DE19754582A1 - Schiffsnavigation mit Hilfe von Hyper Reality - Google Patents

Schiffsnavigation mit Hilfe von Hyper Reality

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Description

Beschreibung des Standes der Technik
Auf dem Navigationssektor existieren bereits verschiedene elektronische Systeme:
  • 1. Radargeräte dienen der Erfassung umliegender Objekte (Schiffe, Seezeichen, Land). Die Radargeräte haben die Möglichkeit, die Positionen dieser Objekte über eine standardisierte elektronische Schnittstelle an andere Geräte weiterzuleiten.
  • 2. GPS-Empfänger (Global Positioning System) dienen der eigenen Positionsbestimmung über Satelliten nach dem Doppler-Effekt. Die Genauigkeit liegt bei zivilen Systemen inzwischen bei 5m2. Außer GPS existieren noch weitere elektronische Möglichkeiten, die eigene Position zu erfassen, z. B. Loran C, Decca und ENSS (European Navigation Satellite System).
  • 3. elektronische Seekarten bilden die Weiterentwicklung der normalen Seekarten aus Papier. Die neuesten Seekarten arbeiten bereits mit der dritten Dimension und lassen so einen subjekiven Eindruck der Umwelt zu.
Alle Navigationsmittel werden heutzutage schon zusammengefaßt, indem die eigene Position und Auszüge aus dem Radarbild in die Seekarte eingeblendet werden.
In unserer Erfindung verbinden wir die aufbereitete Seekarte mit dem realen Bild der Außenwelt, indem wir die Seekarte in das reale Bild "hineinmischen" und so aus den zwei einzelnen Bildern eine sinnvolle Einheit herstellen. Das Prinzip der Überlagerung virtueller Daten (wie der aufbereiteten Seekarte) und realer Bilddaten zu einer sinnvollen Einheit wird als "Hyper Reality" bezeichnet.
Dieses Prinzip findet seine Anwendung bisher nur in der Flugzeugnavigation. Dort werden virtuelle Navigationsdaten mittels eines "Head Up Displays", eines "Head Down Displays" oder eines "Head Mounted Displays" in das reale Bild hineinprojiziert.
Da in der Schiffsnavigation der Betrachter, im Allgemeinen der Schiffsführer, sich aber im Gegensatz zum Piloten frei im Raum bewegen kann, ist es für die Erzeugung des virtuellen Bildes wichtig, die genaue Position des Betrachters zu kennen. Auch hier existieren bereits verschiedene Systeme, die auf Ultraschall, optischen Verfahren oder Funk aufbauen.
Nachteile des bekannten Standes der Technik
Das Überlagern der beiden Bilder ist in der Flugzeugnavigation sehr einfach, da der Pilot nur einen sehr kleinen Aktionsradius hat, und so das virtuelle Bild nicht immer an seine Position angeglichen werden muß. Dies ist in der Schiffsnavigation anders: Der Betrachter muß zur sicheren Navigation des Schiffes immer die volle Bewegungsfreiheit behalten. Deshalb kann man nicht auf ein System, das auf dem bekannten Stand der Technik aufbaut, zurückgreifen.
Aufgabe der Erfindung
Unsere Erfindung dient dazu, alle vorhandenen Navigationsmittel (Sicht nach draußen, Radar, Seekarte usw.) unter Berücksichtigung der frei wählbaren Betrachterposition zu einem Hyper Reality-Bild zu vereinigen. Außerdem können durch mehrere, in den Unteransprüchen angeführte Zusätze die Möglichkeiten zur Erleichterung der Navigation und Vermeidung von Gefahren stark erweitert werden.
Lösung der Aufgabe
Die Erfindung dient zur Verbesserung und Erleichterung der Navigation auf Schiffen. An die Stelle des manuellen Zusammentragens der einzelnen Informationen aus den bekannten Navigationsmitteln wie Radargeräten, GPS-Empfängern oder Seekarten tritt ein einziges, allumfassendes Bild, das durch die Überlagerung eines virtuellen und eines realen Bildes entsteht.
Das virtuelle Bild setzt sich aus Daten der oben genannten Navigationsmittel und/oder anderer (Ortungs-) Verfahren zusammen. Unter Berücksichtigung der Ausrichtung und der Position des Schiffes wird aus diesen Objektdaten ein virtuelles Abbild der Wirklichkeit erzeugt.
