DE202020001221U1

DE202020001221U1 - Panorama thermal camera

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Publication number: DE202020001221U1
Application number: DE202020001221.1U
Authority: DE
Original assignee: Dr Clauss Bild und Datentechnik GmbH; Dr Clauss Bild- und Datentechnik GmbH
Current assignee: Dr Clauss Bild und Datentechnik GmbH; Dr Clauss Bild- und Datentechnik GmbH
Priority date: 2020-03-30
Filing date: 2020-03-30
Publication date: 2020-05-13
Anticipated expiration: 2030-03-31

Abstract

Panorama-Thermokamera, bestehend aus
- einer Infrarot-Kamera mit Infrarot-Objektiv,
- mindestens einer motorisch positionierbaren Antriebseinheit, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Infrarot-Kamera mit Infrarot-Objektiv zusammen mit der Antriebseinheit oder einem aus mehreren Antriebseinheiten gebildeten Schwenk-Neige-System eine mechanisch fest verbundene Baueinheit bildet,
- dass die Kameragruppe so mit der Antriebseinheit oder den Antriebseinheiten verbunden ist, dass der Bildhauptpunkt der Infrarot-Kamera in der Antriebsachse bzw. im Schnittpunkt der Antriebsachsen liegt,
- dass die Fokus-Distanz des Infrarot-Objektives durch eine Klemmvorrichtung fixiert ist, markierte Vorzugspositionen vorhanden sind oder die Fokus-Einstellung des Objektives von einem Sensor erfasst wird,
- dass das Infrarot-Objektiv keine oder eine feste zusätzliche Blende aufweist oder dass eine verstellbare Blende durch eine Klemmvorrichtung fixiert ist, markierte Vorzugspositionen vorhanden sind oder die Blenden-Einstellung des Objektives von einem Sensor erfasst wird,
- dass die Infrarot-Kamera über eine elektronische Datenschnittstelle mit einer in die Panorama-Thermokamera integrierten Datenverarbeitungseinheit verbunden ist und die Datenverarbeitungseinheit über einen nicht flüchtigen Speicher, vorzugsweise als eine vom Anwender wechselbare Speichereinheit, verfügt,
- dass eine integrierte elektronische Steuereinheit alle Bewegungsabläufe des Schwenk-Neige-Systems steuert und die Bildaufnahme auslöst.

Panorama thermal camera consisting of
- an infrared camera with an infrared lens,
at least one motor-driven drive unit, characterized in that
that the infrared camera with infrared lens forms a mechanically fixed structural unit together with the drive unit or a pan-tilt system formed from several drive units,
that the camera group is connected to the drive unit or the drive units such that the main image point of the infrared camera lies in the drive axis or in the intersection of the drive axes,
that the focus distance of the infrared lens is fixed by a clamping device, marked preferred positions are present, or the focus setting of the lens is detected by a sensor,
that the infrared lens has no or a fixed additional aperture or that an adjustable aperture is fixed by a clamping device, marked preferred positions are present or the aperture setting of the lens is detected by a sensor,
the infrared camera is connected via an electronic data interface to a data processing unit integrated in the panorama thermal camera and the data processing unit has a non-volatile memory, preferably as a user-replaceable memory unit,
- That an integrated electronic control unit controls all movements of the pan-tilt system and triggers the image acquisition.

Description

Das Gebrauchmuster betrifft das Gebiet der bildgebenden optoelektronischen Erfassung von Wärmestrahlung mit einer flächigen Infrarot-Kamera (IR-Kamera). Dabei geht es speziell um eine Anordnung für die segmentierende Aufnahme thermografischer Bilder (IR-Bilder) zur Steigerung der Bildauflösung bei gleichzeitiger Erfassung großer Bildwinkel.The utility model relates to the field of imaging optoelectronic detection of thermal radiation with a flat infrared camera (IR camera). This specifically concerns an arrangement for the segmenting recording of thermographic images (IR images) to increase the image resolution while simultaneously capturing large image angles.

Für die segmentierende Bildaufnahme mit einer fotografischen Kamera (RGB-Kamera) sind verschiedene Systeme bekannt, die entweder als Nodalpunktadapter/Panoramakopf eine handelsübliche RGB-Kamera verwenden oder als gesamtheitliche Gerätelösung eine fest integrierte RG-B-Kamera aufweisen. Der Stand der Technik dieser Lösungen wird umfassend in DE 103 59 361 , DE 10 2014 007 973 und DE 10 2017 004 658 beschrieben.
Die fotografische Gerätelösung gemäß DE 10 2017 004 658 wird mit Hilfe einer fest im Raum stationierten Marke geometrisch so kalibriert, dass für jeden Bildpunkt der erfasste Raumwinkel exakt bekannt ist [Clauß, R.: Universelles Kamerakalibriersystem mit zentraler Zielmarke. Photogrammetrie - Laserscanning - Optische 3D Messtechnik, Beiträge der Oldenburger 3D-Tage, 2011 S. 348-355].
Den Lehren aus DE 103 59 361 und DE 10 2014 007 973 folgend ist ein Laboraufbau in Form eines Nodalpunktadapters bekannt, der mit einer IR-Kamera ausgestattet ist [ Fiedler, S.; Grümpel, P.; Karl, G.; Knoblach, S.: 3D-Punktwolke mit thermografischer Information. zfv - Zeitschrift für Geodäsie, Geoinformation und Landmanagement, 2/2019 S.119-128 ]. Die Auslösung der IR-Kamera erfolgte dabei durch einen Relais-Kontakt des Nodalpunktadapters, die Parametrierung und Datenspeicherung wird mittels externen Tablet-PC realisiert. Die für die fotografische Gerätelösung bekannte geometrische Kalibrierung findet mittels thermisch aktiver Marke auch für diesen Laboraufbau Anwendung.
Für die Weiterverarbeitung und Auswertung von IR-Bildern werden häufig deckungsgleiche, also in sich und gegenüber dem Thermografiebild parallaxefreie, RGB-Bilder benötigt. Für die Realisierung wird vor oder nach der IR-Bildaufnahme ein zweiter Panoramakopf mit fotografischer Kamera an räumlich gleicher Position verwendet.
Die bekannten Ausführungen für die segmentierende thermografische Bildaufnahme besitzen folgende Mängel:

