DE19921734C2 - Anordnung und Verfahren zur photoelektrischen Panoramaaufnahme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der stereoskopischen und monoskopischen photoelektrischen Bildaufnahme des dreidimensionalen Raumes im Vollkreis.

Für die stereoskopische Abbildung räumlicher Szenen im Vollkreis ist eine Anordnung gemäß DE 44 28 054 C1 bekannt, bei der zwei auf einer Basisstrecke angeordnete Zeilenkameras um eine gemeinsame Drehachse exzentrisch rotieren und dabei in tangentialer Richtung zwei Bilder aufzeichnen. Die erhaltenen elektrischen Signale werden in ein Rechnersystem eingelesen, in dem die numerische Verarbeitung und Bildgewinnung stattfindet. Dieser Anordnung haftet der Nachteil an, daß stets zwei baugleiche Zeilenkameras mit zugehörigem Abbildungsobjektiv vorhanden sein müssen.

Eine monoskopische Anordnung, bei der eine einzelne Zeilenkamera, deren optische Achse radial zur Drehachse des Aufsatzes ausgerichtet ist, um eine Achse gedreht wird, wurde in DE 44 28 055 A1 beschrieben.

In beiden Fällen stellt die erforderliche elektrische Verbindung zwischen den bewegten Zeilen­ kameras und der Auswerteeinheit ein konstruktives Problem dar, das in jedem Fall die Begren­ zung des maximal möglichen Drehwinkels zur Folge hat. Dies wiederum heißt, daß eine konti­ nuierliche und schnelle Drehbewegung, wie sie zum Erreichen einer Aufnahme bewegter Objekte in möglichst kurzer Zeit oder zur kontinuierlichen Aufnahme von Bildfolgen, z. B. bei Bewe­ gungsabläufen, erforderlich ist, nicht erreicht werden kann.

Bei einer anderen Anordnung gemäß DE 197 46 319 A1 wird die Umgebung über einen Rota­ tionsspiegel vertikal abgetastet, der seinerseits auf einer horizontalen Kreisbahn rotiert und dabei stets zwei stereoskopische Halbbilder aufzeichnet. Die abgetasteten Bildpunkte werden über ein Spiegelsystem so abgelenkt, daß bei beliebigen Horizontalwinkeln die optische Achse stets mit der Drehachse für die horizontale Kreisbahn übereinstimmt. Dadurch ist es möglich, die so abgetasteten Objektpunkte stets auf die gleiche Fläche eines Lichtsensors im feststehen­ den Unterteil zu projizieren und dort weiter zu verarbeiten. Mit einem zweigeteilten Transfor­ mator erfolgt die Übertragung der elektrischen Energie an den drehbaren Aufsatz. Das Problem dieser technischen Lösung besteht in der Abtastgeschwindigkeit pro Bild, die wegen der mecha­ nisch zu bewegenden Bauteile technisch beschränkt ist.

Ausschließlich für die monoskopische Panoramaaufnahme bestimmt ist eine stellvertretend in WO 97 50252 A1 beschriebene Anordnung, bei der ein horizontal ausgerichteter Konvexspiegel das Abbild der Umgebung im Vollkreis in eine gemeinsame Projektionsrichtung umlenkt. Hierbei tritt eine starke Verzerrung der Bildgeometrie und eine geometrisch sehr dichte Darstellung der Objekte auf, die bei einer endlichen Anzahl übertragbarer Bildpunkte zwangsläufig zu einer niedrigen Detailauflösung führt. Bei Anordnungen gemäß EP 816 891 A1 sind innerhalb einer solchen Anordnung zwar optische Detailvergrößerungen möglich, diese sind aber wieder nur auf ausgewählte Bildausschnitte anwendbar.

Neben den genannten spezialisierten Anordnungen ist auch eine Arbeitsweise bekannt, bei der Bildaufnahmekameras bekannter Bauart so gedreht werden, daß sie im Abstand bestimmter Winkelschritte Einzelbilder liefern, aus denen panoramaähnliche Bilder zusammengesetzt werden können. Eine dafür geeignete Positioniereinrichtung beschreibt beispielhaft die US 5,633,681. Neben der aufwendigen Aufnahmeprozedur und unnötig produzierter erheblicher Informationsredundanz besitzt diese Methode den Nachteil ungenauer Ergebnisse aufgrund der planaren Projektion der Einzelbilder. Zur stereoskopischen Bildaufnahme ist dieses Verfahren nicht geeignet.

