DE3819107A1 - Infrarotumwelt - simulator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Infrarotumwelt-Simulator gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Durch Infrarot-Kameras abgebildete Szenen zeigen die Temperatur­ verteilung innerhalb dieser Szene als Schwarz/Weiß-Muster in Form unterschiedlicher Bildgrauwerte. Die Strahlungsintensität einzel­ ner Szenenanteile, die augenblicklichen Transmissionsbedingungen der Atmosphäre sowie die sensorischen Eigenschaften des Kamera­ systems sind dabei maßgebend für die Grauwertverteilung der dar­ gestellten Bilder verantwortlich. Dies bedeutet, daß dieselbe Szene mit unterschiedlichen Kameras oder bei unterschiedlichen Umweltbedingungen aufgenommen zu unterschiedlichen Grauwertver­ teilungen in den Bildern führt.

Soll beispielsweise eine Ausbildung an einem mit einer Infrarot- Kamera bestückten Gerät durchgeführt werden, so ergibt sich die Notwendigkeit eines langfristigen Trainings, um möglichst ver­ schiedene Umweltbedingungen abzudecken.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Simulation infraroter Umgebungsszenen zu schaffen, mit denen Personen zur Bedienung von mit Infrarot-Kameras bestückten Geräten ausgebildet werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Hauptanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Einrichtung ist es möglich, einmal aufgenommenes und gespeichertes Bildmaterial beliebiger Szenen (Infrarot und im sichtbaren Bereich des Lichtspektrums) so zu transformieren und darzustellen, daß seine Grauwertverteilung der einer Infrarotszene unter wählbaren Umwelt- und Kamerabedingungen entspricht. Durch Löschen von Bildstrukturen oder dynamisches Einblenden von ebenfalls in Infrarotdarstellung transformierbaren Objekten, z.B. eines Zielobjekts oder der Einfluß unterschied­ licher Fahrzustände auf die Bilddarstellung, können innerhalb einer Szene beliebige Abläufe in Infrarotdarstellung simuliert werden.

Der Aufbau und die Funktionsweise des Infrarot-Umweltsimulators läßt sich anhand einer Zeichnung erläutern. Sie gibt einen Über­ blick über die Gesamtkonfiguration des Systems, das drei Teil­ systeme umfaßt.

In einem ersten Teilsystem werden Filme, Video- oder Diabilder anaIog oder digital archiviert und in einem speziellen Klassifi­ zierungsverfahren für die weitere Bildverarbeitung OFF-LINE vor­ bereitet. Dazu wird das Ausgangsbildmaterial bezüglich seiner Bildstrukturinhalte wie etwa Feld, Wald, Wiese, Fluß usw. klas­ sifiziert und diese mit einem Klassifizierungscode versehen. Im Falle von Filmszenen geschieht dieses nicht in jedem Bild, son­ dern in Schritten, bei denen eine etwa 30%-ige Bild-zu-Bild-Über­ lappung sichergestellt ist. Für die Rückgewinnung der Filmszene wird anschließend in bekannter Weise ein Interpolator benutzt.

Die Szenenklassifikation geschieht voll- oder halbautomatisch. Bei einer vollautomatischen Klassifikation sind der Kamerastand­ ort sowie der Blickwinkel dem Klassifizierungscomputer einzuge­ ben. Durch Verknüpfung eines Bildes mit einem digitalen Gelände­ höhenmodell wird dabei eine Bildstrukturzuordnung durchgeführt. Hierbei werden die einzelnen Strukturgrenzen bzw. -übergänge wie etwa Feld/Wald durch automatische und an sich bekannte Kontur­ such- und Linienverfolgungsalgorithmen festgestellt.

Im Falle der halbautomatischen Struktursuche wird per Cursor ein Strukturpunkt definiert und seine Ausdehnungsfläche umfahren. Jede so definierte Bildstruktur wird mit einem speziellen Grau­ wert und den zugehörigen infrarotspezifischen Parametern belegt. In gleicher Weise werden auch die in die Objektszene einzublen­ dende Objekte wie beispielsweise Fahrzeuge vorbereitet.

