DE3913644A1 - Verfahren zur achsharmonisierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Achsharmonisierung optronischer Sensoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Einspiegelung von Prüfmarken in Visiere zur Harmonisierung von Achsen optronischer Sensoren ist bekannt. Weiterhin ist bekannt, die Verluste an Helligkeit in den Einspiegelungswegen zwischen Kollimator und Sensor dadurch zu verbessern, daß bei Wärmebildgeräten (WBG) die Quellentemparatur erhöht wird. Diese Erhöhung der Quellentemperatur bringt jedoch nur eine geringfügige Verbesserung, da im 8 bis 12 µm-Bereich die Strahlungsleistung nur etwa ∼T steigt und die Schmelz- bzw. Oxydationstemperatur der als Quelle verwendeten beheizten Materialien der Erhöhung von T Grenzen setzt.

Als Konsequenz dieser Gegebenheiten stellt sich die Forderung, daß bei allen Einrichtungen des Standes der Technik das jeweiligte WBG beim Harmonisierungsvorgang nicht mit Szenenstrahlung beaufschlagt werden darf, um ein Verschmelzen der Prüfmarken und warmen Objekte in der Szene zu vermeiden und damit eine Beeinflussung des Harmonisierungsvorganges auszuschalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Beobachtung der Szene durch den Harmonisierungsvorgang weder unterbrochen noch letzterer beeinträchtigt wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen ge­ löst. In den Unteransprüchen sind Weiterbildungen und Ausgestaltungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung ist ein Ausführungsbei­ spiel erläutert und sind weitere Möglichkeiten zur Verbesserung aufge­ zeigt. Die Figuren der Zeichnung ergänzen die Erläuterungen. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schemabild eines Visiers mit Strahlungsquelle, Kollimator, WBG und Rechner-Speicher-Einheit;

Fig. 2 unterschiedliche Prüfmuster in Szenenbild-Feldern;

Fig. 3 ein Schemabild eines Zielmarken-Generators mit einer thermischen Strahlungsquelle;

Fig. 4 ein Blockschaltbild des beschriebenen Ausführungsbeispiels in schematischer Darstellung.

Wie bereits angeführt, ist bei Verwendung von thermischen Quellen in Achsharmonisiereinrichtungen die geringe Helligkeit der Prüf- oder Ziel­ marke(n) 50 ein Faktum, von dem das nachfolgend beschriebene Verfahren ausgeht, denn häufig weisen Punkte der Szenenstrahlung ähnliche oder sogar gleiche Helligkeiten wie die Prüf- oder Zielmarke(n) 50 auf, so daß die Harmonisierungsvorgänge der optronischen Sensorachsen zum Teil erheblich gestört sind. Hier greift nun das nachstehend konzipierte Ver­ fahren ein und minimiert die Störanfälligkeit, indem die Zielmarke(n) 50 nur kurzzeitig synchron mit dem Bilderzeugungsvorgang des Sensors 20 bzw. 30 in diesen eingespiegelt wird, beispielsweise in den Auslesetakt eines CCD oder in den Abtasttakt eines Scanners in einem Wärmebildgerät WBG. Das entstehende Bild ZSB, das sowohl die Szene als auch die Ziel­ marke(n) 50 enthält, wird in einem Digitalspeicher 41 a, 41 b eines Rech­ ners 40 abgespeichert, wobei allerdings auch die Speicherung eines Teil­ bereiches, der die Zielmarke(n) 50 und ihre unmittelbare Umgebung bein­ haltet, ausreichend ist.

Von diesem abgespeicherten Zielmarken-Szenenbild ZSB wird ein unmittel­ bar davor oder danach aufgenommenes Szenenbild SB subtrahiert. Dieses Szenenbild SB enthält keine Zielmarke(n) 50. Nach der Subtraktion bleibt als Resultat nur die Zielmarke(n) 50 übrig, wenn man von den Rauschan­ teilen und Fluktuationen absieht. Verschiebungen der Szene zwischen Zielmarken-Szenenbild (ZSB) und Szenenbild (SB), die durch Bewegungen des Trägers entstehen können, werden gemessen und vor der Subtraktion korrigiert. Hierzu wird vorgeschlagen, zu dieser Messung die Bewegung des Trägers zu bestimmen oder mittels Korrelation von Szenenbild (SB) und Zielmarken-Szenenbild (ZSB) die Verschiebung selbst zu ermitteln. Hierzu wird nur der Teil des Zielmarkenbildes verwendet, der die Ziel­ marke nicht enthält.

Diese Zielmarke(n) 50 werden mit üblichen Rechenverfahren weiterbearbei­ tet, um ihre Mitte zu bestimmen. Am Ort dieser Mitte kann dann im Video­ signal ein synthetisches Fadenkreuz dem Szenenbild überlagert werden.

