DE3133866A1

DE3133866A1 - Verfahren zur sichtsimulation

Info

Publication number: DE3133866A1
Application number: DE19813133866
Authority: DE
Inventors: Robert Dr. 6078 Neu Isenburg Stickel
Original assignee: Honeywell GmbH
Current assignee: Honeywell Regelsysteme GmbH
Priority date: 1981-08-27
Filing date: 1981-08-27
Publication date: 1983-03-17
Also published as: FR2512236A1; DE3133866C2; GB2105157A; FR2512236B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Sichtsimulation nach dem Gattungsbegriff des Anspruches 1. Von einem derartigen Verfahren wird insbesondere bei Geräten zum Training einer Gefechtssituation Gebrauch gemacht. 5

Aus der DE-PS 28 03 101 ist ein Verfahren zur Erzeugung eines Hintergrundbildes bekanntgeworden, wobei ein Monitorbild als beliebiger Teilausschnitt aus einem Großbild erzeugt werden kann. Die Auswahl des Teilausschnittes erfolgt hierbei beispielsweise über mit Richtgriffen gekoppelte Adressgeber, über die Teile von Einzelbildern abrufbar und zu einem Teilausschnitt zusammensetzbar sind. Gemäß der DE-OS 29 19 047 können diese Einzelbilder auch digital abgespeichert werden und es können in das auf dem Monitor dargestellte Hintergrundbild entsprechend dem adressierten Teilausschnitt auch Silhouetten oder Bilder bestimmter Gegenstände wie beispielsweise von beweglichen Zielen in den Bildinhalt eingeschnitten werden. Die Erzeugung dieser Silhouetten oder Bilder erfolgt hierbei in bekannter Weise durch einen Computer.

Ordnet man einen solchen Monitor im Sehfeld einer Richtschützen- oder Kommandantenoptik an, so kann beispielsweise eine Gefechtssituation für Panzerbesatzungen simuliert werden.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren

-y- γ.

zur Sichtsimulation der eingangs genannten Art in der Weise Zu verbessern, daß die Gefechtssituation noch wirklichkeitsnaher simuliert werden kann. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß dem im Anspruch 1 gekennzeichneten Verfahren. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind den Unteransprüchen entnehmbar..

Anhand eines in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles sei im folgenden die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Erläuterung des erfindungsgemäßen CSI-Verfahrens (CSI = Computer Synthesized Imagery); Fig. 2 ein weiteres Blockschaltbild zur Erläuterung

der Bildauswahl und Bildverknüpfungr

Fig. 3 ein Blockschaltbild zur Erläuterung der Zielkur serzeugung;

Fig. 4 eine Darstellung des im Sehfeld einer Optik 2Q erscheinenden Monitorbildes;

Fig. 5 eine schematische Darstellung gemäß Fig. 4 mit in verschiedenen Entfernungen liegenden Einzelobjekten; und

Fig. 6 eine Skizze zur Erläuterung der Entfernungsbestimmung von Einzelobjekten anhand von sich

in dem Hintergrund bewegenden Zielen.

Gemäß Fig. 1 sind die wesentlichen Teile eines Systems dargestellt, auf dem das erfindungsgemäße CSI-Verfahren zur Ausführung gelangt. Ein Systembildrechner 10 steuert die gesamte Anlage. Ihm werden beispielsweise die von nicht dargestellten Richtgriffen abgeleiteten Adreßsignale zugeführt, um über eine Schnittstelle 11 und eine Speicherverwaltungseinheit 12 Hintergrundspeicher 13, 13', ... anzusteuern, in denen das Bild eines Hintergrundes abge-

3132866

-y-S.·

speichert ist, wobei Ausschnitte aus diesem Hintergrundbild über die Richtgriffsignale auswählbar sind. An den Systemrechner ist ferner eine hier nicht dargestellte Konsole angeschlossen, über die bestimmte abgespeicherte Ziele aufgerufen werden können und über die für diese • Ziele ein Kurs vorgegeben werden kann.

Die in dem Hintergrundspeicher 13, 13' digital abgespeicherte Hintergrund-Videoinformation gelangt über den Hintergrundspeichern. 13, 13' zugeordnete Bildbusse 14, 14' unter Steuerung durch einen Steuerbus 15 in einen Monitorspeicher 16 in einer ersten Monitor-Ansteuereinheit 17. Eine zweite Monitor-Ansteuereinheit 17' sowie weitere solcher Einheiten können entsprechend der Anzahl der Monitore angeordnet sein, so daß gleichzeitig mehrere Personen train.ert werden können. Die in Fig. 1 nicht dargestellten Monitore sind im Sehfeld der Optik eines Richtschützen oder Kommandanten angeordnet, wobei der Bildschirm gerade das Sehfeld der beobachtenden Optik ausfüllt.