1. Ein mit einer IR-Kamera ausgestatteter Nodalpunktadapter stellt auf Grund seines universellen Charakters an sich kein geometrisch reproduzierbares Gesamtsystem dar. Zum Einen lassen sich die Lagen der Antriebsachsen jederzeit verschieben und zum Anderen ist die universelle Schnellwechsel-Kamerahalterung, die nur eine Schraubverbindung zur IR-Kamera aufweist, vor allem in ihrer Winkellage aber auch in ihrer Position unbestimmt. Auch muss jederzeit von einer Veränderung der Fokuseinstellung des IR-Objektives ausgegangen werden, da diese nicht fixiert ist. Die genannten Faktoren führen dazu, dass die geometrische Kalibrierung nach wenigen Aufnahmen, spätestens aber nach dem Trennen und wieder Anbringen der IR-Kamera ungültig ist.
2. Zum Betreiben der IR-Kamera sind mehrere elektrische Kabelverbindungen nötig. So werden Stromversorgung und Auslöseimpuls vom Nodalpunktadapter bereitgestellt, die Parametrierung der IR-Kamera und das Auslesen der IR-Bilder aus der IR-Kamera finden mit einem externen Tablet-PC statt. Die genannten elektrischen Kabelverbindungen verlaufen alle zwischen sich zueinander bewegten Geräteteilen und sind daher fehleranfällig und beim Geräteeinsatz störend.
3. Obwohl man versucht, die IR- und RGB-Bilder im gleichen Bildhauptpunkt aufzuzeichnen, damit diese zueinander parallaxefrei sind, sind diese in ihrer Ausrichtung nicht deckungsgleich. Das Verfahren ist daher sowohl bei der Aufnahme, als auch bei der Auswertung mit systematischen Fehlern behaftet und außerdem in der Hanhabung sehr aufwändig.
4. In großen Bildbereichen (großer Bildwinkel) werden grundsätzlich mehr Objekte unterschiedlicher Wärmeabstrahlung erfasst, als das bei kleinen Bildwinkeln der Fall ist (Szenendynamik). Um für die gesamte Szene kein Über- oder Untersteuern der IR-Kamera zu erhalten, wird diese mit einem möglichst großen radiometrischen Arbeitsbereich betrieben. Da die radiometrische Auflösung der IR-Kamera begrenzt ist (Kameradynamik), sinkt dadurch die Feinheit der Diskretisierung (radiometrische Auflösung).
5. Die verfügbaren IR-Kameras besitzen ein vergleichsweise hohes Signalrauschen, dass oftmals größer als die radiometrische Kameraauflösung ist. Die tatsächlich verwendbare Diskretisierung der IR-Bilder ist dadurch weiter verringert.
6. Verfügbare IR-Kameras mit ihren IR-Objektiven weisen oftmals einen deutlichen Randabfall der Amplitude/Bildhelligkeit (Vignettierung) auf, so dass sich bei der Kombination bzw. Aneinanderreihung mehrerer Bilder ein störender Mosaik-Effekt ergibt.

Aus den genannten Nachteilen bekannter Lösungen leitet sich die Aufgabenstellung ab, eine Panorama-Thermokamera zu erfinden, die als geometrisch fest bestimmtes System segmentierend IR-Bilder aufnimmt. Die IR-Kamera soll in unveränderlicher Position und mit fester oder einstellbarer Fokus-Einstellung des IR-Objektives mit einem Schwenk-Neige-System verbunden sein und parallaxefreie Bilder erzeugen. Das Gesamtsystem soll dauerhaft geometrisch kalibriert sein, so dass die Einzelbilder automatisiert zu einem exakt dem Polarkoordinatensystem folgenden Thermo-Panorama kombiniert werden können. Die Panorama-Thermokamera soll ohne störende Kabelverbindungen zwischen bewegten Bauteilen auskommen, sowie die Steuerung, Parametrierung und Messdatengewinnung ohne externe Geräte realisieren. Eine von externen Energiequellen unabhängige Energie-/Stromversorgung aller elektronischen Bauteile muss eine ausreichende Betriebszeit gewährleisten. Es ist eine möglichst einfache Nutzerschnittstelle vorzusehen, die mit Hilfe weniger Parameter einen intuitiven und unkomplizierten Geräteeinsatz sicherstellt und eine Erfolgskontrolle zulässt.
Ferner soll die Panorama-Thermokamera neben den IR-Bildern auch RGB-Bilder aufnehmen, wobei alle Bilder zueinander parallaxefrei sein sollen und zwischen Thermo- und RGB-Panorama eine feste und bekannte Lagebeziehung (Ausrichtung) vorliegen soll.
Die Panorama-Thermokamera soll auch für große Bildbereiche mit größerer Dynamik eine ähnlich gute radiometrische Auflösung besitzen, wofür ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis erreicht werden soll. Das erzeugte Thermo-Panorama soll keinen störenden Mosaik-Effekt besitzen.Various systems are known for segmenting image recording with a photographic camera (RGB camera), which either use a commercially available RGB camera as a nodal point adapter / panorama head or have a permanently integrated RG-B camera as a holistic device solution. The state of the art of these solutions is comprehensively described in DE 103 59 361 , DE 10 2014 007 973 and DE 10 2017 004 658 described.
The photographic device solution according to DE 10 2017 004 658 is geometrically calibrated with the help of a fixed mark in the room in such a way that the recorded solid angle is exactly known for each pixel [Clauß, R .: Universal camera calibration system with central target mark. Photogrammetry - Laser Scanning - Optical 3D Measurement Technology, Contributions of the Oldenburg 3D Days, 2011 pp. 348-355].
The lessons from DE 103 59 361 and DE 10 2014 007 973 the following is a laboratory setup in the form of a nodal point adapter, which is equipped with an IR camera [ Fiedler, S .; Grümpel, P .; Karl, G .; Knoblach, S .: 3D point cloud with thermographic information. zfv - Journal of Geodesy, Geoinformation and Land Management, 2/2019 p.119-128 ]. The IR camera was triggered by a relay contact on the nodal point adapter, and the parameterization and data storage was carried out using an external tablet PC. The geometric calibration known for the photographic device solution is also used for this laboratory setup by means of a thermally active mark.
For the further processing and evaluation of IR images, congruent RGB images are often required, i.e. parallax-free in themselves and with respect to the thermographic image. For the implementation, a second panorama head with a photographic camera is used in the same position before or after the IR image acquisition.
The known designs for segmenting thermographic image acquisition have the following shortcomings:

