DE19757497C2

DE19757497C2 - Optische Überwachungsvorrichtung

Info

Publication number: DE19757497C2
Application number: DE1997157497
Authority: DE
Inventors: Peter Voigt
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1997-12-23
Filing date: 1997-12-23
Publication date: 2002-07-11
Anticipated expiration: 2017-12-24
Also published as: DE19757497A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Über wachungsvorrichtung zur kontinuierlichen Überwachung eines Raumes, mit einer elektronischen Kamera mit einem Objektiv.

Die Kameras derartiger Überwachungsvorrichtungen sind in der Regel für die Abbildung von Bildebenen optimiert und haben deshalb nur einen kleinen Öffnungswinkel von 10°-20°. Zur vollständigen Überwachung eines Raumes werden daher mehrere in verschiedenen Richtungen ausge richtete Kameras benötigt. Ferner müssen für besonders interessierende Bereiche eines Raumes, die vergrößert dargestellt werden sollen, weitere Kameras vorgesehen werden. Durch die Vielzahl der Kameras entsteht bei der Überwachung eines Raumes eine große Menge von Bildda ten, die übertragen, überwacht und/oder abgespeichert werden müssen. Ein Engpaß kann dabei insbesondere bei der Übertragung von Bilddaten über Funk auftreten, wie dies beispielsweise bei der ortsfesten Überwachung von bewegten Fahrzeugen, Flugzeugen, Schiffen etc. unver meidlich ist. Beim Einsatz von teuren Weitwinkel-Objek tiven zur Raumüberwachung wird zwar ein großer Raum winkel erfaßt, interessierende Bereiche werden aber ggf. sehr klein und ungenau dargestellt.

In WO 92/03806 ist eine optische Überwachungsvorrichtung mit elektronischer Kamera und einem feststehenden rota tionssymmetrischen Raumspiegel dargestellt. Zur Über wachung eines nicht-kreisrunden Raumes können mit der artigen Raumspiegeln nur Teilbereiche eines Raumes scharf abgebildet und erfaßt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine effektivere Raum- Überwachungsvorrichtung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der Raumspiegel weist an verschiedenen Raumspiegel-Orten verschiedene Spiegelkrümmungen auf. Die aus der Objek tivbrennweite und der Brennweite des jeweiligen Raum spiegel-Ortes resultierende Gesamtbrennweite, die die jeweilige Vergrößerung bestimmt, ist also nicht gleich für alle Raumspiegel-Orte. Der Raumspiegel ist als nicht-symmetrische Freifläche mit einer Vielzahl ver schiedener Spiegelkrümmungen ausgebildet, so daß sich ortsabhängig verschieden Gesamtbrennweiten ergeben. Der Raumspiegel kann dadurch an den zu überwachenden Raum angepaßt werden, derart, daß die interessierenden Berei che eines Raumes relativ groß, mit großer Brennweite, und die nicht interessierenden Bereiche eines Raumes relativ klein, mit kleiner Brennweite, oder gar nicht dargestellt werden. Dadurch ist gewährleistet, daß die interessierenden Raumbereiche durch die Kamera mit einer hohen Auflösung dargestellt werden, während die nicht interessierenden Bereiche mit einer niedrigen Auflösung dargestellt werden. Auf diese Weise wird eine sehr ef fektive Ausnutzung der begrenzten Auflösung einer elek tronischen Kamera realisiert.

Da bei der Verarbeitung, Übermittlung und Speicherung der Raumüberwachung erheblich weniger Daten anfallen, lassen sich auf diese Weise auch Überwachungsvorrich tungen für Flugzeuge, Schiffe, Fahrzeuge etc. realisie ren, deren Bilddaten über Funkstrecken zu einer orts festen Einrichtung übertragen werden.

Die Anfertigung des Raumspiegels ist, gemessen an der Konstruktion und Herstellung einer entsprechenden Glas optik, die theoretisch denkbar wäre, sehr einfach und preiswert. Der Raumspiegel kann aus einem beliebigen Material gefertigt sein, das anschließend verspiegelt wird. Durch die relativ einfache Neuanfertigung eines Raumspiegels kann mit geringem Aufwand die Überwachungs vorrichtung an neue Gegebenheiten angepaßt werden. Der Raumspiegel kann auch aus einem verformbaren Material hergestellt werden, so daß die Form des Raumspiegels ständig an den gewünschten Überwachungsbereich angepaßt werden kann.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Kamera hinter der Raumspiegelfläche angeordnet, wobei der Raumspiegel eine Öffnung aufweist und vor dem Raumspiegel ein dem Raumspiegel zugewandter Umlenkspiegel angeordnet ist. Das Kamera-Objektiv ist durch die Raumspiegelöffnung hindurch auf den Umlenkspiegel gerichtet, der das von dem Raumspiegel erfaßte Raumbild in Richtung auf die Kamera umlenkt. Die Kamera ist also nicht direkt auf den Raumspiegel gerichtet, sondern über einen vor dem Raum spiegel angeordneten relativ kleinen Umlenkspiegel indi rekt auf den Raumspiegel gerichtet. Durch Vermeidung der exponierten Stellung der Kamera vor dem Raumspiegel ist die Kamera besser geschützt gegen Beschädigungen und Verstellungen. Der Raumspiegel, der Umlenkspiegel und die Kamera können eine einzige zusammenhängende Baugrup pe bilden.