Falls die Zielmarke auf einen gesättigten Bildanteil zu liegen kommt, wird sie durch die Subtraktion ebenso gelöscht wie die Szene. Um jedoch auch bei gesättigten Bildanteilen oder einem geringen Signal-Rauschver­ hältnis des Zielmarkensignals eine zuverlässige Harmonisierung durch­ führen zu können, werden mehrere Zielmarken 50 verwendet, die vorzugs­ weise auffallende, charakteristische Formen, wie Kreuze, Ringe, Dreiecke etc. aufweisen, die mittels der Korrelation eine weiterverbesserte Trennung von Szenenresten erlauben.

Mit mindestens zwei Prüf- oder Zielmarken 50, welche vorzugsweise auch im oberen Teil des Szenenbildfeldes SBf liegen sollen, läßt sich pro­ blemlos eine sichere Achsharmonisierung erreichen, insbesondere im Hin­ blick auf die Tatsache, daß die Achsdrift mit Zeitkonstanten von vielen Minuten abläuft und deshalb der Harmonisierungsvorgang mit einer hohen Redundanz erfolgen kann. Die Variation der Szene durch eine Bewegung der Visierlinie bzw. des Trägers des Visiers erlaubt somit genügend unge­ störte Messungen, da die Zielmarken 50 nicht bei jeder Messung auf gesättigte Zonen des Bildfeldes zu liegen kommen.

Eine zusätzliche und weitere Sicherheit für die Harmonisierung ist da­ durch zu erreichen, daß der Harmonisierungsvorgang mit geänderter Posi­ tion der Blende 13 im Kollimator 18 wiederholt wird, beispielsweise durch Rotation der Blende 13 um einen bekannten Winkel. Die Harmonisie­ rung wird in diesem Fall nur dann als gültig gewertet, wenn die aus bei­ den Messungen errechnete Achsposition übereinstimmt.

Um nur ein einziges Bild des Sensors 20, 30 mit der Zielmarke zu beauf­ schlagen, wird die verwendete Quelle 10, 11 im Kollimator 18 durch einen optischen Verschluß 12, der mit der Bilderzeugung des Sensors 20, 30 durch die Einrichtung 30 d synchronisiert ist, gesteuert. Wegen der Zeit­ konstante des Auges wird damit auch eine Störung des Beobachters ausge­ schlossen. Außerdem ist noch die Möglichkeit gegeben, das eine Bild, das die Zielmarke(n) 50 enthält, dunkelzutasten und entfallen zu lassen oder durch das vorhergegangene abgespeicherte Bild zu ersetzen.

Zu erwähnen ist weiterhin, daß die thermische Quelle 11 oder die Licht­ quellen 10 durch eine Laserquelle ersetzt werden können. Auch LEDs sind einsetzbar. Der Vorteil einer solchen Maßnahme ist darin zu sehen, daß sich mit einem Laser problemlos Leistungen erzeugen lassen, die das Signal sättigen und somit Prüfmarken 50 erzeugt werden können, die zumindest so hell sind wie die hellsten Objekte der Szene. Damit sind nicht nur weniger Prüfpunkte erforderlich, sondern auch eine geringere Redundanz der Harmonisierungsvorgänge reicht völlig aus. Weiterhin kann an die Stelle des optischen Verschlusses 12 bei den LEDs oder dem Laser das Pulsen der Anregung treten.

An dem in der Fig. 4 skizzierten Blockschaltbild eines Ausführungsbei­ spiels soll das vorgeschlagene Verfahren zusammenfassend erläutert wer­ den.

Die jeweils ausgewählte Strahlungsquelle 10 oder 11 - im Ausführungsbei­ spiel hier handelt es sich um eine thermische Quelle 11 - erzeugt eine oder mehrere Prüf- oder Zielmarken 50, die wie in Fig. 2 skizziert, ent­ weder punktförmig oder als Kreuze, Ringe oder Dreiecke ausgebildet sein können. Hierbei werden entsprechend geformte Blendenöffnungen einge­ setzt. Die Wellenlänge der Strahlung dieser Prüf- oder Zielmarken (50) entspricht den verschiedenen Wellenlängenbereichen der zu harmonisieren­ den Sensoren 20, 30. Die Strahlung für diese Sensoren, 20, 30 wird durch einen elektromechanischen oder elektrooptischen Verschluß 12 gesperrt oder freigegeben. Es kann aber auch ein Sensor (hier beispielsweise das TV-Gerät 20) dauernd mit Strahlung versorgt werden, während der andere Sensor 30 (hier ein WBG) die Strahlung über einen Verschluß 12 erhält.

Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren wird nun der Verschluß 12 mit der Abtastung 30 a, die elektronisch oder mechanisch sein kann, des WBG 30 über die Synchronisiereinrichtung 30 d synchronisiert, so daß jeweils nur einem einzigen Szenenbild SB das Prüf- oder Zielmarkenbild 50 der Strahlungsquelle 11 überlagert wird. Im Falle von Bildern mit Interlace ist es jeweils nur ein Halbbild.