Das der Erfindung zugrundeliegende Problem besteht darin, photoelektrische stereoskopische oder monoskopische Abbildungen oder Abbildungsfolgen in einem unbegrenzten Horizontal­ winkelbereich bei kontinuierlicher, mit bekannten Bildaufnahmegeräten vergleichbar schneller, Arbeitsweise und gleichbleibenden Abbildungsbedingungen für jeden beliebigen Aufnahmewinkel zu realisieren. Für stereoskopische Abbildungen sollen Projektionsobjektiv und optischer Sensor nicht doppelt vorhanden sein.

Das Problem wird durch die in den Ansprüchen 1 und 10 gekennzeichnete Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Anordnung besteht aus einem feststehenden Unterteil und einem mittels Drehantrieb drehbaren Aufsatz, in dem eine Zeilenkamera bekannter Bauart, bestehend aus einem Abbildungsobjektiv und einem photoelektrischen Zeilensensor, angeordnet ist. Entsprechend ihrer vorzugsweisen Gebrauchslage wird die Lage der Drehachse im folgenden bedingt als senkrecht angenommen, worauf sich alle weiteren Lagebezeichnungen wie horizontal und vertikal beziehen. Die optische Achse des Abbildungssystemes ist radial zur Drehachse des Aufsatzes und vorzugsweise horizontal angeordnet. Der Zeilensensor ist parallel zur Drehachse vertikal ausgerichtet.

Zumindest für die stereoskopische Ausführung ist der drehbare Aufsatz von einer topf- oder reifenförmigen Abdeckung umschlossen, die eine eigene, zur Drehachse des Aufsatzes konzen­ trische, Drehlagerung besitzt und mit dem drehbaren Aufsatz über eine Kupplung verbunden ist. Diese Kupplung verfügt über zwei oder drei Rastpositionen, die gleichmäßig über den Vollwinkel verteilt sind. Nur in diesen Positionen ist eine Drehmomentübertragung möglich. Zur Vermeidung mechanischer Überlastungen des Drehantriebes durch Blockieren der Abdeckung oder äußere Krafteinwirkung besitzt die Kupplung eine Kraftbegrenzung. Kupplungselemente sind wegen der Verschleißfreiheit vorzugsweise Permanentmagnete.

Im Mantel der Abdeckung sind über den Vollwinkel gleichmäßig verteilt ein oder mehrere Durchbrüche so angeordnet, daß jeweils einer davon die Eintrittsöffnung des Abbildungssy­ stemes vollständig freigibt, sofern die Drehwinkel des Aufsatzes und dessen Abdeckung einander entsprechen. Genau in diesen Winkelpositionen besitzt die Kupplung zwischen Aufsatz und Abdeckung die beschriebenen Rastpositionen.

Vorzugsweise für die stereoskopische Aufnahme ist in zwei der Durchbrüche je ein Prisma oder ein Spiegel so angeordnet, daß die optische Achse des Objektives in der horizontalen Ebene rechtwinklig abgelenkt wird, so daß sie den äußeren Umfang der Abdeckung tangiert. Beide Prismen oder Spiegel unterscheiden sich voneinander dadurch, daß sie die optische Achse in, bezogen auf eine Drehrichtung, zueinander entgegengesetzte Richtungen ablenken.

Je nachdem, in welcher der Vorzugsstellungen der drehbare Aufsatz und die Abdeckung zueinan­ der stehen, liegt die optische Achse des Abbildungssystemes also tangential vorwärts, tangential rückwärts oder radial zum Umfang der Gesamtanordnung, immer aber in ein und der selben Horizontalebene.

In der monoskopischen Variante kann auf die Abdeckung verzichtet werden, ihr Vorhandensein ist aber als mechanischer Schutz für den drehbaren Aufsatz und die Abbildungsoptik vorteilhaft.

Zum Umschalten von einer Rastposition in die andere ist zwischen dem feststehenden Unterteil und der drehbaren Abdeckung eine elektrisch steuerbare Bremse angeordnet, die während ihrer Aktivierung die Drehbewegung der Abdeckung blockiert, während der drehbare Aufsatz weitergedreht wird und das Haltemoment der Kupplung überwindet. Anstelle einer elektrisch steuerba­ ren Bremse kann auch eine drehrichtungsabhängige Bremse vorhanden sein, so daß ein Wechsel der Winkelstellung durch das Drehen des Aufsatzes in umgekehrter Richtung erzielt wird. Für die Kontrolle der jeweiligen Winkelpositionen sind im Unterteil an der Grenzebene zum Aufsatz und dessen Abdeckung geeignete optische Sensoren angeordnet.

