DE202009004518U1

DE202009004518U1 - Digitalkamera zur Erzeugung vollsphärischer Aufnahmen bestehend aus optischem System und digitalem Bildsensor in einer neuartigen geometrischen Anordnung

Info

Publication number: DE202009004518U1
Application number: DE202009004518U
Authority: DE
Original assignee: Weiss Marcus Dr
Current assignee: Weiss Marcus Dr
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2009-12-10
Anticipated expiration: 2019-04-01

Abstract

Digitalkamera zur Erzeugung vollsphärischer Aufnahmen bestehend aus optischem System und digitalem Bildsensor in einer neuartigen geometrischen Anordnung, dadurch gekennzeichnet, dass ein optisches System mit einem diagonalen Öffnungswinkel von mindestens 180° vor einem Flächensensor angebracht wird in der Art, dass die Länge der Diagonale dem Bildkreisdurchmesser in der Schärfeebene entspricht und die dass die Projektion der Diagonale des Flächensensors parallel zur Drehachse ausgerichtet ist und der Nodalpunkt des optischen Systems lotrecht auf der Drehachse liegt und mit dieser Anordnung Aufnahmen bei verschiedenen Winkelpositionen in Bezug auf die Drehachse durchgeführt werden, so dass in den erstellten Aufnahmen alle Raumwinkel, bezogen auf die Lage des Nodalpunktes erfasst werden.