Das Maß der Erfassung des Raumspiegels durch die Kamera kann auch variabel gehalten werden, indem das Kamera- Objektiv ein Zoom-Objektiv mit veränderbarer Brennweite ist. Dadurch können bei vorzugsweise schwenkbar ausge stalteter Kamera gewünschte Bereiche des Raumspiegels und damit des erfaßten Raumes stärker vergrößert und dadurch genauer betrachtet werden.

Vorzugsweise ist der Raumspiegel als Parabolspiegel ausgestaltet, in dessen optischer Achse die Kamera an geordnet ist. Dabei wird eine winkelgetreue Abbildung des Raumes realisiert.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Kamera eine Flugzeugüberwachungskamera zur Überwachung des Cock pits, eines Lagerraumes oder eines Passagierraumes eines Flugzeugs. Dabei kann eine Übertragungs-Vorrich tung zur Funk-Übertragung der Bilddaten der Kamera zu einer Empfangsvorrichtung außerhalb des Flugzeugs vor gesehen sein. Auf diese Weise ist die Möglichkeit der Raumüberwachung bestimmter Räume eines Flugzeuges ge schaffen. Durch die effektive Darstellung des Raumes durch eine einzige bzw. sehr wenige Kameras kann auf diese Weise die eigentliche Überwachung, d. h. die Kon trolle der Kamerabilder, vom Boden aus erfolgen.

Vorzugsweise ist eine Entzerrvorrichtung zum Entzerren des von der Kamera kommenden Bildes vorgesehen. Dadurch wird das stark verzerrte Bild der Kamera derart verän dert, daß es für einen Betrachter einfacher interpre tierbar ist.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Abbildun gen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Überwachungsvor richtung, bestehend aus Kamera und Raumspiegel;

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer Überwachungs vorrichtung bestehend aus Kamera, Raumspiegel und Umlenkspiegel,

Fig. 3 eine Draufsicht auf den Raumspiegel der Fig. 2,

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Flugzeugrumpf mit Überwachungsvorrichtungen zur Überwachung des Passagierraumes und des Frachtraumes, und

Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Flugzeugrumpf mit einer Überwachungsvorrichtung zur Überwachung des Cock pits und einer Überwachungsvorrichtung zur Über wachung des Passagierraumes.

In Fig. 1 ist eine Überwachungsvorrichtung 10 zur kon tinuierlichen Video-Überwachung eines Raumes darge stellt. Dieser Raum kann ein umschlossener Raum, bei spielsweise Wohnraum, Fahrzeug- oder Flugzeugkabine, sein, kann aber auch ein nicht umschlossener Bereich sein. Die Überwachungsvorrichtung 10 besteht aus einer elektronischen CCD-Kamera 12 mit einem Kamera-Objektiv 14 mit feststehender Fokussierung und aus einem Raum spiegel 16, der als rotationssymmetrischer Parabolkörper ausgebildet ist. Die Kamera 12 besteht aus einem Kamera gehäuse 13 und einem Kamera-Objektiv 14. Die Kamera 12 ist in der optischen Achse des Raumspiegels 16 vor dem parabolförmigen Raumspiegel 16 angeordnet und mittels zweier Haltestangen 18 an dem Raumspiegel 16 befestigt. Der Öffnungswinkel 15 des Objektivs 14 ist ungefähr 20° und wird bis auf einen Randbereich fast vollständig durch den Raumspiegel 16 ausgefüllt.

In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform einer Über wachungsvorrichtung 20 dargestellt, bei der das Kamera gehäuse 13 innerhalb eines Raumspiegelkörpers 22 mit einer unsymmetrischen Raumspiegel-Fläche 23 in einem Hohlraum 24 in der Mittelachse des Raumspiegelkörpers 22 angeordnet ist. Im Bereich der optischen Mittelachse des Raumspiegelkörpers 22 ist eine Öffnung 26 vorgese hen, in der eine Objektivlinse 28 angeordnet ist. In Fortsetzung der Öffnung 26 in der optischen Spiegelach se liegend ist ein planer kreisrunder Umlenkspiegel 30 angeordnet, der mit zwei Haltestäben 32 an dem Raum spiegelkörper 22 befestigt ist. Die Kamera 12 ist also hinter der Raumspiegelfläche 23 angeordnet und inner halb des Raumspiegelkörpers 22 geschützt untergebracht. Der Öffnungswinkel 29 des Objektivs 14 einschließlich der Objektivlinse 28 ist so groß, daß er von dem Um lenkspiegel 30 komplett ausgefüllt wird. Der zu über wachende Raum wird durch den Raumspiegel 23 und den Umlenkspiegel 30 von der Kamera 12 gesehen.

