleich zu stellen als auch die Driftkompensation über ihr Taktinterface
26 freizugeben. Der Wert, welcher die Nullkompensation 15 berechnet, wird
über einen Digital-Analog-Wandler 18 dem Leistungsverstärker 19
bereitgestellt. Die nun vorliegende Spannung bzw. Strom regelt den Translator
11 über mehrfache Iteration der beschriebenen Nullkompensationsschleife auf
die Ausgangsposition zurück.
Von der geregelten Ausgangsposition (Null-Position) wird die lineare
Verschiebung vollzogen. Diese Verschiebung wird unter genauer Kenntnis der
Übertragungsfunktion des Translators 11 und des Kanals der Anordnung,
welche vorher genau ermittelt werden müssen, durchgeführt. Aus den vorher
gewonnenen Kalibrierungsdaten wird ein Datensatz, der zur Berechnung der
Spannungskurve U(t) benötigt wird, im EEPROM 21 abgelegt. Da weiterhin
der Zusammenhang Translation (t) = f <(U(t), T(t), Soll (t)< bekannt ist,
wird im RAM 20 eine von der MCU 16 berechneten Kurve abgelegt. Hierbei
wird auch die Translation via Sensor 14 und die, die sich aus der
Belichtungszeit selbst ergibt, berücksichtigt. Die berechneten Kurvenwerte
garantieren eine stückweise lineare Translation. Die Triggerung zur Belichtung
wird kurz vorher vollzogen, um somit ein nichtlineares Einlaufverhalten des
Translators zu verhindern. Die Vortriggerung ist so zu wählen, daß in der
Belichtungszeit die Translation des Translators 11 linear ist. Über die
konstante Zeit zwischen Triggerung und Belichtung erhält man eine feste,
definierte und daher auch berechenbare Anbindung der Koordination
zueinander. Sollte Translations-Sensor 14 Winkelkoordinaten benutzen, so
müssen diese erst in kartesische Koordinaten überführt werden. Mit diesen
Koordinaten können zusätzlich unvorhersehbare extern einwirkende
Bewegungen auf das Gesamtsystem Berücksichtigung in der Berechnung der
benötigten Translations-Zeit-Kurve finden. Diese externen Bewegungswerte
dienen der Gesamtkorrektur des Systems. Die hieraus berechneten
Kurvenwerte im RAM 20 werden mit Hilfe der MCU 16 zeitdiskret an den
Digital-Analog-Wandler 18 übertragen. Der Digital-Analog-Wandler 18 übergibt
seinerseits die nun vorliegenden Spannungswerte dem Leistungsverstärker
19. Die somit anliegenden Spannungen (bzw. Ströme) am Translator 11
garantieren die lineare Verschiebung innerhalb der Belichtungszeit, die sowohl
die eigentliche Bewegungsgeschwindigkeit als auch die unvorhersehbaren
Störungen berücksichtigt.
Die Prog-RAM 22 und Prog-PROM 23 der MCU dienen zur
Programmspeicherung und dessen Abarbeitung.
Claims (10)
1. Vorrichtung zur realitätsgetreuen Abbildung von zur Vorrichtung nach
Betrag und Richtung (R1) mit vordefinierter Geschwindigkeit relativ
bewegter Objekte, umfassend, hintereinander angeordnet, einen
Empfänger (10) für vom Objekt stammende Strahlung (S1), eine
Fokussiereinrichtung (2 bis 4) und eine, in einer Fokalebene
angeordnete Abbildungseinrichtung (5, 6), welche mit hoher Frequenz
Abbildungen erfaßt und während der Erfassungsdauer relativ zur
Fokussiereinrichtung mit einer seiner Verschiebung der Abbildung
entsprechenden Geschwindigkeit mittels elektronischer Stelleinrichtung
(8, 9) bewegbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
elektronische Stelleinrichtung ein piezoelektrisches Stellelement (8)
umfaßt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Abbildungseinrichtung eine Platte (5) umfaßt, die auf zueinander
parallel beweglichen Schwingelementen (7) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schwingelemente Biegefedern (7) sind, die in statischem Zustand die
Platte (5) parallel zu dem Empfänger (10) hält.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Stellelement von einer den
Zeitpunkt, den Betrag und die Dauer der Bewegung der
Abbildungseinrichtung (5, 6) vorgebenden elektronischen Baugruppe (11 bis 24)
gesteuert wird.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Abbildungseinrichtung mindestens eine
CCD-Zeile (6) umfaßt.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Abbildungseinrichtung mindestens eine für
optische Strahlung empfindliche Filmbelichtungseinrichtung umfaßt.
8. Fernerkundungskamera, ausgestattet mit einer Vorrichtung nach einem
der vorhergehenden Ansprüche.
9. Verwendung eine piezoelektrischen Stellelementes (8) zur gezielten
Verschiebung eines Bildträgers (5) einer Kamera zur Erzielung
verwaschungsfreier Aufnahmen.
10. Verfahren zur Kompensation der Bildverwaschung bei Aufnahmen von
relativ zur Kamera bewegten Objekten, insbesondere bei
optoelektronischen Fernerkundungskameras, mittels einer Kamera,
deren Abbildungseinrichtung (5) relativ zum Objektiv beweglich ist mit
folgenden Verfahrensschritten:
- - Feststellung des Belichtungsbeginnes,
- - Ermittlung der Stellung der Abbildungseinrichtung (5) relativ zum Objekt,
- - Feststellung der Belichtungszeit und
- - Bewegung der Abbildungseinrichtung während der Belichtungszeit um einen der realen Kamerabewegung entsprechenden Wert.
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