Description

Digitalkamera zur Erzeugung vollsphärischer Aufnahmen bestehend aus optischem System (7) und digitalem Bildsensor (1) in einer neuartigen geometrischen Anordnung.
Stand der Technik
Vollsphärischen Aufnahmen, sind Aufnahmen, die, bezogen auf einen Punkt im Raum in alle Richtungen (360° × 360°) wiedergeben. Solche Aufnahmen haben gegenüber herkömmlichen Aufnahmen, bei denen, abhängig von den verwendeten Objektivöffnungswinkeln nur ein Ausschnitt der sichtbaren Welt erfasst wird verschiedene Vorteile. So kann in einem Bild jede Blickrichtung und mit gewissen Aufnahmetechnologien auch jede Helligkeit erfasst werden. Für Anwendungen der Dokumentation ergeben sich hierdurch die Vorteile, dass kein Detail übersehen werden kann, außerdem ergeben sich vereinfachte Verfahren bei Methoden der 3D Rekonstruktion und Fotogrammetrie und sie eignen sich hervorragend als Lichtkarten zum Beleuchtung virtueller Objekte mit realen Umgebungen.
Die Erzeugung solcher Aufnahmen wurde erst durch die Verfügbarkeit digitaler Aufnahmetechnologien und der Bereitstellung entsprechender Anzeigeprogramme nennenswert nutzbar.
Zur Erzeugung einer geometrisch korrekten, vollsphärischen Aufnahme, ist es notwendig, dass alle erfassten Raumwinkel durch den gleichen Punkt im Raum auf den verwendeten Sensor abgebildet werden.
Da bisher keine optischen Systeme bekannt sind, die diese Eigenschaft erfüllen werden vollsphärische Aufnahmen aus Teilaufnahmen in verschiedene Raumwinkel erzeugt, die zeitversetzt aufgenommen werden.
Es ist prinzipiell möglich in der Bildebene des optischen Systems mit Filmmaterial zu arbeiten, im Nachfolgenden sollen jedoch nur digitale Sensoren behandelt werden, da filmbasierte Konzepte für vollsphärische Aufnahmen nur bedingt geeignet sind und in der Praxis keine Anwendung finden.
Bei der Erzeugung der Teilbilder werden scannende Konstruktionen unter Verwendung eines Liniensensors und Konstruktionen unter Verwendung eines Flächensensors jeweils kombiniert mit einem optischen System unterschieden.
Bei beiden Möglichkeiten muss der Nodalpunkt (6) des optischen Systems (7) für alle Aufnahmen in alle Richtungen an der gleichen Stelle im Raum liegen, da Objekte im Raum sonst bei Aufnahmen in verschiedene Aufnahmerichtungen unterschiedlich aufgenommen werden. Ein abbildungsrichtiges Zusammensetzen ist dann nicht mehr möglich. Daher muss sich die Anordnung aus optischem System (7) und Sensor (1) während des Aufnahmevorgangs um diesen Nodalpunkt (6) im Raum drehen, wie in 1 dargestellt.
Optische Systeme weisen fertigungsbedingt Abbildungsabweichungen über die Bildfläche ab und haben je nach Einfallswinkel zur Bildebene unterschiedlich stark ausgeprägte Abbildungsfehler, wie Verzeichnung, Abberation und Vignettierung.
Konstruktionen, die auf Zeilensensoren basieren haben den Vorteil, dass die Linsenfehler einfacher vermessen und entsprechend korrigiert werden können und die Abbildungsebene typischerweise durch die Mitte der optischen Linse geht, wo die Linsenfehler am geringsten sind. Nachteil von scannenden Konstruktionen ist die im Verhältnis zu flächigen Sensoren höhere Anzahl an notwendigen Einzelaufnahmen, da immer nur eine einzige Zeile pro Blickrichtung ausgelesen werden kann, wohingegen Flächensensoren gleich mehrere Blickrichtungen in einem Belichtungs- und Auslesevorgang erfassen können. Im Folgenden wird das Verfahren des Zusammensetzens aus flächigen Einzelaufnahmen betrachtet.
Hierbei ergeben sich fundamentale Unterschiede zwischen Verfahren, bei denen mit Hilfe eines optischen Systems (7) in eine Blickrichtung ein Bildwinkel von mindestens 180° auf dem Sensor abgebildet werden kann und solchen die darunter liegen.
Verfahren bei denen mindestens 180° Bildwinkel auf dem Sensor abgebildet werden, erlauben die vollsphärische Erfassung mit lediglich einer Drehung um eine Achse, wird weniger als 180° aufgenommen ist eine Drehung um zumindest 2 Achsen notwendig, um die gesamte Sphäre zu erfassen.
Bekannt sind einachsige Verfahren unter Verwendung zirkularer Fischaugen (somit Fischaugen, deren gesamter Bildkreisdurchmesser (4) mit mindestens 180° Öffnungswinkel (5) auf einen Sensor (7) abgebildet wird, (siehe 3).
Eine solche Anordnung ermöglicht die Erfassung der gesamten Sphäre mit wenigstens zwei Aufnahmen, die in einem angeschlossenen Berechnungsprozess zu einem Bild zusammengesetzt werden.
Aufgrund der optischen Eigenschaften von zirkularen Objektiven sind die erfassten Bilder mit erheblichen optischen Fehlern behaftet. Insbesondere im Randbereich der Aufnahme sind Verzeichnung und chromatische Abberation am höchsten und außerdem der abgebildete Raumwinkel in Bezug auf die verwendete Anzahl der Sensorpixel am geringsten. Jedoch ist genau dieser Bereich ausschlaggebend für das spätere Zusammensetzen (stitchen) des Gesamtergebnisses. Da Sensoren immer rechteckig aufgebaut sind wird bei dem Aufnahmevorgang nur eine begrenzte Fläche der zur Verfügung stehenden Sensorfläche ausgenutzt.
Um ein besseres Gesamtergebnis zu erreichen werden daher in der Praxis optische Systeme (7) mit einem Bildkreis (3) kleiner 180° verwendet. Hierdurch wird bei der Aufnahme mehr Sensorfläche für die Bildaufzeichnung ausgenutzt und es treten weniger optische Artefakte auf. Da Sensoren in verschiedenen Größen und Längen-Seiten Verhältnissen hergestellt werden, können unterschiedliche Bildausschnitte abgebildet werden. Um jeden Raumwinkel zu erfassen bedingt eine solche Vorgehensweise ein Verfahren bei dem das optische System (7) in zwei Richtungen gedreht wird, typischerweise sowohl horizontal als auch vertikal.
Dies ergibt in der Praxis einige Nachteile. Erstens erfordert der Aufbau eine Ausrichtung des optischen Systems (7) in zumindest zwei Achsen, was einen erhöhten mechanischen Aufwand und geometrisch bedingt einen erhöhten Platzbedarf erfordert. Des Weiteren verändern Linsengruppen bei Drehung um zwei Achsen fertigungsbedingt typischerweise durch veränderte Schwerkrafteinflüsse ihre Position zueinander und es die Anzahl an Einzelaufnahmen in verschiedene Richtungen erhöht sich.
Beides führt beim späteren Zusammensetzen zu weiteren technischen Schwierigkeiten, insbesondere, wenn diese Aufnahmen zu photogrammetrischen Messzwecken herangezogen werden sollen kommt es hierbei zu größeren Ungenauigkeiten als bei einachsigen Konstruktionen. Zum anderen sind die Bereiche, die mehrfach aufgenommen werden und somit beim späteren Verrechnungsprozess wieder herausfallen größer. Dies hat einen erhöhten Speicherbedarf bei den Rohdaten und erhöhten Rechenaufwand beim Übertragen und Zusammensetzen der Einzelbilder zum Gesamtergebnis zur Folge.
Aufgabenstellung
Gesucht wird ein technische Ausführung, bei dem einerseits beim späteren Zusammensetzen möglichst viel der aufgenommenen Bilddaten in das Gesamtergebnis einfließen (wenig überlappende Bereiche), die Drehung um lediglich eine Achse erfolgt und die Bereiche im Abbildungskreis des optischen Systems möglichst gute optische Eigenschaften aufweisen (Minimum an Verzeichnung, chromatischer Abberation und Vignettierung).
Erfindungsgemäße technische Lösung
Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch die Verwendung eines optischen Systems (7) mit einem Bildöffnungswinkel (5) von 180° (bekannt unter der Bezeichnung Diagonalfischauge) und eines rechteckigen Sensors (1), dessen aktive Diagonale zumindest den gesamten Bildkreis (3) des optischen Systems (7) erfasst und die Diagonale in Aufnahmerichtung parallel zur Drehachse (2) angeordnet ist, so dass der Nodalpunkt (6) des optischen Systems (7) lotrecht auf dem Mittelpunkt der Drehachse (2) zu liegen kommt. (Siehe 1 und 2)
Die Anzahl der notwendigen Aufnahmen in verschiedene Raumwinkel bedingt sich durch das Längen-Seitenverhältnis des verwendeten Sensors (1). Bei einem Sensorseitenverhältnis von 2 zu 3 (allgemein bekannt unter der Bezeichnung Vollformat Sensor) beträgt die Anzahl der Aufnahmen zumindest 5 in Drehwinkeln von jeweils 72°. Wird die Anzahl der Aufnahmen erhöht, so können die Drehwinkel entsprechend weniger als 72° betragen.
Werden Sensoren mit anderen Längen-Seitenverhältnissen verwendet (Siehe 4), so kann sich die Mindestmenge an Aufnahmen bei einem quadratischen Sensor (1) auf 4 Aufnahmen in verschiedene Raumwinkel mit jeweils entsprechend 90° reduzieren.
Kommerzielle Anwendbarkeit:
Die erfindungsgemäße Anordnung erlaubt es, durch die Verwendung von derzeit am Markt erhältlichen Sensoren und Linsenkomponenten Geräte zur Erzeugung vollsphärischer Aufnahmen her zu stellen. Diese Aufnahmen sind hinsichtlich der erzielbaren Qualität und Auflösung sowie Ausnutzung der erfassten Bilddaten für das letztendlich berechnete Ergebnis Konstruktionen unter Verwendung zirkularer optischer Systeme überlegen und im Hinblick auf mechanische Ausgestaltung und Aufnahmegeschwindigkeit mehrachsigen Konstruktionen überlegen.
Der Gesamtbedarf an solchen Aufnahmeeinheiten liegt bei einigen 10.000 Einheiten pro Jahr weltweit.

