DE19961428C2

DE19961428C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Visualisieren eines Vorganges zu einem definierten Zeitpunkt

Info

Publication number: DE19961428C2
Application number: DE19961428A
Authority: DE
Inventors: Florian Maier
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-12-17
Filing date: 1999-12-17
Publication date: 2002-03-07
Anticipated expiration: 2019-12-18
Also published as: DE19961428A1

Abstract

Das Verfahren dient zum Visualisieren von komplizierten Kurzzeitvorgängen, die mit bisherigen Methoden nur schwer zugänglich sind. Mit dem Verfahren wird zu einem definierten Zeitpunkt das zu untersuchende Obejkt aus systematisch unterschiedlichen Perspektiven mit digitalen Fotokameras optisch erfaßt, die digitalisierten Bilder automatisiert ausgelesen, abgespeichert und entsprechend verarbeitet. Vorzugsweise lassen sich diese Bilder zu einem bewegten Betrachtungsvorgang um den scheinbar eingefrorenen Kurzzeitvorgang um den scheinbar eingefrorenen Kurzzeitvorgang zusammenstellen und gegebenenfalls dreidimensional betrachten. Die Erfindung ermöglicht es daher, mit einfachen und somit kostengünstigen Mitteln den Vorgang an dem zu beobachtenden Objekt in ausgezeichneter räumlicher Auflösung aus verschiedenen Perspektiven zu betrachten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Visualisieren eines Vorganges aus unterschiedlichen beliebig benachbarten Perspektiven zu einem defi nierten Zeitpunkt innerhalb einer bewegten Szene.

Dies wird durch die gleichzeitige Aufnahme einer bewegten Szene mit mehreren Kameras erreicht, deren Standbilder später nacheinander abgespielt werden und so eine Kamerabewegung zu einem definierten Zeitpunkt ermöglichen.

Stand der Technik

Bekannt ist ein Verfahren, das es ermöglicht, eine reale gefilmte Szene "einfrieren" zu lassen; d. h. bei der sich die Kamera um die "eingefrorene" Szene scheinbar her umbewegen lässt. Dies wird im Rahmen eines "special effects" beispielsweise in Ki noproduktionen angewandt.

Zur Realisierung eines derartigen Verfahrens ist aus der PCT-Anmeldung WO 96/19892 A1 eine Vorrichtung zur Erzeugung einer zeitunabhängigen virtuellen Kame rabewegung innerhalb einer Filmszene bekannt, mit der ein Objekt beispielsweise mit mehreren, untereinander verbundenen Fotokameras zu einem definierten Zeitpunkt aufgenommen wird. Dabei wird ein herkömmlicher zu belichtender Film verwendet, der durch alle lichtdicht miteinander verbundenen Kameras verläuft und über eine mit Lochmasken ausgestattete Auslösevorrichtung gleichzeitig belichtet wird. Dieser be lichtete Film wird in ein Magazin eingezogen. Die aus verschiedener Perspektive auf genommenen Bilder werden anschließend durch geeignete Maßnahmen (z. B. durch Digitalisierung der Filmnegative auf CD) zu einem endgültigen Film zusammenge stellt und können in einer zeitlich virtuellen Abfolge (innerhalb eines Filmes) abgespielt werden.

Bei einer weiteren dort offenbarten Vorrichtung werden mehrere digitale Video- Fingerkameras in einer zweidimensionalen, biegbaren Haltering angeordnet. Die zu beobachtende bewegte Szene wird aus verschiedenen Höhen- und Seitenperspekti ven synchron aufgenommen und aus der Vielzahl der gleichzeitig aufgenommenen Videofilme kann ein beliebiger virtueller Videofilm mittels Computer zusammenge stellt werden, bei dem sich auch ein zeitliches "Rückwärtslaufen" eines Ereignisses darstellen lässt.