In der beschriebenen Anordnung wirken drehbarer Aufsatz und Abdeckung zueinander wie Antrieb und Abtrieb. Konstruktiv oder funktionell kann es von Vorteil sein, diese Reihenfolge zu vertauschen, also den Drehantrieb mit der Abdeckung und den Aufsatz mit der Bremse zu verbinden.

Zur Energieübertragung für den Betrieb des Zeilensensors und der zugehörigen Baugruppen im drehbaren Aufsatz befindet sich zwischen ihm und dem Unterteil, konzentrisch zur Drehachse, ein geteilter elektromagnetischer Schalentransformator, der axial eine Mittelöffnung besitzt und dessen Kernhälften durch einen Luftspalt getrennt sind. Die untere Halbschale mit der Primär­ wicklung ist am feststehenden Untersatz befestigt, während die obere Halbschale mit der Sekundärwicklung im Aufsatz befestigt ist. Während der Drehbewegung bleiben der Luftspalt und die Stellung der Halbschalen zueinander unverändert.

Die Primärseite des Schalentransformators ist mit einer Transverterschaltung und die Sekundär­ seite mit einer Gleichrichter- und Stabilisierungsschaltung verbunden. Im Unterschied zum einleitend beschriebenen technischen Stand dient der Schalentransformator nicht nur der Ener­ gieübertragung, sondern auch der Synchronisation der Steuerungs- und Signalabläufe zwischen Unterteil und Aufsatz. Hierfür ist der Transverter mit dem gleichen Taktgenerator verbunden, wie weitere elektrische Baugruppen im Unterteil. Für die Übertragung von Steuersignalen vom Unterteil an den drehbaren Aufsatz ist der Transverter weiterhin mit einer Modulatorschaltung verbunden. Die Sekundärseite ist an eine Demodulations- und Impulsformerschaltung ange­ schlossen, um die übertragenen Signale zurückzugewinnen.

Das Ausgangssignal des Zeilensensors steuert über eine Verstärker- und Umformerschaltung einen Lichtsender - vorzugsweise eine Lichtemitterdiode - an.

Um das vom Lichtsender im drehbaren Teil ausgesendete Signal zurückzugewinnen, ist im Untersatz ein Lichtempfänger - vorzugsweise eine Photodiode - so angeordnet, daß der Strahlen­ gang des Lichtsenders den Schalenkern in dessen Mittelöffnung nach unten durchdringt und anschließend auf den Lichtempfänger trifft. Das im Untersatz zurückgewonnene elektrische Signal wird einem weiteren Verstärker zugeführt, wonach es zur Umwandlung, Speicherung oder Weiterverarbeitung mit bekannten Mitteln bereitsteht.

Alle Funktionseinheiten der Anordnung, insbesondere der Antrieb, die Kupplungselemente, sowie die Bilddatenverarbeitung, sind mit einer zentralen Programmsteuerung verbunden.

Einzelne der beschriebenen Funktionselemente können entfallen, sofern auf zugehörige Funk­ tionen verzichtet wird.

Zur Erleichterung der Orientierung kann die Anordnung mit weiteren Hilfsmitteln, wie Durch­ sichtsucher, Horizontierungslibelle, sowie Stativmaterialien zur Befestigung oder zum Ver­ schwenken und Bewegen auf vordefinierten Bahnen, ergänzt sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird zunächst für die Aufnahme eines monoskopischen Bildes beschrieben:
Durch Blockieren der Abdeckung und gleichzeitige Drehung des Aufsatzes wird die Winkelposi­ tion eingestellt, bei der die optische Achse des Objektives ohne Ablenkung radial nach außen tritt. Falls keine Abdeckung vorhanden ist, entfällt dieser Schritt. Nun werden drehbarer Aufsatz und Abdeckung gemeinsam auf die Drehzahl beschleunigt, mit der die Aufnahme erfolgen soll, wonach der eigentliche Aufnahmevorgang beginnt. Jeweils ein schmaler Streifen des abzubilden­ den Objektes wird auf den Zeilensensor projiziert und punktweise in elektrische Signale umge­ wandelt, bevor der nächste Streifen aufgezeichnet wird, während sich der gesamte Aufsatz um einen kleinen Winkelschritt weitergedreht hat, und so weiter. Hat der Aufsatz schließlich eine Umdrehung vollendet, so entsteht durch Zusammenfügen aller Einzelstreifen ein vollständiges Rundumbild, als wäre es auf einen Zylinder projiziert worden. Jedem dieser Streifen entspricht ein Winkelschritt des aufgezeichneten Panoramas. Da der linke Rand des Bildes dem gleichen Bildwinkel wie dessen rechter Rand entspricht, könnte das Bild auch an einer beliebigen Stelle geteilt und mit den bisherigen Bildrändern neu zusammengefügt werden.