Claims

Digitalkamera zur Erzeugung vollsphärischer Aufnahmen bestehend aus optischem System und digitalem Bildsensor in einer neuartigen geometrischen Anordnung, dadurch gekennzeichnet, dass ein optisches System mit einem diagonalen Öffnungswinkel von mindestens 180° vor einem Flächensensor angebracht wird in der Art, dass die Länge der Diagonale dem Bildkreisdurchmesser in der Schärfeebene entspricht und die dass die Projektion der Diagonale des Flächensensors parallel zur Drehachse ausgerichtet ist und der Nodalpunkt des optischen Systems lotrecht auf der Drehachse liegt und mit dieser Anordnung Aufnahmen bei verschiedenen Winkelpositionen in Bezug auf die Drehachse durchgeführt werden, so dass in den erstellten Aufnahmen alle Raumwinkel, bezogen auf die Lage des Nodalpunktes erfasst werden.
Technische Lösung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der für die Erfassung aller Raumwinkel benötigten Aufnahmen möglichst klein ist, und abhängig vom verwendeten Sensor Längen-Seitenverhältnis die Aufnahmen bei jeweiligen Drehwinkeln = 360°/Anzahl der Aufnahmen durchgeführt werden.
Technische Lösung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Drehpositionen bei einem Sensor mit dem Verhältnis 2:3 entweder 5 Aufnahmen im Drehwinkelabstand von 72° oder 6 Aufnahmepositionen im Winkelabstand von 60° durchgeführt werden.
Technische Lösung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verwendung von quadratischen Sensoren 4 Aufnahmepositionen im Abstand von 90° bzw. 5 Aufnahmepositionen im Drehwinkelabstand von 72° durchgeführt werden.