Problem

Nachteilig an diesem Verfahren bzw. der Vorrichtung ist das enorm aufwendige Auf nahmeequipment, und die kostenintensive Nachbearbeitung, die das vorliegende Verfahren ausschließlich für aufwendige "special effects" in Kinoproduktionen oder in der Werbung verfügbar macht.

Bei der Ausführung mit Fotokameras muss - abgesehen von der aufwendigen licht dichten Konstruktion der zusammenhängenden Kameras - das aufgenommene Mate rial entwickelt und anschließend eingescannt werden, um im PC auf digitalem Wege weiterverarbeitet werden zu können.

Bei der Ausführung mit digitalen Video-Fingerkameras werden zahlreiche zueinander korrespondierende digitale Bildsequenzen aufgenommen, wodurch eine überdimen sionale Menge von digitaler Bildinformation anfällt. Überdies kann es dabei vorkom men, dass der aufzunehmende Vorgang gerade zu dem interessierenden definierten Zeitpunkt aufgrund der Auslesetechnik eines CCD-Chips nicht erfasst wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, sowohl das genannte Verfahren als auch die entsprechende Vorrichtung vielseitig und kostengünstig mit einfacheren Mitteln umzusetzen. Hierbei soll die Priorität nicht auf dem (u. a. von der Filmbranche) bis lang ausschließlich angestrebten Unterhaltungseffekt beim Betrachten liegen, son dern es soll das Visualisieren von komplizierten Vorgängen in den unterschiedlichs ten Bereichen z. B. in der Forschung ermöglicht werden.

Problemlösung

Als Lösung hierfür schlägt die Erfindung ein Verfahren sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 10 vor.

Es werden also (wie in der einzigen Figur beispielhaft dargestellt) mehrere digitale Fotokameras um eine Szene (d. h. ein zu betrachtendes bewegtes Objekt) postiert, die alle über eine sogenannte Signalweiche in besonders einfacher Weise mit einem Datenverarbeitungsprogramm (z. B. eines PCs) verbunden sind. Als Signalweiche ist eine Schnittstelle zu verstehen, in der sämtliche Kamera-Signalausgänge einmünden und in der ein beliebiger dieser Eingänge abgegriffen werden kann. Die Kameras werden dann im festzuhaltenden Moment gleichzeitig ereignisgesteuert ausgelöst. Dies kann beispielsweise durch ein von einer Lichtschranke ausgelöstes Signal er folgen, das vom aufzunehmenden Ereignis selbstgesteuert ist. Dadurch ist sichergestellt, dass der interessierende Kurzzeitvorgang auch tatsächlich aufgenommen wird und die Menge der Bildinformationen im wesentlichen auf dieses Ereignis beschränkt ist.

Die so aufgezeichneten Bilder können auf zwei verschiedene Arten digital verarbeitet werden. Zum einen wird der bildverarbeitende PC manuell, beispielsweise durch ei nen Drucktaster, über die Signalweiche schrittweise mit jeweils einer anderen Kame ra verbunden und zwar derart nacheinander angesteuert, dass die Reihenfolge der Aufnahmebilder entsprechend der Kameraaufstellungen beibehalten wird (z. B. Ab griff im Uhrzeigersinn). Zum anderen können die digitalisierten Bilder softwarege steuert erfaßt werden. Dies wird erreicht, indem die Software jeweils ein digitalisier tes Bild in einer Datei erfasst, automatisch über die Signalweiche zwischen den Ka meras weiterschaltet und die dem jeweiligen Bild zugeordneten Dateien der Reihen folge entsprechend benennt. Die Dateien stehen dann als durchnummerierte Bildda teien zur Verfügung und können als Filmstreifendatei in ein entsprechendes Video bearbeitungsprogramm (z. B. Adobe Premiere®) importiert und als sogenanntes avi (Windows®-basierendes Filmformat) ausgegeben werden. Für das verlangsamte Ausspielen des Filmes ist ein Interpolieren per PC zwischen den einzelnen Aufnah men von Vorteil. Hier werden künstlich Bilder zwischen die Originalaufnahmen ge rechnet. Hierzu kann ein sogenanntes Morph-Programm verwendet werden (vgl. hierzu auch EP 0 520 179 B1).