* ■ ■ Neben dem in dem Monitorspeicher 16 abgespeicherten Ausschnitt aus dem Hintergrundbild werden in einem Zielspeicher 18 ein Bild des Zieles und in einem Visierspeicher ein Fadenkreuzbild und gewünschtenfalls die Turmuhr oder sonstige Informationen eines z.B. Panzerfahrzeuges abgespeichert. Eine Monitor-Verwaltungseinheit 20 steuert die jeweilige Speicher Zuweisung. Zudem übernimmt ein über eine Schnittstelle 11' an den Systembildrechner 10 angeschlossener Konzentrationsrechner 22 über einen weiteren Steuer- und Datenbus 15' eine untergeordnete Zuweisung der einzelnen Monitor-Ansteuereinheiten 17, 17' usw.

Nach Verknüpfung des Inhalts aller drei Speichereinheiten 16, 18 und 19 in einem Bildmischer 21 sowie nach Umwandlung der digitalen Bildinformation in eine analoge Videoinformation erfolgt über getrennte Ausgänge A1 bzw. A2

die Ansteuerung des dem Richschützen bzw. dem Kommandanten zugeordneten Monitors. Durch Steuerung mittels der Richtgriffe ist es hierbei möglich, das Fadenkreuz einem sich bewegenden Ziel nachzuführen, wobei der Ausschnitt des Hintergrundbildes eine laufende Änderung erfährt. Der Richtschütze bzw. der Kommandant hat somit bei seinem Ausblick auf den im Sehfeld seiner Optik angeordneten Monitor-Bildschirm den Eindruck einer wirklichkeitsnahen Gefechtssituation.

Gemäß Fig. 2 sind nähere Einzelheiten des Systems gemäß Fig. 1 dargestellt. Ein zentraler TV-Taktgenerator 23 steuert x- und y-Ädreßgeneratoren 24a und 24b an. Die Adreßgeneratoren 24a und 24b sind hierbei beispielsweise durch mit den Richtgriffen gekoppelte digitale Winkelcodierer vorgegeben und sie wählen über einen x-Bus 14a und y-Bus 14b einen durch die Adresse vorgegebenen Ausschnitt des Hintergrundbildes aus. Ferner werden das Ziel und das Visier dem Hintergrund überlagert. Gemäß einem

2G wesentlichen Merkmal der vorliegenden Erfindung ist nunmehr jeder Bildpunkt des Hintergrundes bzw. des Zieles sowohl bezüglich seines Grauwertes G„, G₁₇, als auch bezüglich sei-

rl Zt

ner Entfernung E_n, E„ durch mehrere Bits digital codiert.

rl Δ

Eine Entscheidungslogik 25 ist daher in der Lage festzustellen, ob bei vorhandenem Ziel (G₂ > 0) dieses Ziel vor einem entsprechenden Einzelobjekt (Haus, Busch, Wald) des Hintergrundes (E„ >· E) oder hinter diesem Einzelobjekt

xi Δ

(E <Γ E) darzustellen ist. Nach Verknüpfung des entspre-H Δ

chend ausgewählten Bildpunktes mit dem Fadenkreuz und nach anschließender Digital/Analogwandlung erfolgt sodann die Darstellung des zusammengemischten Bildes auf dem Monitor.

Fig. 3 zeigt eine Erweiterung des Systems gemäß Fig. 1 mit einer Möglichkeit zur Zielkurserzeugung, über einen an den Systembildrechner 10 angeschlossenen Richtgriff 27 kann ein Bearbeiter eine für die Ausbildung relevante Gelände-

szene aus dem digitalen Hintergrundspeicher 13 des CSI-Systems 28 auswählen, so daß diese auf einem Monitor 29 zur Darstellung gelangt. Weiterhin kann der Bearbeiter über eine Konsole 30 die Darstellung eines Zieles (z.B. Panzer) aufrufen, die z. B. in einer Plattenspeicher-Bibliothek 31 abgelegt ist und eine computergerechte Darstellung unterschiedlicher Ziele in verschiedenen Ausrichtungen enthält. Über ein weiteres Eingabegerät 32 können neben der Position x, y auf dem Bildschirm und der Entfernung E (d.h. Größe) der Nick-, Gier- und Rollwinkel N, G und R des Zieles beliebig eingegeben werden.Nach Vorgabe dieser Werte werden diese über die Konsole 30 aus dem Systercbildrechner 10 abgerufen. Das durch diese Größen beschriebene Ziel stellt nun einen einzigen Ausschnitt aus der gesamten Zielbahn, beispielsweise den Anfang dar. Der Bearbeiter kann anschließend auf die gleiche Weise beliebig viele Punkte der Zielbahn definieren und es kann über die Konsole 30 dem Systembildrechner 10 mitgeteilt werden, mit welcher Geschwindigkeit das Ziel den so definierten Kurs durchlaufen soll.