1. Due to its universal character, a nodal point adapter equipped with an IR camera does not in itself represent a geometrically reproducible overall system. On the one hand, the positions of the drive axes can be moved at any time and, on the other hand, there is the universal quick-change camera bracket, which is only a screw connection to the IR -Camera has, especially in its angular position but also in its position indefinitely. A change in the focus setting of the IR lens must also be assumed at all times, since this is not fixed. The factors mentioned mean that the geometric calibration is invalid after a few shots, but at the latest after the IR camera has been disconnected and reattached.
2. Several electrical cable connections are required to operate the IR camera. The power supply and trigger pulse are provided by the nodal point adapter, the parameterization of the IR camera and the reading of the IR images from the IR camera take place with an external tablet PC. The electrical cable connections mentioned all run between the parts of the device moving towards each other and are therefore prone to errors and disruptive when the device is used.
3. Although attempts are made to record the IR and RGB images in the same main image point so that they are parallax-free to one another, their alignment is not congruent. The method is therefore subject to systematic errors both in the recording and in the evaluation and is also very complex to handle.
4. In large image areas (large image angle), basically more objects with different heat radiation are recorded than is the case with small image angles (scene dynamics). In order to avoid over- or understeering of the IR camera for the entire scene, it is operated with the largest possible radiometric working area. Since the radiometric resolution of the IR camera is limited (camera dynamics), the delicacy of the discretization (radiometric resolution) decreases.
5. The available IR cameras have a comparatively high signal noise, which is often larger than the radiometric camera resolution. This further reduces the discretization of the IR images that can actually be used.
6. Available IR cameras with their IR lenses often show a clear drop in amplitude / image brightness (vignetting), so that a combination of multiple images results in a disruptive mosaic effect.

From the disadvantages of known solutions mentioned, the task is derived to invent a panorama thermal camera that takes segmented IR images as a geometrically determined system. The IR camera should be in a fixed position and with a fixed or adjustable focus setting of the IR lens with a pan Tilt system and generate parallax-free images. The entire system should be permanently calibrated geometrically so that the individual images can be automatically combined to form a thermo panorama exactly following the polar coordinate system. The panorama thermal camera should do without annoying cable connections between moving components, as well as control, parameterization and measurement data acquisition without external devices. An energy / power supply for all electronic components that is independent of external energy sources must ensure sufficient operating time. A user interface that is as simple as possible is to be provided, which, with the aid of a few parameters, ensures intuitive and uncomplicated use of the device and permits success monitoring.
In addition to the IR images, the panorama thermal camera should also take RGB images, with all images being parallax-free to one another and a fixed and known positional relationship (orientation) between the thermal and RGB panorama.
The panorama thermal camera should also have a similarly good radiometric resolution for large image areas with greater dynamics, for which purpose an improved signal-to-noise ratio should be achieved. The generated thermal panorama should not have an annoying mosaic effect.