In Fig. 3 ist der Raumspiegel 23 der Fig. 2 in Drauf sicht dargestellt. Der Raumspiegel 23 ist weder plan, noch sphärisch, sondern als Freifläche ausgebildet. Die Form der Raumspiegelfläche 23 ist an die Geometrie des zu überwachenden Raumes angepaßt. Die nicht sichtbaren Höhenlinien 23 ₁, 23 ₂ zeigen, daß es sich im vorliegenden Fall um einen ungefähr eiförmig geformten Raumspiegel handelt, so daß die Höhenlinien 23 ₁, 23 ₂ ungefähr ellip tisch ausgebildet sind. Der Raumspiegelkörper 22 besteht aus Aluminium und ist auf der Außenseite verspiegelt. Der Raumspiegelkörper 22 kann auch aus anderen Materia lien, beispielsweise Kunststoff oder Metall, bestehen.

Die freie Formgebung der Raumspiegelfläche 23 ermöglicht eine der Geometrie des zu überwachenden Raumes angepaßte örtliche Vergrößerung und eine angepaßte Schärfenfläche. Interessierende Raumbereiche können dadurch vergrößert und mit hoher Schärfe durch die Kamera erfaßt werden.

Die Schärfenfläche wird aus allen Punkten gebildet, für die bei gegebener Vergrößerung die optische Abbildungs gleichung des gesamten optischen Systems gilt. Die Ab bildungsgleichung definiert die Entfernung des Ortes der größten Schärfe von dem Objektiv. Sie wird insbesondere bestimmt durch die Brennweite des Kamera-Objektivs, dem optischen Abstand des Kamera-Objektivs zum Raumspiegel, sowie der Brennweite, bzw. Krümmung, des Raumspiegels für jeden Raumspiegelort. Für jeden Raumspiegelort er gibt sich dadurch ein Punkt im Raum, für den die Abbil dungsgleichung erfüllt ist. Aus allen Raumpunkten für alle Raumspiegelorte ergibt sich eine Schärfenfläche, in deren Nähe alle Objekte scharf in der Kamera abgebildet werden.

Um eine Überwachungsvorrichtung optimal an den zu über wachenden Raum anzupassen, wird der Raumspiegel 23 so geformt, daß die interessierenden Raum-Bereiche ver größert dargestellt und die nicht interessierenden Raum- Bereiche verkleinert oder gar nicht dargestellt werden. Ferner wird bei der Form des Raumspiegels be rücksichtigt, daß die Schärfenfläche stets in dem Be reich liegt, der am meisten interessiert.

In den Fig. 4 und 5 sind Überwachungsvorrichtungen 20 in einem Flugzeug installiert dargestellt. In Fig. 4 ist zu sehen, daß, je nach räumlicher Gegebenheit, der Gesamtöffnungswinkel 38, 39 der Vorrichtungen 20 den jeweiligen Verhältnissen des zu überwachenden Raumes 41, 42 angepaßt ist. Eine Überwachungsvorrichtung 36 dient der Überwachung des Passagierraumes 41 eine an dere Überwachungsvorrichtung 37 dient der Überwachung des Frachtraumes 42 des Flugzeuges 35. Die Über wachungsvorrichtungen 36, 37 sind jeweils an der Raum decke angebracht und entsprechen der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Überwachungsvorrichtung 20, wobei der Umkehrspiegel 30 von der Raumdecke herabhängt.

Die Überwachungsvorrichtungen 36, 37 haben neben den verschiedenen Öffnungswinkeln 38, 39 auch eine vonein ander verschiedene Schärfenfläche 43, 44. In Fig. 5 ist für die Überwachungsvorrichtung 36 des Passagierraumes 41 eine Höhenlinie 43' der Schärfenfläche 43 darge stellt. Die Höhenlinie 43' zeigt, daß die durch den Raumspiegel 23 definierte Schärfenfläche nicht rota tionssymmetrisch sein muß, sondern eine beliebige Form haben kann.

In Fig. 5 ist ferner eine Überwachungsvorrichtung 48 für das Cockpit 50 des Flugzeuges 35 dargestellt, wobei der Raumspiegel dieser Überwachungsvorrichtung 48 der art ausgestaltet ist, daß die durch die Höhenlinie 52 dargestellte Schärfenfläche insbesondere im Bereich der Armaturen liegt.