Durch eine bevorzugte Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich da rüber hinaus auch eine dreidimensionale Darstellung dieser sogenannten Kamera fahrt erhalten. Durch die perspektivische Änderung beim Kameraschwenk läßt sich nämlich gemäß der Erfindung eine dreidimensionale Information gewinnen, die mit verschiedenen Möglichkeiten dargestellt werden kann. Hierzu bieten sich in besonde rer Weise zwei einfache Möglichkeiten an.

So kann zum bloßen Abspielen des Kameraschwenks eine bekannte Nuoptix®-3D- Brille zur dreidimensionalen Visualisierung verwendet werden. Durch die Kamera fahrt wird entsprechend dem Pulfrich-Effekt (siehe hierzu: Fernseh- und Kino- Technik, 45. Jahrgang, Nr. 3/1991, Seite 145 f) dem Betrachter eine dreidimensionale farbige Darstellung der stehenden Szene zuteil. Nachteil bei diesem Verfahren ist, daß der Film (und somit der Kameraschwenk) nicht angehalten werden darf, denn andernfalls würde die Szene ihre Dreidimensionalität verlieren.

Ein weiteres einfaches Verfahren nutzt das sogenannte Anaglyphenverfahren (siehe hierzu: Stereoskopie - Museum für Verkehr und Technik, Berlin [Gerhard Kemmer, 1989], Seite 88, ISBN: 3-9801602-1-2) und macht so das dreidimensionale Betrach ten der Szene auch im angehaltenen Zustand möglich. Hierbei wird eine Kopie des avi-Filmes erstellt, wobei der eine Film bevorzugt rot und der andere Film bevorzugt blau eingefärbt wird (die genaue Vorgehensweise ist aus einschlägiger Literatur be kannt). Diese beiden unterschiedlich eingefärbten Filme werden nun in besagtem Videobearbeitungsprogramm angemessen zueinander zeitlich verschoben und transparent zu gleichen Anteilen übereinandergerechnet. Bei Betrachten mit einer Anaglyphenbrille, bei der korrespondierend zur Einfärbung das eine Glas rot, das andere Glas blau eingefärbt ist, kann nun dem Film eine dreidimensionale Informati on entnommen werden. Ein Nachteil bei diesem Verfahren ist das Verlieren der Farb information. Um die Farbinformation beizubehalten, gibt es auch andere bekannte Möglichkeiten (z. B. das Polarisationsverfahren), mit denen die erfindungsgemäße Nutzung der Bildfolge erhalten werden kann, jedoch mit aufwendigeren Maßnahmen.

Erreichte Vorteile

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht also darin, dass das Verfahren auf grund seiner einfachen Maßnahmen - wie auch die entsprechende Vorrichtung auf grund ihres einfachen Aufbaus - in den unterschiedlichsten Bereichen, insbesondere auch in Forschungsinstitutionen verwendet werden können. So lassen sich kompli zierte und insbesondere für das Auge zu rasch ablaufende Vorgänge exakt im ent scheidenden Augenblick festhalten ("einfrieren") und in einer zusammenhängenden, plastischen Darstellung betrachten. Dieses Verfahren und die Vorrichtung tragen somit zu einer weitaus besseren Visualisierung bei und helfen, komplizierte Vorgän ge leichter zu begreifen oder überhaupt erst sichtbar zu machen. Die rein digitale Bilderfassung und -verarbeitung, u. a. über die Signalweiche, trägt merklich zu schnel leren Ergebnissen bei (Zeitersparnis) und ist erheblich kostengünstiger als bekannte Verfahren und Anordnungen.