Die Aufgabenstellung wird mit der im Hauptanspruch gekennzeichneten Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße segmentierende Aufnahmesystem (1 / 2) besteht aus einem Schwenk-Neige-System (1) mit einer vertikalen und einer horizontalen motorisch angetriebenen Bewegungsachse, im Folgenden als Horizontal- (2) und Vertikalantrieb (3) bezeichnet, einer fest mit dem Vertikalantrieb (3) verbundenen Kameragruppe (4), im wesentlichen bestehend aus einer elektronischen IR-Kamera (6) mit dem benötigten IR-Objektiv und einer Datenverarbeitungseinheit (5), einer Steuereinheit (8), einer elektromechanischen Drehverbindung, vorteilhaft gemäß DE 20 2016 004 109 , über die alle notwendigen Signale zur Kamera-Synchronisation mit dem mechanischen Bewegungsablauf übertragen werden, und der System-Stromversorgung.
Die IR-Kamera (6) mit ihrem IR-Objektiv sind zusammen mit der Datenverarbeitungseinheit (5) zu einer geschlossenen und geometrisch stabilen Kameragruppe (4) vereint. Der Fokus des IR-Objektivs ist auf eine universelle Einstellung, vorteilhaft auf die Hyperfokaldistanz, dauerhaft fixiert (Fixfokus). Anstelle des Fixfokus stellt ein motorisch angetriebener, absolut parametrierbarer Fokus eine vorteilhafte Ausgestaltung dar. Gleiches gilt für die optische Blende des IR-Objektives, die ebenso entweder dauerhaft fixiert oder absolut parametrierbar ist. Die Datenverarbeitungseinheit (5) ist vorteilhaft als Mikroprozessor-System ausgestaltet und kommuniziert über eine elektronische Schnittstelle mit der IR-Kamera (6). Über diese Schnittstelle werden alle Betriebsparameter der IR-Kamera (6) vorgegeben und die Bilddaten von der IR-Kamera (6) eingelesen und gespeichert.
Die Datenverarbeitungseinheit (5) ist vorteilhaft mit einer Nutzerschnittstelle in Form eines Displays (7) und Bedienelementen ausgestaltet. Das Display (7) dient der Erfolgskontrolle während und nach der Aufnahme und zeigt wichtige Betriebsparameter sowie das erfasste IR-Bild an. Zur Datenspeicherung besitzt die Datenverarbeitungseinheit (5) für den Nutzer leicht zugängliche, übliche elektronische Schnittstellen, wie etwa SD-Karte (Secure Digital Memory Card), USB (Universal Serial Bus) und LAN (Local Area Network). Die elektronischen Schnittstellen werden verwendet, um eine mobile Speichereinheit (SD-Karte, USB-Stick) mit der Datenverarbeitungseinheit (5) zu verbinden. Auf dieser werden alle gewonnenen und erzeugten Daten, insbesondere die aufgenommenen Bilder, für die Weiterverarbeitung dauerhaft gespeichert. Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht weiterhin eine Funk-Verbindung, z. B. WLAN (Wireless Local Area Network), der Datenverarbeitungseinheit (5) zu einem Bediengerät (z. B. Smartphone) vor. Dabei wird die Nutzerschnittstelle auf dem Bediengerät bereitgestellt und/oder die aufgenommenen Bilder und Daten zur Speicherung und Erfolgskontrolle an das Bediengerät übertragen.
Die Datenverarbeitungseinheit (5) ist so leistungsfähig, dass eine schnelle Bildfolge, z. B. 30 Bilder pro Sekunde, von der IR-Kamera (6) ausgelesen und gespeichert werden kann. Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht eine so große Leistungsfähigkeit bei der Datenverarbeitung vor, dass eine umfangreiche Bildverarbeitung direkt in der Datenverarbeitungseinheit (5) erfolgt.
Um das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) der IR-Bilder zu verbessern, wird in jeder Aufnahmeposition eine Bilderserie mit gleicher Parametrierung der IR-Kamera (6) aufgenommen, wonach von der Datenverarbeitungseinheit (5) für jeden Bildpunkt ein Mittelwert aus den gleichen Bildpunkten jedes Einzelbildes errechnet wird (Averaging). Gemäß bekannten Herleitungen der Signaltheorie wird das SNR dabei bei einer Anzahl n der Bilder um den Faktor Vn verbessert.
Um den Dynamikumfang der IR-Bilder (radiometrische Auflösung) zu erhöhen, werden in jeder Kameraposition IR-Bilder in mehreren radiometrischen Arbeitsbereichen (Empfindlichkeiten) der IR-Kamera (6) nacheinander aufgenommen und in der Datenverarbeitungseinheit (5) zu einem IR-Bild höherer Dynamik (HDR) kombiniert. Werden also beispielsweise in 3 Arbeitsbereichen je 64 Bilder, also insgesamt 192 IR-Bilder aufgenommen und verarbeitet, so erhält man ein hochdynamisches IR-Bild mit einen um Faktor 8 verbesserten SNR.
Der Horizontal- (2) und der Vertikalantrieb (3) des Schwenk-Neige-Systems (1) sind so ausgeführt, dass eine winkelgenaue und rasche Positionierung erfolgen kann. Die Antriebsposition wird absolut, das heißt ausgehend von einem festgelegten Referenzpunkt, erfasst. Beide Antriebe sind starr über eine Chassiskonstruktion so miteinander verbunden, dass die Bewegungsachsen senkrecht zueinander stehen. Die Kameragruppe (4) ist so ausgeführt und fest mit dem Vertikalantrieb (3) verbunden, dass sich der Schnittpunkt beider Achsen im Bildhauptpunkt der IR-Kamera befindet. Der Horizontalantrieb (2) (vertikale Bewegungsachse) ist so gestaltet, dass der Abtrieb die äußeren Geräteabmessungen (nach unten) überragt und das gesamte Gerät daran auf einem Stativ o. ä. befestigt werden kann. Wird der Abtrieb auf diese Weise fixiert, führt das gesamte Gerät, bei aktivem Horizontalantrieb (2), eine Drehbewegung um die vertikale Bewegungsachse (Stehachse) aus. Wenigstens der Abtrieb des Horizontalantriebs (2) ist vorteilhaft mit einer Bremse ausgestattet, die windinduzierte Gerätebewegungen innerhalb des Getriebespiels hemmt. Dies kann bspw. durch eine Vorspannung des Getriebes, durch eine Friktionsbremse oder durch eine elektromagnetische Bremse am Abtrieb erfolgen.
Alle Aufnahme-Parameter (Parameter des Systems), Steuersignale und zeitliche Abfolgen werden von einer Steuereinheit (8) gespeichert und verwaltet. Die Nutzerschnittstelle der Steuereinheit kann aus wenigen Bedientasten (9) zum Einschalten, zum Starten und zum Pausieren des Aufnahmevorganges bestehen und ein grafisches Display (10) zur Darstellung des Gerätestatus enthalten. Vorteilhafte Ausgestaltungen sehen eine Fernsteuerbarkeit des Systems per Funk- oder optischer Signalstrecke (z. B. per WLAN und Smartphone) vor und sehen akustische (Hupe) und/oder optische (Blitzlicht-Impulse) Quittungssignale vor.
Zwischen dem Schwenk-Neige-System (1) und der Kameragruppe (4) ist eine drehbare elektrische Verbindung, vorzugsweise eine elektromagnetische Drehverbindung gemäß DE 20 2016 004 109 , angebracht. Diese gewährleistet eine verschleißfreie Übertragung der Auslöseimpulse durch die Drehachse des Vertikalantriebs (3) zur Kameragruppe (4) und vermeidet frei zu verlegende Übertragungskabel. Andere Ausgestaltungen dieser drehbaren elektrischen Verbindung sind elektromechanische Drehverbindungen wie Schleifringe oder spiralförmig verlegte Kabel (Kabelspirale) und optische Drehverbindungen wie Lichtleiter mit drehbarer Kopplung. Auch die Kombination verschiedener Drehverbindungen ist möglich und sinnvoll, z. B. eine elektromagnetische Energieübertragung über einen geteilten Transformator zusammen mit einer optischen Signalübertragung.The problem is solved with the invention characterized in the main claim. Advantageous refinements are specified in the further claims.
The segmenting recording system according to the invention ( 1 / 2nd ) consists of a pan-tilt system ( 1 ) with a vertical and a horizontal motor-driven movement axis, hereinafter referred to as horizontal ( 2nd ) and vertical drive ( 3rd ), one with the vertical drive ( 3rd ) connected camera group ( 4th ), essentially consisting of an electronic IR camera ( 6 ) with the required IR lens and a data processing unit ( 5 ), a control unit ( 8th ), an electromechanical slewing ring, advantageously according to DE 20 2016 004 109 , via which all necessary signals for camera synchronization with the mechanical movement sequence are transmitted, and the system power supply.
The IR camera ( 6 ) with their IR lens are together with the data processing unit ( 5 ) to a closed and geometrically stable camera group ( 4th ) united. The focus of the IR lens is permanently fixed on a universal setting, advantageously on the hyperfocal distance (fixed focus). Instead of the fixed focus, a motor-driven, absolutely parameterizable focus is an advantageous embodiment. The same applies to the optical diaphragm of the IR lens, which is also either permanently fixed or absolutely parameterizable. The data processing unit ( 5 ) is advantageously designed as a microprocessor system and communicates with the IR camera via an electronic interface ( 6 ). All operating parameters of the IR camera ( 6 ) and the image data from the IR camera ( 6 ) read in and saved.
The data processing unit ( 5 ) is advantageous with a user interface in the form of a display ( 7 ) and controls. The display ( 7 ) is used to monitor success during and after the recording and shows important operating parameters as well as the recorded IR image. For data storage, the data processing unit ( 5 ) Easily accessible, common electronic interfaces such as SD card (Secure Digital Memory Card), USB (Universal Serial Bus) and LAN (Local Area Network). The electronic interfaces are used to connect a mobile storage unit (SD card, USB stick) with the data processing unit ( 5 ) connect to. All the data obtained and generated, in particular the recorded images, are permanently stored on this for further processing. An advantageous embodiment also sees a radio connection, for. B. WLAN (Wireless Local Area Network), the data processing unit ( 5 ) to an operating device (e.g. smartphone). The user interface is provided on the operating device and / or the recorded images and data are transmitted to the operating device for storage and success monitoring.
The data processing unit ( 5 ) is so powerful that a fast sequence of images, e.g. B. 30 frames per second from the IR camera ( 6 ) can be read out and saved. An advantageous embodiment provides such a high level of performance in data processing that extensive image processing directly in the data processing unit ( 5 ) he follows.
In order to improve the signal-to-noise ratio (SNR) of the IR images, a series of images with the same parameters of the IR camera ( 6 ), after which the data processing unit ( 5 ) an average value is calculated for each pixel from the same pixels of each individual image (averaging). According to known derivations of signal theory, the SNR is improved by a factor Vn for a number n of images.
In order to increase the dynamic range of the IR images (radiometric resolution), IR images in several radiometric working areas (sensitivities) of the IR camera ( 6 ) recorded one after the other and in the data processing unit ( 5 ) combined into an IR image of higher dynamics (HDR). If, for example, 64 images, ie a total of 192 IR images, are recorded and processed in 3 work areas, a highly dynamic IR image with a factor of one is obtained 8th improved SNR.
The horizontal ( 2nd ) and the vertical drive ( 3rd ) of the pan-tilt system ( 1 ) are designed in such a way that they are positioned precisely and quickly can be done. The drive position is recorded absolutely, i.e. starting from a defined reference point. Both drives are rigidly connected to each other via a chassis construction so that the axes of movement are perpendicular to each other. The camera group ( 4th ) is designed and fixed with the vertical drive ( 3rd ) connected that the intersection of both axes is in the main image point of the IR camera. The horizontal drive ( 2nd ) (vertical axis of movement) is designed so that the output overhangs the outer device dimensions (downwards) and the entire device can be attached to it on a tripod or similar. If the output is fixed in this way, the entire device, with the horizontal drive active ( 2nd ), a rotary movement around the vertical movement axis (standing axis). At least the output of the horizontal drive ( 2nd ) is advantageously equipped with a brake that inhibits wind-induced device movements within the gear play. This can be done, for example, by preloading the transmission, by a friction brake or by an electromagnetic brake on the output.
All recording parameters (system parameters), control signals and time sequences are controlled by a control unit ( 8th ) saved and managed. The user interface of the control unit can be made up of a few control buttons ( 9 ) to switch on, to start and to pause the recording process and a graphic display ( 10th ) to display the device status. Advantageous embodiments provide remote control of the system via radio or optical signal path (e.g. via WLAN and smartphone) and provide acoustic (horn) and / or optical (flashing light pulses) acknowledgment signals.
Between the pan and tilt system ( 1 ) and the camera group ( 4th ) is a rotatable electrical connection, preferably an electromagnetic rotary connection according to DE 20 2016 004 109 , appropriate. This ensures wear-free transmission of the trigger pulses through the axis of rotation of the vertical drive ( 3rd ) to the camera group ( 4th ) and avoids free-laying transmission cables. Other configurations of this rotatable electrical connection are electromechanical rotary connections such as slip rings or spirally laid cables (cable spiral) and optical rotary connections such as light guides with rotatable coupling. The combination of different slewing rings is possible and useful, e.g. B. an electromagnetic energy transmission via a split transformer together with an optical signal transmission.