Um das reale Bild zu erhalten, ist die Aufnahme der Wirklichkeit durch eine Videokamera die einfachste Methode. Die Informationen werden durch die virtuellen Daten ergänzt und angezeigt. Es ist jedoch auch möglich, auf jede andere indirekte oder direkte Weise ein reales Bild der Umwelt zu gewinnen (z. B. durch Infrarotaufnahmen (Nachtsichtgeräte); Radaraufnahmen; Geräte, die eine "Nebelsicht" ermöglichen; Unterwasseraufnahmegeräte wie Sonar und Ultraschallgeräte, aber auch Sicht durch eine halbdurchlässige Scheibe).
Das virtuelle Bild wird mit dem realen Bild in Deckung gebracht.
Am einfachsten ist zur Darstellung des Hyper Reality-Bildes die Projektion auf eine Leinwand. Hiermit läßt sich allerdings nur ein zweidimensionales Bild erreichen. Neben den bereits genannten Methoden sind auch alle weiteren Darstellungsformen denkbar, wie die Darstellung auf einem Monitor oder durch Holographie als eine Art der dreidimensionalen Projektion (siehe z. B. "Apple Technical Report #125").
Da der Betrachter sich auf der Brücke bewegen können soll, kann ein einfaches Hyper Reality- System wie in der Flugzeugnavigation nicht angewendet werden. Daher ist es wichtig, die genaue Position des Betrachters relativ zu der Projektionsfläche zu kennen, um so zu garantieren, daß der Betrachter von jedem Standpunkt aus ein sinnvolles Bild erhält. Dies ist die technische Neuerung bei unserer Erfindung.
Wenn sich der Betrachter relativ zu der Projektionsfläche bewegt, ändern sich natürlich auch der Blickwinkel und der Sichtwinkel, unter denen er die Projektionsfläche sieht. Diese Parameter müssen also in die Berechnung des virtuellen Bildes einfließen, um so die vollständige Deckungsgleichheit des realen und virtuellen Bildes zu garantieren.
Vorteile der Erfindung
Das System ist fähig, die Hyper Reality Navigation auf Schiffen zu realisieren, ohne den Betrachter an einen Ort zu "fesseln" oder das Hyper Reality Bild als nicht mehr sinnvolle Einheit (s. o.) erscheinen zu lassen. Das ist auf Schiffen sehr wichtig, da der Schiffsführer im Gegensatz zu Piloten ständig die Bewegungsfreiheit benötigt.
Es ist ein eindeutiger Vorteil der Erfindung, daß das manuelle Zusammentragen der Einzelinformationen für den Schiffsführer entfällt. Stattdessen werden ihm die erfindungsgemäß gesammelten Informationen ohne große Zeitverzögerung in einem Bild angeboten. Selbst bei unsichtigem Wetter ist er immer über die aktuelle Lage informiert; bewegliche Objekte in der Umgebung sowie gegebenenfalls Unterwasser-Bedingungen oder -Hindernisse werden mit dargestellt, so daß er insgesamt einen wesentlich umfassenderen Eindruck von der jeweiligen Situation bekommt, als es die Navigationsmittel einzeln vermitteln könnten. Zusammen mit der Tatsache, daß der Schiffsführer sich jederzeit voll auf das Geschehen konzentrieren kann, wirkt sich dies positiv auf die Sicherheit der Seefahrt aus.
Auch von einem eventuellen Ausfall der Erfindung geht keine Gefahr aus, da erstens durch eine Projektionsfläche nur ein Teil der gesamten Brückenfensterfront verdeckt wird, und eben jene im Falle eines Falles einfach entfernt werden kann. Die räumliche Begrenzung der Projektionsfläche bietet den weiteren Vorteil, daß bei Unklarheiten oder dem Gefühl von Unvollständigkeit der Daten immer die ungehinderte Sicht nach draußen gewährleistet ist. Ferner bleiben auch die bereits vorhandenen Navigationsmittel einzeln voll erhalten.
Das entwickelte System besitzt auch Datenhelmen gegenüber einen entscheidenden Vorteil, da es die vollständige Bewegungsfreiheit zu jedem Zeitpunkt gewährleistet, ohne daß die betreffende Person hinderliche Geräte oder Kabel mit sich herumtragen muß. Die starke Belastung der Augen, die bei längerem Gebrauch von Helmen zum Problem wird, entfällt für die hier beschriebene Entwicklung ganz.