Da die Belegung der Bildstrukturen mit jeweils festen Grauwerten zu einem flächenhaften Bildaufbau führt, werden zur späteren Be­ nutzung von den Originalszenen die oberen Frequenzanteile durch einen Hochpaßfilter separiert und den transformierten Bildern später wieder hinzuaddiert. Diese Hochpaßinformationen zur Rekon­ struktion der Bildfeinstruktur sowie die einzublendenden klassi­ fizierten Objekte mit ihren Infrarotparametern und Szenen werden zur späteren Infrarot-Transformation in Massenspeichern wie analoge oder digitale Laser Discs abgelegt.

In einem zweiten Teilsystem, welches aus einem weiteren OFF-LINE arbeitenden Rechner mit Datenspeicher besteht, sind unterschied­ liche Rechnermodelle softwaremäßig abgespeichert. Mit ihrer Hilfe werden in einem weiteren Teilsystem aus den nach ihren Struktur­ inhalten klassifizierten Bildern simulierte Infrarotbilder er­ zeugt.

Diese Rechnermodelle berücksichtigen den Einfluß der für die Grauwertverteilung eines Infrarotbildes im wesentlichen verant­ wortlichen Parameter. Diese sind die individuelle Wärmestrahlung, die von den verschiedenen Stoffen einer aufgenommenen Szene aus­ geht, die Atmosphäre, die auf der Strecke Infrarotstrahler-Wärme­ bildgerät einen gewissen Anteil der Strahlung absorbiert und der Sensor, also die Wärmebildkamera selbst, die die einfallenden Strahlungsdichten in Grauwerte umsetzt.

Ein sogenanntes Umweltmodell berücksichtigt den geographischen Ort, die Jahres- und Tageszeit sowie das Wetter. Ausgehend von einem definierten Anfangszustand der Szene werden dabei in einem Objekt-Rechnermodell für jede Objekt-/Szenenstruktur unter Berück­ sichtigung seines ε-Wertes beispielsweise die tageszeitlichen Verläufe der Temperaturstrahlungskurven berechnet, wobei ε den Verhältniswert der Strahlung eines grauen Körpers zur Schwarzkör­ perstrahlung angibt. Zudem wird in einem sogenannten Knoten-Rech­ nermodell der Temperaturaustausch der Bildobjekte untereinander ermittelt und berücksichtigt. Für die Berechnung der wellenlängen­ abhängigen Transmissionswerte dient ein weiteres Rechnermodell, das die atmosphärische Dämpfung der Infrarotstrahlung berücksich­ tigt. Verknüpft mit dem sogenannten Sensormodell, daß die Eigen­ schaften des Wärmebildgeräts berücksichtigt, werden so die Bild­ gauwerte ermittelt.

Die Rechnermodelle erzeugen gemeinsam in Abhängigkeit von den durch den Ausbilder vorgegebenen Parametern Grauwertdatensätze, die in Datenspeicher einer Bildverarbeitungsschaltung in einem dritten Teilsystem abgelegt werden. Mit ihnen ist eine ON-LINE- Transformation der klassifizierten Bilder zu simulierten Infra­ rotbildern möglich. Der umfangreiche Datenspeicher des dritten Teilsystems mit den fertig berechneten Grauwertdatensätzen er­ möglicht in vorteilhafter Weise die Vorgabe frei wählbarer Um­ welt- und Sensorbedingungen durch den Ausbilder und damit reali­ tätsnahe Simulationsbedingungen im ON-LINE-Betrieb.

Im dritten Teilsystem werden die nach ihren Strukturinhalten klassifizierten Bilder aus dem ersten Teilsystem mit den in den Rechnermodellen des zweiten Teilsystems ermittelten Informationen für die Transformation des Bildmaterials zu Infrarotbildern ver­ knüpft. Es beinhaltet die Bildverarbeitungshardware mit Bild­ speichern, Addierspeichern (ALU) zum Mischen von digitalen Bil­ dern und Hochpaßanteilen von Bildern sowie Datenspeicher, in denen Tabellen zur Grauwerttransformation der Strukturinhalte des Bildausgangsmaterials in simulierte Infrarotbilder abgelegt sind. Diese Tabellen werden als Transformationskennlinien in sogenannte LOOK-UP-Tables zur aktuellen Bildverarbeitung eingelesen und bei Bedarf abgerufen.

Letztlich gehört zu diesem dritten Teilsystem eine Ausbilderkabine mit einem Bedienungspanel nebst Monitoren, mit denen der Ausbil­ der Zugriff zu dem zweiten Teilsystem und auf die Bildverarbei­ tungshardware hat. Damit kann er einem Auszubildenden, der sich in einer Simulationskabine mit Bedienungspanel und Sichtgeräten befindet, aus unterschiedlichen Simulationsmenüs eine gewünschte Infrarot-Umweltszene einspielen.