Das erfindungsgemäße Aufnahmesystem verfügt weiterhin über einen integrierten wiederaufladbaren Energiespeicher (Akkumulator) zur Stromversorgung. Alle elektronischen und elektromechanischen Komponenten werden zentral von diesem versorgt. Die Kapazität ist so ausgelegt, dass ein Arbeitstag ohne Unterbrechung bzw. Ladevorgang bestritten werden kann. Eine besondere Ausgestaltung zur Vereinfachung der Gerätegestaltung sieht zwei von einander unabhängige Energiespeicher zur Stromversorgung des Schwenk-Neige-System (1) einerseits und der Kameragruppe (4) andererseits vor.
Geometrisch wird die Panorama-Thermokamera mit einer im infraroten Wellenlängenbereich detektierbaren Marke, gemäß [ Clauß, R.: Universelles Kamerakalibriersystem mit zentraler Zielmarke. Photogrammetrie - Laserscanning - Optische 3D Messtechnik, Beiträge der Oldenburger 3D-Tage, 2011 S. 348-355 ] so kalibriert, dass jedem Bildpunkt unter Einbeziehung der Winkelkoordinaten der Aufnahmeposition der erfasste Raumwinkel zugeordnet wird.
Als Marke für die geometrischen Kalibrieraufnahmen kommt eine flächige Infrarotquelle zum Einsatz, die sich radiometrisch möglichst zeitstabil verhält und vorteilhafter Weise radiometrisch kalibriert bzw. geeicht wird, somit also eine absolut definierte Strahlungsquelle darstellt. Auf diese Weise sind die Stützstellen der geometrischen Kalibrierung auch als radiometrische Messwerte verfügbar. Mit Hilfe dieser radiometrischen Stützstellen kann eine Korrekturmatrix bzw. eine Korrekturfunktion erstellt werden, die für jedes Einzelbild der IR-Kamera die gleichen Inhomogenitäten, wie beispielsweise die Vignettierung der IR-Optik, auszugleichen gestattet. Hierdurch wird das Problem des Mosaik-Effektes gelöst.The recording system according to the invention also has an integrated rechargeable energy store (accumulator) for the power supply. All electronic and electromechanical components are supplied centrally by this. The capacity is designed so that a working day can be covered without interruption or charging. A special embodiment to simplify the design of the device sees two mutually independent energy stores for the power supply of the pan-tilt system ( 1 ) on the one hand and the camera group ( 4th ) on the other hand.
The panorama thermal camera is geometrically designed with a mark that can be detected in the infrared wavelength range, according to [ Clauß, R .: Universal camera calibration system with a central target. Photogrammetry - Laser Scanning - Optical 3D Measurement Technology, Contributions of the Oldenburg 3D Days, 2011 pp. 348-355 ] calibrated so that the recorded solid angle is assigned to each image point, taking into account the angular coordinates of the recording position.
A flat infrared source is used as the brand for the geometric calibration recordings, which behaves radiometrically as time-stable as possible and is advantageously calibrated or calibrated radiometrically, thus representing an absolutely defined radiation source. In this way, the support points of the geometric calibration are also available as radiometric measured values. With the help of these radiometric support points, a correction matrix or a correction function can be created which allows the same inhomogeneities, such as the vignetting of the IR optics, to be compensated for each individual image of the IR camera. This solves the problem of the mosaic effect.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Panorama-Thermokamera sieht die zusätzliche Integration einer RGB-Kamera in die Kameragruppe (4) vor, die zu den IR-Bildern parallaxefreie RGB-Bilder mit fester und bekannter Lagebeziehung aufnimmt. Bekanntlich wäre es hierfür nötig, die Bildhauptpunkte, somit also die Objektive, beider Kameras im gleichen Raumpunkt zu positionieren, was nicht ohne weiteres möglich ist. Um dieses Problem zu lösen und einen einheitlichen Bildhauptpunkt der IR- und der RGB-Kamera zu realisieren, werden die Bildhauptpunkte der Kameras zunächst mit unterschiedlichen Blickwinkeln, vorteilhaft 90 ° zueinander, übereinander gelegt. Durch eine optische Umlenkvorrichtung, vorteilhaft einen Umlenkspiegel (3, Pos. 12), wird der Strahlengang der RGB-Kamera (3, Pos. 11) nun so umgelenkt, also gefaltet, dass der Bildhauptpunkt nicht mehr im Bauraum oder Strahlengang der IR-Kamera (3, Pos. 6) positioniert werden muss. Ebenso wäre es auch möglich, nur den Strahlengang der IR-Kamera (6) oder beider Kameras abzulenken, um ähnlich vorteilhafte Gerätekonstruktionen zu erhalten. Eine andere Ausgestaltung um die Bildhauptpunkte zum Zeitpunkt der Aufnahme der jeweiligen Kamera im gleichen Raumpunkt zu positionieren, sieht eine Mechanik vor, die die Positionen der Kameras durch Verschwenken oder Verschieben ändert. Zunächst wird beispielsweise das IR-Bild aufgenommen, danach nimmt die RGB-Kamera die Position der IR-Kamera ein und das RGB-Bild wird aufgezeichnet. Als Mechanik sind sowohl ein oder mehrere Schlitten zur Verschiebung der Kameras als auch eine Anordnung ähnlich einem Objektiv-Revolver zum Schwenken der Kameras möglich.A particularly advantageous embodiment of the panorama thermal camera according to the invention sees the additional integration of an RGB camera in the camera group ( 4th ), which takes parallax-free RGB images with fixed and known positional relationships to the IR images. As is well known, it would be necessary to position the main image points, i.e. the lenses, of both cameras in the same spatial point, which is not easily possible. In order to solve this problem and to realize a uniform main image point of the IR and RGB cameras, the main image points of the cameras are first placed one above the other with different viewing angles, advantageously 90 ° to one another. By means of an optical deflection device, advantageously a deflection mirror ( 3rd , Pos. 12), the beam path of the RGB camera ( 3rd , Pos. 11) now deflected so that the main image point is no longer in the installation space or beam path of the IR camera ( 3rd , Pos. 6) must be positioned. It would also be possible to only use the beam path of the IR camera ( 6 ) or to deflect both cameras in order to obtain similarly advantageous device designs. Another embodiment for positioning the main image points in the same spatial point at the time the respective camera is recorded provides a mechanism that changes the positions of the cameras by pivoting or shifting. First, for example, the IR image is taken, the RGB camera then takes the position of the IR camera and the RGB image is recorded. As mechanics, both one or more slides for moving the cameras and an arrangement similar to a lens turret for pivoting the cameras are possible.