Bei der Wiedergabe des Kurses auf dem Monitor erfolgt sodann eine Interpolation zwischen allen punktweise eingegebenen Größen x, y, E, N, G and R. Bei einer Wiedergabe auf dem Monitor ergibt sich sodann eine kontinuierliche den Eindruck einer echten Zielbewegung hervorrufende Bewegung des durch den Computer erzeugten Zielbildes (CGI = Computer Generated Image).

Bei einer in der Regel monokularen Aufnahme des Hintergrundbildes, beispielsweise mit einer Videokamera,fehlt nun jegliche Entfernungsinformation bezüglich des letztlich digital abgespeicherten Hintergrundbildes. Andererseits beinhaltet der Zielkurs eine Entfernungsinformation/und das Ziel verändert beim Durchfahren seines Kurses seine Größe. Um nun die Entfernung bestimmter Einzelobjekte, wie Busch, Wald usw., in dem Hintergrundbild zu bestimmen, wird folgendermaßen vorgegangen:

-r-t.

Fig. 4 zeigt ein Ziel Z in Form eines quer abgebildeten Panzers vor einem Wald W. Der Abbildungsmaßstab des Zieles Z, d. h. seine Entfernung kann über das bereits beschriebene Eingabegerät 32 solange verändert werden, bis seine Größe für den Beobachter in realistischer Beziehung zu den Einzelobjekten des Hxntergrundbildes steht. Es ist nun bekannt, daß das Sehfeld der Optik, beispielsweise durch einen Winkel von 6° vorgegeben ist, wobei der im Sehfeld der Optik angeordnete Bildschirm eine Breitenabmessung von _Z.B.

107 mm aufweist. 1 mm in der Breite entspricht sodann 6/107° = 1 Strich. Wenn sodann der querstehende Panzer in Fig. 4 unter einem Winkel von 6 Strich erscheint und wenn andererseits beispielsweise die Länge dieses Panzers mit 6 m vor-"gegeben ist, so muß er etwa 1000 m entfernt sein. In seiner gezeigten Stellung unmittelbar vor dem Wald kann man daher dem Wald ebenfalls eine Entfernung von 1000 m zuordnen. In gleicher Weise lassen sich die Entfernungen für die vor dem Wald dargestellten Büsche bestimmen.

Die Grundlagen des vorstehend erläuterten Meßprinzips gehen am besten aus Fig. 6 hervor. Es wird davon ausgegangen, daß der Bildschirm des Monitors gegenüber dem Betrachter O derart angeordnet ist, daß seine Bildbreite b gerade das Sehfeld OC der beobachtenden Optik ausfüllt. Hierdurch bildet sich ein Gegenstand mit der Größe g in der Entfernung e auf dem Bildschirm mit der Größe g ab und wird vom Betrachter O unter dem Winkel OC gesehen.

Aus Fig. 6 läßt sich folgende Beziehung ableiten: 30

g/_e =tan °C_g

für e >'>· g gilt:
g/e = % (1)

3133366

X- 9.

Ferner gilt:

/b = OC , . (2)

Aus den Gleichungen (1) und (2) folgt:

e = ^hs/_£Ks - g/g_s (3)

Als Zahlenbeispiel sei angenommen, daß der Bildschirm eine Br.eite b von 125 mm besitzen soll und mit dieser Abmessung

das Sehfeld von Oi =6° (entspricht 105 mrad) ausfüllt. Nimmt man sodann wiederum als Ziel einen Panzer in Seitenansicht mit einer Länge von g = 6m an und wird dieser Panzer auf dem Bildschirm mit einer Länge von g =3,5 mm abgebil-

•15 det, so läßt sich die Entfernung e folgendermaßen berechnen:

¹²⁵ Μ"¹ · ⁶ m

τη

105 mrad 3,5 mm

Die auf diese Weise gewonnene Entfernung wird jeweils dem dem Panzer benachbarten Einzelobjekt in dem Hintergrundbild zugeordnet. Beschreibt man beispielsweise jeden Bildpunkt durch eine Codierung mit 16 Bit, wobei 8 Bit (256 Stufungen) für die Grauwertverteilung vorgesehen sind, so stehen die restlichen 8 Bit für 256 Entfernungsstufungen zur Verfügung. Bei einer Sichtsimulation an Panzervisieren und bei einer maximalen Kampfentfernung von 3000 m lassen sich somit im Bereich zwischen 500 und 3000 m etwa 256 Stufen unterbringen, wobei mit dem geringstwertigen Bit ein kleinster Entfernungsschritt von 10m codierbar ist.