Um eine ausgewogene Belichtung zu erzielen, kann dem eigentlichen Bildaufnahmevorgang eine Vorabaufnahme zur Ermittlung des Belichtungsprofiles vorausgehen, deren Ergebnis an­ schließend die Kameraempfindlichkeit in Abhängigkeit vom Horizontalwinkel steuert.

Der Aufnahmewinkel kann über die Programmsteuerung auch auf jeden Wert, der kleiner als ein Vollwinkel ist, begrenzt werden. Über einen weitwinkeligen Durchsichtsucher mit Bildfeldmar­ kierungen erfolgt dabei die Ausrichtung der Aufnahmeanordnung in Bezug auf das aufzunehmende Objekt.

Bei der Aufnahme eines stereoskopischen Doppelbildes läuft prinzipiell der gleiche Vorgang ab, wie beschrieben. Im Unterschied dazu werden jedoch zwei Bilder nacheinander aufgezeichnet - zunächst ein Bild mit Ablenkung der optischen Achse durch das erste Prisma in die eine Rich­ tung und anschließend ein Bild mit Ablenkung durch das zweite Prisma in die andere Richtung. Erfolgt danach die Zusammensetzung der beiden Bilder so, daß der linke Rand des einen Bildes dem gleichen Bildwinkel wie der linke Rand des anderen Bildes entspricht, so sind diese beiden Bilder als stereoskopisches Doppelbild zu verarbeiten. Gleicher Bildwinkel bedeutet, daß die tangential abgelenkte optische Achse bei der ersten Aufnahme in die gleiche Richtung zeigt, wie bei der zweiten, jedoch um den Durchmesser der Kreisbahn parallelverschoben. Diese Bedingung ist genau jene, die für eine stereoskopische Abbildung vorausgesetzt werden muß, trifft aber hier für jeden weiteren Bildwinkel - bis hin zum Vollkreis - immer zu.

Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung nachstehend erläutert werden.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung in erfindungsgemäßer stereo- und monoskopischer Ausführung in Seitenansicht, während Fig. 2 die Anordnung der abbildenden Elemente in Draufsicht zeigt. Auf einem feststehenden Unterteil 1 ist ein mittels Drehantrieb 2 drehbarer Aufsatz 3 befestigt. In diesem Aufsatz befindet sich eine Zeilenkamera, bestehend aus dem Abbildungsobjektiv 4 und dem photoelektrischen Zeilensensor 5. Die Abdeckung 6 mit einer eigenen Drehlagerung 7 umschließt den drehbaren Aufsatz und wird über eine Kupplung, bestehend aus drei Mitnehmer­ magneten 8 in einem Winkel von jeweils 120 Grad von diesem mit angetrieben. Im Mantel der Abdeckung befinden sich in gleichen Winkelschritten drei Durchbrüche in der Größe der Ein­ trittsöffnung des Objektives, von denen zwei mit je einem Prisma 9, 10 und eine mit einer Glas­ scheibe 11 verschlossen ist. Die Austrittsöffnung der beiden Prismen zeigen in unterschiedliche Richtungen, bezogen auf die Drehbewegung der Abdeckung. Je nach Stellung zwischen drehba­ rem Aufsatz und Abdeckung zueinander tritt die optische Achse 12 des Abbildungssystemes tangential vorwärts, tangential rückwärts oder radial zum Außenmantel aus. Zum Umschalten von einer Rastposition in die andere dient die Bremse 13, die von einem Elektromagneten 14 betätigt wird. Zur Kontrolle der jeweiligen Winkelpositionen befinden sich im Unterteil zwei Reflexkoppler 15 und 16, von denen die Code-Skalen 17 und 18 an den Unterseiten von Aufsatz und Abdeckung abgetastet werden. Zur Stromversorgung des drehbaren Aufsatzes dient der geteilte elektromagnetische Schalentransformator 19, der primär mit einer Transverter- und Modulatorschaltung 25 und sekundär mit einer Demodulator- und Impulsformerschaltung 26 verbunden ist.

Ein zentraler Taktgenerator 20 ist mit den Elementen im Unterteil, wie auch über den Schalen­ transformator mit den Elementen im drehbaren Aufsatz verbunden. Der Signalausgang des Zeilensensors ist über den Verstärker 21 mit der Lichtemitterdiode 22, die sich im Mittelloch der oberen Transformator-Halbschale befindet, verbunden. In der unteren Transformator-Halbschale befindet sich im Strahlungskegel der Lichtemitterdiode die Photodiode 23, die mit der Auswerte­ schaltung 24 verbunden ist.