Beide Kameras werden mit einer fest im Raum stationierten Zielmarke, die im sichtbaren und infraroten Wellenlängenbereich gleichermaßen detektierbar ist, gemäß [ Clauß, R.: Universelles Kamerakalibriersystem mit zentraler Zielmarke. Photogrammetrie - Laserscanning - Optische 3D Messtechnik, Beiträge der Oldenburger 3D-Tage, 2011 S. 348-355 ] kalibriert. Weil dadurch für jeden erfassten Bildpunkt (IR und RGB) der erfasste Raumwinkel exakt bekannt ist, können die Bilder dann mit diesen Kalibrierdaten durch feste Winkeltransformationen deckungsgleich miteinander zu einem Multispektralpanorama kombiniert werden.
Sinngemäß wie mit der RGB-Kamera und/oder der IR-Kamera kann auch mit einer Schwarz-Weiß-Kamera oder einer oder mehreren Kameras mit Empfindlichkeiten außerhalb des sichtbaren Spektralbereichs, z. B. im UV-Bereich, verfahren werden.Both cameras are equipped with a target mark that is stationed in the room and can be detected equally in the visible and infrared wavelength range, according to [ Clauß, R .: Universal camera calibration system with a central target. Photogrammetry - Laser Scanning - Optical 3D Measurement Technology, Contributions of the Oldenburg 3D Days, 2011 pp. 348-355 ] calibrated. Because the acquired solid angle is known exactly for each captured image point (IR and RGB), the images can then be congruently combined with one another to form a multi-spectral panorama using fixed angle transformations.
Analogously as with the RGB camera and / or the IR camera, a black and white camera or one or more cameras with sensitivities outside the visible spectral range, e.g. B. in the UV range.