Gemäß Fig. 5 wird allen Bildpunkten innerhalb der Kontur eines Einzelobjektes B, W in dem Hintergrundbild die gleiche Entfernungsinformation zugeordnet. Zu diesem Zweck können bekannte Verfahren herangezogen werden, bei denen beispielsweise ein Bildpunkt auf der Kontur eines Gegenstandes hellgesteuert wird und über ein Eingabegerät (Trackball)

O ί O vj O b D

der hellgesteuerte Bildpunkt auf der Kontur des Einzelobjektes verschoben wird. Über ein geeignetes Rechenprogramm kann sodann allen innerhalb der umfahrenen Kurve liegenden Bildpunkten der gleiche Entfernungswert zugeordnet werden. 5

Andererseits kommen in der Natur innerhalb eines Geländes oftmals Senken vor, die mit unbewaffnetem oder auch mit bewaffnetem Auge nicht zu sehen sind, wenn der Rand der Senke keinen markanten Schärfegrad besitzt. Ein Fahrzeug, das in eine solche Senke hineinfährt, hinterschneidet dann aber für den Beobachter hinter einem Gegenstand, den er nicht wahrnehmen kann. Um auch eine solche Situation zu simulieren, ist es möglich, beispielsweise in ein Wiesengelände eine Senke X einzuarbeiten. Auch hier kann wieder mit einem hellgesteuerten Bildpunkt ein bestimmter Bereich umfahren werden, diesem Bereich eine Entfernungsinformation zugeordnet werden und es kann sodann das Ziel beim Einfahren in diesen Bereich teilweise oder ganz abgedeckt werden.

/IA-

Leerseite

Claims

Patentansprüche:

/Verfahren zur Sichtsimulation, bei welchem zwecks Training eines Gefechtsvorganges auf einem TV-Monitor im Sehfeld der Optik einer auszubildenden Person das Bild eines Hintergrundes dargestellt und in diesen Hintergrund das Bild eines beweglichen Zieles eingeschnitten wird, wobei sowohl das Bild des Hintergrundes als auch das Bild des Zieles digital abgespeichert sind und nach Umsetzung in ein Videosignal zur Darstellung gelangen, dadurch gekennzeichnet, daß Einzelobjekte (B,W, usw.) im Hintergrundbild (H) mit einer digitalen Entfernungsinformation (E ) versehen werden und daß bildpunktweise die Entfernungsinformation (E„) bezüglich der Einzelobjekte mit einer

digitalen Entfernungsinformation (E₇) des Zieles (Z) verglichen wird, um bildpunktweise festzustellen, ob das Ziel (Z) das Einzelobjekt (B,W, usw.) hinterschneidend bzw. vor diesem darzustellen ist. 20
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Bntfernungsinformation (E, ' bezüglich der Einzelobjekte (B,W,usw.) gewonnen wird, indem das Ziel (Z) durch Steuerung seiner Koordinaten (x,y) in Nachbarschaft zu dem jeweiligen Einzelobjekt gebracht wird und daß durch Maßstabsänderung des Zieles (Z) in Bezug auf das Hintergrundbild (H) eine realistische Beziehung zwischen dem Ziel und dem Hintergrundbild hergestellt wird, so daß bei bekanntem Sehfeldausschnitt der Optik und bekannter Größe des Zieles dem Einzelobjekt eine Entfernung zugeordnet werden kann.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e kennzeichnet, daß durch Hellsteuerung eines Bildpunktes auf der Kontur des Einzelobjektes

- ι/- I

(B,W,usw.) und durch Umfahren des Einzelobjektes mit dem hellgesteuerten Bildpunkt allen Bildpunkten innerhalb des Einzelobjektes die gleiche Entfernungsinformation (E„) zugeordnet wird.
5
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für verschiedene Punkte einer Bahn des Zieles neben den Koordinaten (x,y) und einer Entfernungsinformation (E₁₇) zusätzlich Nick-, Gier- und Rollwinkel (N,G,R) durch eine Bedienungsperson eingegeben werden und daß durch eine Interpolation mittels eines Rechners (10) ein Zielkurs mit realistischem Bewequngsverhalten des Zieles erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Bildpunkt sowohl des Zieles (Z) als auch des Hintergrundes (H) eine durch mehrere Bits codierte Information bezüglich des Grauwertes (G /G₁₇) und der Entfernung (E^₇E₁₇) aufweist.

H^ ti ζ
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß Einzelbereiche (X) willkürlich in dem Hintergrundbild (H) vorgegeben werden, in denen das Ziel (Z) durch den Hintergrund teilweise oder ganz verdeckt zur Darstellung gelangt.