Je nach Ausbau des Simulators sind die zu transformierenden Szenen auf einen oder mehrere Massenspeicher wie beispielsweise Laser-Discs abgelegt. Gesteuert durch das externe Rechnersystem des zweiten Teilsystems werden die gewünschten Szenen und Objekte von dem Ausbilder abgerufen und sowohl dem Ausbilder als auch dem Auszubildenden auf beliebigen Darstellungsgeräten in entsprechend transformierter Form präsentiert.

Da für alle relevanten Einflußgrößen entsprechende Simulationspro­ gramme zur Verfügung stehen, können in der Bildverarbeitungs­ schaltung aus Originalbildern oder Einzelbildfolgen, in denen die Stoffklassentrennung und Identifikation durchgeführt wurde, Infra­ rotbilder bzw. Infrarotfilmszenen berechnet werden. Diese Berech­ nung wird bei der hardwaremäßigen Ausführung des Simulators nach Vorgabe sämtlicher Randparameter ON-LINE durchgeführt. Die vorzu­ gebenden Randparameter betreffen die Jahres- und Tageszeit sowie wetter-, sensor- und objektspezifische Daten. Zusätzlich kann noch der geographische Ort berücksichtigt werden. Durch eine ent­ sprechende Berücksichtigung der originalbildinhaltlichen Parame­ ter wird eine Simulation der gewünschten Infrarotumgebung herge­ stellt.

Das Simulationssystem kann dabei sowohl als einfacher Umweltsimu­ lator, welcher die transformierten Szenen lediglich darstellt be­ trieben werden, oder als interaktiv arbeitendes Gesamtsystem zur Nutzung gelangen. Im letzteren Fall wird einer Aktion des Auszu­ bildenden auf die Szene oder ein Objekt in dieser Szene eine ent­ sprechende Reaktion erfolgen. Beispielsweise der Beschuß eines Zieles und seine anschließende Vernichtung oder Flucht. Der Ge­ samtszenenablauf kann dabei entweder durch den Ausbilder vorgege­ ben oder durch den Auszubildenden mit beeinflußt werden; bei­ spielsweise durch eine Änderung der Blickrichtung oder des simu­ lierten Fahrverhaltens.

Zur Erzeugung einer realitätsnahen vollständigen Videoszene in simuliertem Infrarot sind in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine Reihe von Spezialeffekten möglich. So können statische oder dynamische Objekte aspektgetreu und größenrichtig in die Basisszene eingeblendet werden. Die Fahrstrecke des Ob­ jektes kann dabei sowohl über Rollkugel und Cursor als auch über eine manuelle Fahrspurmarkierung auf an den Bedienungspanels in­ tegrierten Touch-Input-Monitor vorgegeben werden. Zudem ist es möglich, daß ein simuliertes Fanrverhalten des Auszubildenden taktisch/funktional vorgegeben und mit der Szenenstruktur ver­ knüpft wird. Objektverdeckungen durch Szenenstrukturen wie etwa Waldstücke oder Häuser werden dabei in vorteilhafter und an sich bekannter Weise berücksichtigt. Die dargestellten Fahrspuren können dabei echte Fahrspuren in weichem Untergrund oder Wärmeab­ drücke auf befestigtem Untergrund sein, oder wasserbezogene Fahr­ spuren wie Bug- und Heckwellen eines Wasserfahrzeuges kennzeich­ nen. Neben der Einblendung von Objekten ist auch das Löschen von Objekten möglich, wobei der freiwerdende Bildteil durch "Vergröße­ rung" der umliegenden Strukturteile der Szene geschlossen wird. Zudem können Explosionen, Feuer und künstlicher Nebel generiert werden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß mit der hier vorgestellten Einrichtung die Wirkung von Tarnmaßnahmen an Ob­ jekten in einer Infrarotumwelt unter den verschiedensten Rand­ bedingungen gezielt simuliert und überprüft werden können. Not­ wendig ist dazu lediglich Bildmaterial im sichtbaren Lichtspek­ trum, welches vom Simulator in Bildmaterial mit Infrarotqualität umgewandelt wird. Änderungen an den Tarnmaßnahmen und deren Wir­ kungen unter verschiedenen Umwelt- und Sensorrandbedingengen lassen sich so leicht und schnell ermitteln.