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung
Ein erstes Ausführungsbeispiel dieser Erfindung arbeitet noch mit einfachen Hilfsmitteln (Abb. 1). Über die oben erwähnte NMEA 0183-Schnittstelle wird ein Computer mit allen wichtigen Daten des Schiffes und seiner Umgebung versorgt. Dazu gehören: Position, Ausrichtung, Geschwindigkeit, Kurs, andere Objekte in der Nähe des Schiffes, Waypoints, Routen, Tiefgang usw. Die Schnittstelle wird in unserem Prototyp über die serielle Schnittstelle des Computers bereitgestellt. Dadurch, daß die Daten nur in eine Richtung übermittelt werden können (von den Informationslieferanten, wie Radargerät, in den Computer), wird eine Interaktion zwischen den beiden Geräten vermieden, der Prototyp kann also keinesfalls in Funktionen des Schiffes eingreifen; diese Eigenschaft dient auch der Sicherheit des Gerätes. Desweiteren vervollständigt eine digitalisierte Seekarte den Datenvorrat, auf den im Ganzen oder in beliebigen Teilen zu gegriffen werden kann.
Zur Feststellung der Betrachterposition dient in diesem Beispiel ein optisches Verfahren:
Über einen kleinen Infrarotgeber, den der Schiffsführer an geeigneter Stelle mit sich trägt, und zwei zu beiden Seiten der Projektionsfläche angebrachte IR-Empfänger werden Winkel ermittelt, die die Berechnung der genauen Position des Senders und somit des Betrachters erlauben. Die Empfangsschaltungen sind jeweils in einem Zylinder mit einer schmalen senkrechten Öffnung (Schlitz) untergebracht. Einerseits soll dadurch das Foto-Empfangselement gegen die Lichteinflüsse der Umgebung abgeschirmt werden, andererseits wird durch die relativ kleine Öffnung der Empfangsbereich eingeschränkt, was die erforderliche Genauigkeit bei der Winkelbestimmung und allen damit zusammenhängenden Berechnungen ermöglicht. Das gesamte Bauelement wird ohne Unterbrechung und mit konstanter Geschwindigkeit um seine Symmetrieachse gedreht. Gleichzeitig werden zwei verschiedene Lochscheiben über einfache "Getriebe" mitgedreht, deren Hell- und Dunkelphasen von Gabellichtschranken registriert werden und einer Zählschaltung als Zählimpuls dienen. Die beiden Schaltungen sind so koordiniert, daß die erste Schaltung die Phasen registriert, in denen die Empfangsöffnung den Bereich durchläuft, in dem ein mögliches Signal überhaupt nur aufgenommen werden kann. Ist dies der Fall, so wird der zweite Zähler freigegeben, der dann den aktuellen Winkel des Schlitzes bestimmt. Aus den Werten der beiden Zähler, die an den Computer übermittelt werden, bestimmt dieser einen Schnittpunkt, der die Betrachterposition darstellt. Die Signale des mobilen IR-Senders gelangen indirekt über einen 45°-Spiegel und eine halbkugelförmige Sammellinse zum eigentlichen Empfangselement, so daß die Platine der Empfangsschaltung vorteilhafterweise stationär und stabil im oberen Ende des Zylinders untergebracht wird. Die auf den notwendigen Pegel verstärkten Signale werden an den Computer weitergegeben und dort ausgewertet. Der Winkel, unter dem das stärkste Signal registriert wird, ist Grundlage für alle nachfolgenden Berechnungen. Die so per Computer ermittelten Positionsdaten des Betrachters werden aus den unter der Überschrift "Lösung der Aufgabe" genannten Gründen und in der dort beschriebenen Weise bei der Darstellung der Bilddaten berücksichtigt.
Das reale Abbild der Wirklichkeit liefert im Falle des hier beschiebenen Prototyps ein CCD-Kameramodul mit vorgebautem Zoom. Die Anpassung des Zoomfaktors des virtuellen Bildes erfolgt computergesteuert unter Zuhilfenahme der oben beschriebenen Betrachterposition. Zur Steuerung des Kameramoduls (Drehung um seine Achsen) und des Zooms ist in diesem Beispiel ähnlich wie bei den Sensoren zur Betrachterpositionsbestimmung eine mechanische Einrichtung (Abb. 2) notwendig, die mit Hilfe von Motoren sowohl eine Kippbewegung (Nicken der Kamera) als auch eine veränderbare Ausrichtung nach links bzw. rechts (Gieren) ermöglicht. Bei der Mechanik ist vor allem zu bedenken, daß das "Kopfschütteln" (also das Gieren) eine höhere Priorität als die Kippbewegung haben sollte.