AusführungsbeispielEmbodiment

Zwei Ausführungsbeispiele werden anhand der 1, 2 und 4 erläutert. Hierbei zeigen die 1 und 2 eine gerätetechnische Umsetzung der erfindungsgemäßen Panorama-Thermokamera mit ausschließlicher Erfassung von IR-Bildern in unterschiedlicher Ansicht. 4 zeigt eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Panorama-Thermokamera mit Integration einer IR- und einer RGB-Kamera, wozu 3 schematisch die Faltung des objektseitigen Strahlengangs der RGB-Kamera darstellt.
Wie in 1 dargestellt, bildet eine IR-Kamera (6) zusammen mit einem Embedded-Computer (Datenverarbeitungseinheit) (5) die Kameragruppe (4) in einem stabilen Gehäuse (20). IR-Kamera (4) und Embedded-Computer (5) sind über eine elektronische, bidirektionale Datenschnittstelle miteinander verbunden (n. dargest.). Das IR-Objektiv (21) besitzt eine feste Brennweite und ist auf die Fokuseinstellung der Hyperfokaldistanz fixiert. Auf der Bedienseite der Kameragruppe (4) sind ein Farb-Display (7) und Bedientaster (22) ausgeführt. Der Embedded-Computer (5) ist so integriert, dass seine elektronischen Schnittstellen, wie USB (23) und LAN (24), an der Unterseite der Kameragruppe (4) zugänglich sind. Der Embedded-Computer (5) bietet außerdem eine WLAN-Funkschnittstelle (n. dargest.). An der Kameragruppe (4) ist der Kamera-Akku (4a) zur Stromversorgung der gesamten Kameragruppe (4) angebracht.
Das Schwenk-Neige-System (1) verfügt über zwei Antriebe (2, 3), die über eine stabile Chasiskonstruktion (n. dargest.) miteinander verbunden sind. Die Bewegungssteuerung, Kameraauslösung und Nutzerführung übernimmt die Steuereinheit (8) mit Display (10) und Bedientastern (9). Das Schwenk-Neige-System (1) bildet eine geschlossene Baugruppe mit eigener integrierten Energiequelle (Geräte-Akku) (n. dargest.).
Die Kameragruppe (4) ist fest mit dem Schwenk-Neige-System (1) verbunden, so dass Kameragruppe (4) und Kamera-Akku (4a) gemeinsam vom Vertikalantrieb (3) angetrieben (geneigt) werden. Der Bildhauptpunkt der IR-Kamera (6) liegt im Schnittpunkt der Antriebsachsen. Zwischen Kameragruppe (4) und Schwenk-Neige-System (1) ist eine elektromagnetische Schaltsignal-Drehkupplung gem. DE 20 2016 004 109 angeordnet (n. dargest.).
Wie in 4 dargestellt, sind im zweiten Ausführungsbeispiel alle Komponenten und Zusammenhänge wie im ersten Ausführungsbeispiel. Die Kameragruppe (4) ist um eine RGB-Kamera (11) erweitert, deren objektseitiger Strahlengang über einen Umlenkspiegel (12) abgelenkt wird. Abgeschlossen wird die Kameragruppe (4) vor dem Spiegel durch ein Sichtfenster (25) als Staub- und Berührungsschutz. Die RGB-Kamera (11) befindet sich damit optisch mit Ihrem Bildhauptpunkt ebenfalls im Schnittpunkt der Bewegungsachsen und besitzt eine um 90 ° zur IR-Kamera (6) gedrehte optische Achse. Die RGB-Kamera (11) und der Embedded-Computer (5) sind über eine elektronische bidirektionale Datenschnittstelle (n. dargest.) miteinander verbunden.Two embodiments are based on the 1 , 2nd and 4th explained. Here show the 1 and 2nd a technical implementation of the panorama thermal camera according to the invention with exclusive acquisition of IR images in different views. 4th shows an embodiment of the panorama thermal camera according to the invention with integration of an IR and an RGB camera, for what 3rd schematically represents the folding of the object-side beam path of the RGB camera.
As in 1 shown, forms an IR camera ( 6 ) together with an embedded computer (data processing unit) ( 5 ) the camera group ( 4th ) in a stable housing ( 20th ). IR camera ( 4th ) and embedded computers ( 5 ) are connected to each other via an electronic, bidirectional data interface (not shown). The IR lens ( 21st ) has a fixed focal length and is fixed to the focus setting of the hyperfocal distance. On the operating side of the camera group ( 4th ) are a color display ( 7 ) and control buttons ( 22 ) executed. The embedded computer ( 5 ) is integrated in such a way that its electronic interfaces, such as USB ( 23 ) and LAN ( 24th ), at the bottom of the camera group ( 4th ) are accessible. The embedded computer ( 5 ) also offers a WLAN radio interface (not shown). At the camera group ( 4th ) is the camera battery ( 4a) to power the entire camera group ( 4th ) appropriate.
The pan-tilt system ( 1 ) has two drives ( 2nd , 3rd ), which are connected to each other via a stable chassis construction (not shown). The control unit takes over the motion control, camera release and user guidance ( 8th ) with display ( 10th ) and control buttons ( 9 ). The pan-tilt system ( 1 ) forms a closed assembly with its own integrated energy source (device battery) (not shown).
The camera group ( 4th ) is fixed with the pan-tilt system ( 1 ) connected so that camera group ( 4th ) and camera battery ( 4a) together from the vertical drive ( 3rd ) are driven (inclined). The main focus of the IR camera ( 6 ) lies at the intersection of the drive axes. Between camera group ( 4th ) and pan-tilt system ( 1 ) is an electromagnetic switching signal rotary coupling acc. DE 20 2016 004 109 arranged (n. dargest.).
As in 4th shown, in the second embodiment, all components and relationships are as in the first embodiment. The camera group ( 4th ) is an RGB camera ( 11 ) whose beam path on the object side is extended via a deflecting mirror ( 12 ) is distracted. The camera group is completed ( 4th ) in front of the mirror through a window ( 25th ) as dust and contact protection. The RGB camera ( 11 ) is therefore optically at the intersection of the axes of motion with your main image point and has a 90 ° to the IR camera ( 6 ) rotated optical axis. The RGB camera ( 11 ) and the embedded computer ( 5 ) are connected to each other via an electronic bidirectional data interface (not shown).