Claims (5)

1. Infrarotumwelt-Simulator, bestehend aus drei Teilsyste­ men, dadurch gekennzeichnet,
daß im ersten Teilsystem Bildmaterial analog oder digital gespeichert wird, daß das Bildmaterial OFF-LINE automatisch oder halbautomatisch nach seinen Bildstrukturinhalten wie Feld, Wald, Fluß, Weg etc. klas­ sifiziert wird, daß gleichen Bildstrukturinhalten gleiche Klassi­ fizierungscodes zugewiesen werden, daß die Hochfrequenzanteile der zu klassifizierenden Bilder herausgefiltert und auf Massen­ speicher zwischengespeichert werden, daß das mit seinen Klassi­ fizierungscodes versehene Bild digitalisiert auf Massenspeicher abgelegt wird, daß in das Bildmaterial einblendbare Bildobjekte klassifiziert und mit ihren Klassifizierungscodes auf Massenspei­ cher abgelegt werden,
daß in einem zweiten Teilsystem mit Hilfe von Rechnermodellen und mit von einem Ausbilder in den zugehörigen Rechner eingegebenen umwelt- und wärmebildsensorspezifische Randbedingungen Grauwert­ datensätze für eine Modulation der Grauwertverteilung der zu er­ stellenden simulierten Infrarotbilder OFF-LINE erzeugt werden, daß die berechneten Grauwertdatensätze in Datenspeichern der Bildverarbeitungsschaltung eines dritten Teilsystems abgespeichert werden,
daß in dem dritten Teilsystem die mit den Klassifizierungscodes versehenen Bilder, Objekte und Hochfrequenzbildanteile in der Bildverarbeitungsschaltung ON-LINE zu simulierten Infrarotbildern verarbeitet werden, daß in der Bildverarbeitungsschaltung die Grauwerttransformationsdaten in "LOOK-UP-Tables" geladen werden, die die durch den Ausbilder gewählten umwelt- und sensorspezifi­ schen Randbedingungen repräsentieren, daß die Klassifizierungs­ codes der klassifizierten Bilder in Form von pseudo Grauwerten im Digitalbild eindeutig markiert sind, daß die für die jeweiligen Strukturinhalte der klassifizierten Bilder relevanten Grauwerte mit Hilfe der Klassifizierungscodes in den LOOK-UP-Tables ON-LINE durchgeschaltet werden, daß die Grauwerte der Infrarot-Rohbilder mit den Datensätzen zur umwelt- und sensorbedingten Grauwertsi­ mulation verknüpft und damit den vorgewählten Randbedingungen an­ gepaßt werden, daß mit Hilfe von Addierspeichern (ALU) die modu­ lierten Bilder mit den ebenfalls modulierten Objektbildern und den Hochfrequenzbildanteilen zu fertigen simulierten Infrarotbil­ dern gemischt werden, daß das fertig simulierte Infrarotbild einem Ausbilder und einem Auszubildenden in Simulationskabinen auf Sichtgeräten dargestellt wird, und daß es dem Ausbilder und dem Auszubildenden möglich ist, über Bedienungspanels mit der Bildverarbeitungsschaltung zu kommunizieren und auf die Darstel­ lung und den Simulationsablauf einzuwirken.

2. Infrarotumwelt-Simulator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das im ersten Teilsystem gespei­ cherte Bildmaterial aus Dias, Video-, Film- oder TV-Aufnahmen be­ steht, die im infraroten oder sichtbaren Spektrum des Lichtes aufgenommen wurden.

3. Infrarotumwelt-Simulator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Massenspeicher auf denen das Bildmaterial abgelegt ist Laser-Disks sind.

4. Infrarotumwelt-Simulator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechnermodelle des zweiten Teilsystems die individuelle WärmestrahIung der in den Bildern abgebildeten Strukturteile, die Absorbtion der Atmosphäre auf der Strecke Infrarotstrahler-Wärmebildsensor, die Aufnahmecharakteris­ tik des Wärmebildsensors, den geographischen Ort, die Jahres- und Tageszeit sowie das Wetter und den Wärmeaustausch zwischen einzel­ nen Bildobjekten berücksichtigt.

5. Infrarotumwelt-Simulator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Infrarotumwelt-Simulator als passiv die Bilder erzeugendes System oder als interaktives System betrieben wird.