Die Steuerung der Motoren erfolgt bei dem Beispiel über ein Steuerungsmodul. Die Schaltung enthält eine Zählkette, so daß Zahlen von 0 bis 255 eingesetzt werden können. Über die Zählvorrichtung gibt der Computer die Anzahl der zu laufenden Schritte und damit den einzustellenden Winkel vor (Sollwert). Durch das Setzen eines Flip-Flops wird die Laufrichtung der Motoren gewählt. Über eine Lochscheibe in Verbindung mit einer Gabellichtschranke werden die Zählimpulse für die Zählkette geliefert, die dann vom gesetzten Wert bis Null zurückzählt und die Stromversorgung des Motors bei Erreichen dieses Wertes selbsttätig unterbindet. Allerdings muß die Zählfunktion uneingeschränkt erhalten bleiben, ohne daß der Motor wieder anfängt zu laufen, damit der Computer durch Auslaufen des Motors entstandene Abweichungen von der. Zielposition feststellen und nötigenfalls korrigieren kann. Dieses Problem wird wie die Laufrichtung über ein Flip-Flop gelöst, das zeitgleich mit dem Load-Signal des Zählers zurückgesetzt wird und so die normale Lauffunktion wieder freigibt. Um eventuellen Fehlern durch Schrittverschiebungen während des Betriebes vorzubeugen und die Kamera beim Start der Anwendung auf einen Nullpunkt auszurichten, ist eine weitere Funktion eingebaut worden. Der Computer hat die Möglichkeit durch ein Init-Signal ein drittes Flip-Flop zu setzen, was unabhängig vom Zählerstand den Motor so lange rückwärts laufen läßt, bis dieser gegen einen im gesetzten Referenzpunkt angebrachten Schalter läuft, der dann die Stromversorgung unterbindet und das Flip-Flop zurücksetzt. Ferner ist zwischen Steuerplatine und Motor ein Leistungstreiber aus vier Leistungstransistoren geschaltet. Über den Computer werden also die Richtung und der zu erreichende Winkel bzw. die Zoomstärke sowie die "Eichfunktion" eingestellt und durch die Rücksendung der aktuellen Zählerwerte kontrolliert, wobei das oben beschriebene Prinzip für alle Motoren gleich ist.
Die Überlagerung der virtuellen (digitalen) und realen (analogen) Bilddaten findet bei diesem Beispiel in einem externen Genlock Overlayer statt. Das schließlich projizierte Bild entsteht aus dem Zur-Deckung-Bringen der zeitgleich gelieferten, verschiedenen Bilddaten. Da zur Erstellung des virtuellen Bildes immer die aktuellen Daten aller Informationslieferanten (Radargerät, Seekarte etc. aber auch die Sensoren zur Bestimmung der Betrachterposition und die momentanen Kameraeinstellungen) benutzt werden, stellen beide Einzelbilder denselben Zeitmoment sowie die gleichen Objekte aus derselben Perspektive dar. Erst diese Tatsache macht das Überlagern der Bilder sinnvoll.
Für die hier beschriebene mögliche Ausführung der Entwicklung ist zur sichtbaren Darstellung ein Videoprojektor mit Leinwand gewählt worden.
Wie in den vorangehenden Abschnitten immer wieder erwähnt, ist die Software (Abb. 3) zentrale Zusammenlaufstelle der einzelnen Datenkomponenten. Hier werden die Seekarten- und Radardaten unter Berücksichtigung der Betrachterposition in ein virtuelles Bild umgesetzt. Die Kamera wird ebenso wie der Zoom von hier aus gesteuert, und die Auswertung sämtlicher Daten erfolgt über die Software. Einzige noch nicht erwähnte Funktion der Software ist das "Logbuch". Hier werden während des Betriebes die Daten der Navigationsmittel und die Kameraeinstellungen mit Zeitpunkt aufgezeichnet und gespeichert ("Blackbox").
Zur Erzeugung des virtuellen Bildes muß zunächst eine Database aller Objekte, die dargestellt werden sollen, zusammengestellt werden. In unserem Beispiel sind dies die Daten der Seekarte, Daten über bewegte Objekte in der Umgebung, die Route, die eigene Fahrtrichtung, Geschwindigkeit und die Drehgeschwindigkeit des Schiffes.