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 10359361 [0002]
DE 102014007973 [0002]
DE 102017004658 [0002]
DE 202016004109 [0003, 0007]

Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

Fiedler, S .; Grümpel, P .; Karl, G .; Knoblach, S .: 3D point cloud with thermographic information. zfv - Journal for Geodesy, Geoinformation and Land Management, 2/2019 p.119-128 [0002]
Clauß, R .: Universal camera calibration system with a central target. Photogrammetry - Laser Scanning - Optical 3D Measurement Technology, Contributions of the Oldenburg 3D Days, 2011 pp. 348-355 [0004, 0006]

Claims

Panorama thermal camera, consisting of - an infrared camera with an infrared lens, - at least one motor-driven drive unit, characterized in that - the infrared camera with an infrared lens together with the drive unit or a pan-tilt formed from several drive units System forms a mechanically firmly connected structural unit, - that the camera group is connected to the drive unit or the drive units in such a way that the main image point of the infrared camera lies in the drive axis or in the intersection of the drive axes, - that the focus distance of the infrared lens is fixed by a clamping device, marked preferred positions are available or the focus setting of the lens is detected by a sensor, - that the infrared lens has no or a fixed additional aperture or that an adjustable aperture is fixed by a clamping device, marked preferred positions are available are or the ble nden setting of the lens is detected by a sensor - that the infrared camera is connected via an electronic data interface to a data processing unit integrated in the panorama thermal camera and that the data processing unit has a non-volatile memory, preferably as a user-replaceable memory unit , - that an integrated electronic control unit controls all movements of the pan-tilt system and triggers the image acquisition.

Panorama thermal camera after Claim 1 , characterized in that an electronic color camera is combined with the infrared camera via an optical deflection unit, advantageously by means of a deflecting mirror, so that the two main image points are located at the same point.

Panorama thermal camera after Claim 1 , characterized in that an electronic color camera is combined with the infrared camera via a mechanical device in such a way that the main image points can be shifted or pivoted into the drive axis or into the intersection of the drive axes.

Panorama thermal camera according to the Claims 1 - 3rd , characterized in that a black and white camera or one or more cameras with sensitivities outside the visible spectral range are used instead of the RGB camera and / or the infrared camera.

Panorama thermal camera according to the Claims 1 - 4th , characterized in that the entire recording system is geometrically calibrated in such a way that a solid angle is assigned to each pixel of the camera (s), including the positioning angle of the drive unit (s), in the polar coordinate system determined by the recording system.

Panorama thermal camera after Claim 1 , characterized in that the IR camera is calibrated radiometrically in such a way that a mathematical transfer function for detecting the intensity of the infrared radiation is assigned to each pixel of the IR camera.

Panorama thermal camera after Claim 1 , characterized in that a moving energy storage device, preferably in the form of a rechargeable battery, supplies the infrared camera and other moving electronic components with energy.

Panorama thermal camera after Claim 1 , characterized in that the infrared camera and the integrated data processing unit can record, process and store at least two identical infrared images in each camera position.

Panorama thermal camera after Claim 1 , characterized in that the infrared camera and the integrated data processing unit can record, process and store at least two infrared images of different radiometric sensitivity in each camera position.

Panorama thermal camera after Claim 1 , characterized in that the infrared lens has a motor-adjustable focus distance and this is controlled by the data processing unit.

Panorama thermal camera after Claim 1 , characterized in that the infrared lens has a motor-adjustable aperture and this is controlled by the data processing unit.

Panorama thermal camera after Claim 1 , characterized in that the infrared camera, the infrared lens and the integrated data processing unit can record, process and save at least two infrared images of different aperture settings in each camera position.

Panorama thermal camera after Claim 1 , characterized in that the panorama thermal camera via a wireless interface, preferably has a WLAN interface for remote control, parameterization, data transmission and / or success monitoring.

Panorama thermal camera after Claim 1 , characterized in that a position sensor and / or a position sensor, such as GPS / compass, is connected to the control unit and / or data processing unit such that its data are stored during the recording.

Panorama thermal camera after Claim 1 , characterized in that the system status is communicated on at least one integrated display and / or with acoustic and / or optical signals.