Claims

1. Verfahren zum Visualisieren eines Vorganges aus unterschiedlichen beliebig be nachbarten Perspektiven zu einem definierten Zeitpunkt innerhalb einer beweg ten Szene mit folgenden Maßnahmen:

a) Ein Objekt wird mit mehreren digitalen Fotokameras, die auf einer stetigen Kurve angeordnet sind, aus verschiedenen Perspektiven zu einem definierten Zeitpunkt aufgenommen;
b) der definierte Zeitpunkt wird ereignisgesteuert ausgelöst;
c) die digitalisierten Bilder werden in einem Datenverarbeitungsprogramm in vor gegebener Reihenfolge über eine Signalweiche, an der die Ausgänge (Schnittstellen) jeder Fotokamera angeschlossen sind, aus den Fotokameras ausgelesen;
d) die ausgelesenen digitalen Bildsignale werden in Dateien eines Datenspei chers abgespeichert;
e) in einem Bildverarbeitungsprogramm werden diese Dateien in einer der Foto kamera-Aufstellung entsprechenden Reihenfolge aufgerufen und gegebenen falls Zwischenbilder berechnet;
f) die so erhaltenen Bilder werden zu einem Film über eine geeignete Software zusammengefaßt, und
g) der Film wird abgespielt und ggf. bei einer bestimmten Perspektive mit Stand bild angehalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ereignisgesteuerte Auslösung, beispielsweise durch physikalische Änderungen herbeigeführt wird, die durch den zu visualisierenden Vorgang selbst hervorgerufen werden.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotokameras auf einem Kreisbogen um das Objekt angeordnet sind.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kameras in gleichem benachbarten Abstand aufgestellt sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslesen der digitalen Bildsignale über die Signalweiche manuell gesteuert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslesen der digitalen Bildsignale über die Signalweiche programmgesteuert ab läuft.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dateien der Kameraposition entsprechend durchnummeriert werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Film zur dreidimensionalen Betrachtung mit einer dem Nuoptix®-3D- Prinzip entsprechenden Brille betrachtet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter zum ersten zeitlich verschobener Film, der auf Bewegungsgeschwindig keit und Augenabstand abgestimmt ist, erstellt wird, wobei hiervon ein Film dem linken Auge und der andere Film dem rechten Auge des Betrachters über eines der bekannten geeigneten 3D-Verfahren zugeordnet wird.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit folgenden Merkmalen:

a) mehrere digitale Fotokameras, die auf einer stetigen Kurve angeordnet sind und auf den aus verschiedenen Perspektiven aufzunehmenden Vorgang fo kussiert sind;
b) eine Auslösevorrichtung für die Bildaufnahme, die von dem aufzunehmenden Ereignis angesteuert ist;
c) eine Signalweiche, an der eingangsseitig die Ausgange (Schnittstellen) jeder Fotokamera angeschlossen sind;
d) ein an die Signalweiche ausgangsseitig angeschlossener PC
mit einem Daten-Verarbeitungsprogramm, das die digitalisierten Bilder in vorgegebener Reihenfolge über die Signalweiche aus den Fotokameras auslesen kann;
mit einem Datenspeicher, in dem die ausgelesenen digitalen Bildsignale in Dateien abgespeichert werden können;
mit einem Bildverarbeitungsprogramm, in dem diese Dateien in einer der Fotokamera-Aufstellung entsprechenden Reihenfolge aufgerufen und ge gebenenfalls Zwischenbilder berechnet werden können;
mit einer geeigneten Software, mit der die so erhaltenen Bilder zu einem Film zusammengefasst werden können,
e) eine Abspielvorrichtung für den Film ggf. mit Standbildmöglichkeit.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotokameras auf einem Kreisbogen um das Objekt angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotokameras in gleichem benachbarten Abstand aufgestellt sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet durch eine dem jeweiligen 3D-Prinzip entsprechende Brille, durch die der Film dreidimensional betrachtet werden kann.