Claims (12)

1. Anordnung zur photoelektrischen Panoramaaufnahme mit einer auf einem drehbaren Aufsatz befestigten Zeilenkamera, deren optische Achse radial zur Drehachse des Aufsatzes ausge­ richtet ist, wobei zur Übertragung der Energie für die Baugruppen im drehbaren Aufsatz ein elektromagnetischer Schalentransformator mit einer Mittelöffnung so angeordnet ist, daß koaxial zur Drehachse die erste Halbschale mit der Primärwicklung im feststehenden Unterteil und die zweite Halbschale mit der Sekundärwicklung im drehbaren Aufsatz befestigt ist und zwischen beiden Halbschalen ein Luftspalt besteht und daß zur Übertragung der Bildsignale vom drehbaren Aufsatz in das feststehende Unterteil eine optoelektronische Übertragungsstrecke, bestehend aus einem photoelektrischen Sender im Aufsatz und einem photoelektrischen Empfänger im Unterteil, zentrisch zur Drehachse angeordnet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der drehbare Aufsatz von einer topf- oder reifenförmigen Abdeckung mit einer eigenen, zur Drehachse des Aufsatzes konzen­ trischen, Drehlagerung umschlossen und mit dieser über eine Kupplung mit mindestens zwei Rastpositionen verbunden ist und daß die Abdeckung mindestens einen Durchbruch aufweist, der jeweils bei einer der Rastpositionen den Projektionsweg der Zeilenkamera freigibt.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Durchbrüche eine optische Umlenkeinrichtung aufweist, die den Projektionsweg der Zeilen­ kamera in eine andere Richtung ablenkt.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die topf- oder reifenförmi­ ge Abdeckung über eine elektrisch steuerbare oder drehrichtungsabhängige Bremse mit dem Unterteil verbunden ist.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der drehbare Aufsatz über die topf- oder reifenförmige Abdeckung und die Kupplung mit dem Drehantrieb und über eine elektrisch steuerbare oder drehrichtungsabhängige Bremse mit dem feststehenden Unter­ teil verbunden ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Taktgenerator sowohl mit der Primärwicklung des geteilten Schalentransformators, wie auch mit weiteren elektrischen Baugruppen im Untersatz verbunden ist.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Modulatorschaltung mit der Primärwicklung des geteilten Schalentransformators und eine Demodulatorschaltung mit dessen Sekundärwicklung verbunden ist.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Funktionseinheiten der Anordnung mit einer zentralen Programmsteuerung verbunden sind.

9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erleichterung der Orientie­ rung weitere Hilfsmittel, wie Durchsichtsucher, Horizontierungslibelle, sowie Stativma­ terialien zur Befestigung oder zum Verschwenken und Bewegen auf vordefinierten Bahnen, vorhanden sind.

10. Verfahren zur photoelektrischen Panoramaaufnahme, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Anordnung gemäß Anspruch 2 der drehbare Aufsatz gegenüber der Abdeckung durch zeitweises Blockieren des einen und gleichzeitiges Drehen des anderen Teiles zunächst so gegeneinander verdreht wird, daß einer der vorhandenen Durchbrüche den Strahlengang des Objektives freigibt und in dieser Relativposition eine gemeinsame Drehbewegung beider Teile vollzogen wird, während die Zeilenkamera eine Anzahl von Einzelstreifen abbildet und bei Bedarf, nach erfolgter Aufnahme, Aufsatz und Abdeckung so gegeneinander verdreht werden, daß entweder ein anderer Durchbruch den Strahlengang des Objektives für eine weitere Aufnahme freigibt, oder die Aufnahmeoptik zu ihrem Schutz verschlossen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß nacheinander wenigstens zwei Aufnahmen aus unterschiedlichen Durchbrüchen erfolgen, von denen wenigstens einer gemäß Anspruch 3 eine optische Umlenkeinrichtung besitzt, so daß zumindest eine der Aufnahmen mit einem zur Drehbewegung tangentialen Strahlverlauf erfolgt und das zwei der so aufge­ zeichneten Bilder zu einem stereoskopischen Doppelbild zusammengesetzt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß vor Beginn des eigentlichen Bildaufnahmevorganges eine Vorabaufnahme zur Ermittlung des Belichtungsprofiles erfolgt, deren Ergebnis anschließend bei der Bildaufnahme die Kameraempfindlichkeit in Abhängig­ keit vom Horizontalwinkel steuert.