Diese Objekte werden dann zu einem virtuellen Bild verarbeitet. Dazu nötige Parameter sind die Position des Schiffes innerhalb der Seekarte, die Ausrichtung des Schiffes "rechtvoraus", sowie die Kameraeinstellungen. Von dem Betrachter aus werden virtuelle Linien zu den Objektpunkten der Objekte in der Database gezogen. Deren Schnittpunkte mit der (virtuellen) Leinwand ergeben die Koordinaten des Objektes auf der Leinwand. Verzerrungen durch Drehung der Kamera oder durch das eingestellte Zoom müssen vorher kompensiert werden, indem die virtuelle Leinwand entsprechend der Kameradrehung auch gedreht und entsprechend des Kamera-Zooms vergrößert oder verkleinert wird.
Die zweite wichtige Funktion des Computers ist in unserem Beispiel die Verwaltung der Hardware-Elemente. Mittels eines eingestellten Timers lädt der Computer ständig den Status der einzelnen Motoren, die die Kamera einstellen, sowie die aktuellen gemessenen Intensitäten und Winkel der Sensoren, die die Betrachterposition feststellen. Aus diesen Daten werden auch permanent die benötigten Einstellungswinkel der Kamera berechnet, da durch diese Einstellungen die Existenz einer Leinwand o. ä. verschleiert werden soll. Die Einstellungswinkel werden laufend der Schaltung zugeführt, ebenso wird ständig der "Überlauf" der Motoren beim Abschalten gemessen und in die Berechnung eingeführt.
Als Computer haben wir ein System auf der Basis von Microsoft Windows gewählt, da das System hardwareunabhängig arbeiten kann; es ist aber auch jedes andere Betriebssystem denkbar.

Claims (10)

1. Verfahren zur Erleichterung der Navigation auf Schiffen, dadurch gekennzeichnet, daß Daten bekannter Navigationssysteme (zum Beispiel Seekarten, Radargeräte, GPS-Empfänger, Loran A/C, Autopiloten) zu einem dreidimensionalen virtuellen Bild verarbeitet und mit einem realen Bild zusammengeführt werden und dadurch das virtuelle Bild mit dem realen Bild in Deckung gebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das unter 1. genannte reale Bild entweder durch direktes Sehen oder durch eine Aufnahme (z. B. Videokamera) entsteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das unter 1. genannte zusammengeführte Bild auf eine Leinwand projiziert oder nach einem anderen Sichtverfahren (z. B. nach "Apple Technical Report #125", http://www.research.apple.com/areas/report/TR125/TR125.html) angezeigt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das unter 1. genannte virtuelle Bild auf eine halbdurchlässigen Fläche projiziert wird, wobei das reale Bild in diesem Falle direkt durch die Fläche beobachtet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Blickrichtung und der Sichtwinkel (Zoomfaktor) des zusammengeführten Bildes frei wählbar sind.
6. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine optisch-elektronische oder sonstige Positionsfeststellung des Beobachtenden dazu benutzt wird, um die im zusammengeführten Bild dargestellte Blickrichtung und den dazugehörigen Sichtwinkel (Zoomfaktor) entsprechend der festgestellten Position anzupassen.
7. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme des realen Bildes z. B. nachts oder bei Nebel ein entsprechendes Verfahren herangezogen wird (z. B. Infrarot, Radar, Röntgenstrahlen).
8. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme des realen Bildes außer den bisher genannten Verfahren auch noch solche der Unterwasserortung (z. B. Sonar, Mikrowellen, Ultraschall, sonstige Akustik, Radar) herangezogen werden.
9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Darstellung des zusammengeführten Bildes nicht durch einfache Projektion auf eine Fläche erfolgt, sondern durch Erzeugung eines holographischen räumlichen Bildes.
10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Komponenten des zusammengeführten Bildes durch besondere Darstellungsformen, wie z. B.
  • - Darstellung in verschiedenen Helligkeiten und/oder
  • - Darstellung in verschiedenen Farben und/oder
  • - Darstellung in verschiedenen Schraffuren, Karos usw. und/oder
  • - Darstellung in zeitlich, auch wechselzeitig blinkender Form und/oder
  • - andere derartige, durch den Computer oder mit optischen Mitteln erzeugbare Darstellungsformen sichtbar gemacht und dadurch deutlicher und/oder leichter erkennbar und voneinander unterscheidbar gemacht und dadurch die Effektivität des gesamten Verfahrens verbessert wird.
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