Die Überwachungsvorrichtungen 36, 37, 48 des Flugzeugs 35 sind mit Übertragungsleitungen 54 mit einer Übertra gungs-Vorrichtung 56 verbunden, die die Bildsignale ggf. auswählt, in entsprechende Funksignale umwandelt und an eine Antenne 57 ausgibt. Die Funksignale werden von einer bodenseitigen nicht gezeigten Empfangsvor richtung empfangen und ausgewertet. Die empfangenen Signale werden in der Empfangsvorrichtung zunächst in einer Entzerrvorrichtung entzerrt, so daß eine für das menschliche Auge einfach interpretierbare Panoramadar stellung des jeweiligen Raumes des Flugzeuges 35 erfol gen kann.

Die Übertragungs-Vorrichtung 56 kann vom Cockpit aus oder aber auch über entsprechende Funksignale vom Boden aus gesteuert werden, so daß beispielsweise nur die Bilder einer ausgewählten Überwachungsvorrichtung zur bodenseitigen Empfangsvorrichtung übertragen werden. Mit der Übertragungs-Vorrichtung 56 können jedoch auch andere Funktionen, beispielsweise die Zoom-Funktion, d. h. Veränderung der Objektiv-Brennweite oder aber Ver schiebung der Schärfenfläche eingestellt werden.

Durch die individuelle Gestaltung des Raumspiegels kann die Vergrößerung bestimmter interessierender Bereiche sowie Schärfenflächenform an räumliche Gegebenheiten optimal angepaßt werden. Auf diese Weise läßt sich eine Raumüberwachung mit einer einzigen Überwachungskamera realisieren, ohne daß bestimmte Bereiche des Raumes nicht dargestellt werden können.

Claims

1. Optische Überwachungsvorrichtung zur kontinuierli chen Überwachung eines Raumes (41, 42), mit einer elektronischen Kamera (12) mit einem Objektiv (14; 28),
wobei ein von dem Objektiv (14; 28) entfernt ange ordneter feststehender konvexer Raumspiegel (16; 23) vorgesehen ist, und der Raumspiegel (16; 23) so angeordnet ist, daß das Objektiv (14; 28) den Raumspiegel (16; 23) und damit den von dem Raumspiegel (16; 23) abgebildeten Raum erfaßt,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Raumspiegel (16; 23) an verschiedenen Raumspiegel-Orten verschiedene Spiegelkrümmungen aufweist und eine nicht-rotationssymmetrische Frei fläche bildet, wobei die aus der Objektivbrennweite und der Brennweite des jeweiligen Raumspiegel-Ortes resultierende Schärfenfläche (43, 44) für alle Raumspie gel-Orte eine Fläche (43; 44; 43'; 52) ergibt, die an die Geometrie des zu überwachenden Raumes angepaßt ist.

2. Optische Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera (12) hinter der Raumspiegel-Fläche (23) angeordnet ist, der Raumspiegel (23) eine Öffnung (26) aufweist, und vor dem Raumspiegel (23) ein dem Raumspiegel (23) zugewandter Umlenkspiegel (30) angeordnet ist, wobei das Kamera-Objektiv (14, 28) durch die Raumspiegel-Öffnung (26) hindurch auf den Umlenk spiegel (30) gerichtet ist, der das vom Raumspiegel (23; 65) erfaßte Raumbild in Richtung auf die Kamera (12) umlenkt.

3. Optische Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera (12) eine Flugzeug-Überwachungskamera zur Überwachung des Cockpits (50), eines Frachtraumes (42) oder eines Passagierraumes (41) ist.

4. Optische Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Übertragungs-Vor richtung (56) zur Übertragung der Bilddaten der Ka mera (20) zu einer Empfangsvorrichtung außerhalb des Flugzeugs (35) vorgesehen ist.

5. Optische Überwachungsvorrichtung nach einem der An sprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ent zerrvorrichtung zum Entzerren des von der Kamera (12) kommenden Bildes vorgesehen ist.

6. Optische Überwachungsvorrichtung nach einem der An sprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kamera- Objektiv (14) ein Zoom-Objektiv mit veränderbarer Brennweite ist.

7. Optische Überwachungsvorrichtung nach einem der An sprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum spiegel (23) als Parabolspiegel ausgebildet ist, in dessen optischer Achse die Kamera (12) angeordnet ist.

8. Optische Überwachungsvorrichtung nach einem der An sprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Öff nungswinkel (15), die optische Entfernung zwischen Objektiv (14) und Raumspiegel (16) sowie die Größe des Raumspiegels (16) derart bemessen sind, daß der von dem Öffnungswinkel (15) erfaßte Bereich voll ständig durch den Raumspiegel (16) ausgefüllt wird.