Der Speicher 41 des Rechners 40 ist nun so angelegt, daß er die rele­ vanten Bildteile - oder auch die ganzen Bilder der Szene - doppelt in Speichern 41 a und 41 b abspeichern kann, und zwar im einen Speicher 41 a nur das Szenenbild SB ohne überlagertes Bild der Prüf- oder Zielmarken 50 und im anderen Speicher 41 b das Szenenbild mit den Zielmarken ZSB.

In der Subtraktionseinrichtung 42 des Rechners 40 werden anschließend die beiden Bildspeicherinhalte voneinander subtrahiert, so daß nur das Bild der Prüf- oder Zielmarken 50 übrig bleibt, wobei sogenannte "Schmutzeffekte" vernachlässigbar sind.

Das Ausgangssignal der Subtraktionseinrichtung 42 wird einem Kontrast-Tracker 43 (ggf. einem Korrelator) zugeleitet, der die Mitte des Zielmarken-Szenenbildes ZSB bestimmt und die entsprechenden Koordi­ naten einem Fadenkreuzprojektor 44 zuführt, der seinerseits an der durch die Koordinaten x und y definierten Stelle ein Fadenkreuz geeigneter Form erzeugt und es dem Vidiomischer 45 übergibt. Dieser mischt das Kreuz mit dem Bild ohne Zielmarke des WBG 30 und leitet es dem Monitor 46 zur Darstellung zu.

Die Verwendung eines Korrelators anstelle des Kontrast-Trackers 43 ist dann zweckmäßig, wenn infolge Visierlinienbewegung oder bei stark fluktuierender Szene, wie sie beispielsweise bei Bränden gegeben ist, die Szene in Bild 1 (in Sensor 20) der Szene in Bild 2 (im WBG 30) nicht ausreichend gleicht und dadurch am Ausgang der Subtraktionseinrichtung 42 neben dem Prüf- und Zielmarkenbild auch Szenenreste auftreten. Auch bei Sättigung des WBG 30 kann die Verwendung eines Korrelators von Vor­ teil sein. Das Harmonisierungsbildmuster - also das Prüf- oder Zielmar­ kenbild - wird hier so ausgeformt, daß leicht korrelierbare Formen, die in der Szene bzw. deren Bild natürlicherweise mit sehr hoher Wahrschein­ lichkeit nicht auftreten, allein oder in Kombination verwendet werden. Die Formen, wie Kreuze, Ringe, Dreiecke usw. sind schon genannt worden. Sie werden als Muster im Referenzteil des Korrelators gespeichert und in einem gewissen "Erwartungsraum" um die aus vorangegangenen Messungen bekannte frühere Position des Bildmusters gesucht. Wenn das abgespei­ cherte Muster mit dem entsprechenden Muster aus dem WBG 30 zur Deckung kommt, erreicht der Korrelationskoeffizient ein Maximum. Die Höhe dieses Maximums ist ein Maß für die Ähnlichkeit von gespeicherten Mustern und denjenigen aus dem WBG. Die Lage des Maximums ergibt die Koordinaten, an deren Stelle das synthetische Fadenkreuz erzeugt wird.

Der Vollständigkeit halber sei angeführt, daß in Fig. 4 mit 14 und 15 die Optiken der Sensoren 20 und 30 und mit 16 der Umlenkspiegel der Strahlungsquelle bezeichnet sind.

Claims (7)

1. Verfahren zur Achsharmonisierung optronischer Sensoren mittels Prüf- oder Zielmarken, die durch Strahlungsquellen in Kollimatoren er­ zeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) eine oder mehrere Zielmarken (50) kurzzeitig und synchron mit dem Bilderzeugungsvorgang des Sensors (20, 30) in diesen eingespiegelt werden,
• b) das so entstandene Zielmarken-Szenenbild in einem Digitalspeicher (41 a, 41 b) eines Rechners (40) abgespeichert wird und
• c) in einer dem Digitalspeicher (41 a, 41 b) zugeordneten Subtraktions­ einrichtung (42) von dem Zielmarken-Szenenbild (ZSB) ein unmittelbar vor oder nach dessen Einspiegelung aufgenommenes Szenenbild (SB) ab­ gezogen und das Restbildmuster entsprechend seiner Koordinaten und deren Verarbeitung einem Video-Fadenkreuz-Generator und einem Monitor (46) zugeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß minde­ stens zwei Zielmarken (50) bestimmter Form im oberen Drittel des Szenen­ bildfeldes (SBf) liegen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Achsharmonisierungsvorgang mit geänderter Position der Blende (13) im Kollimator (18) mehrfach wiederholt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung nur eines einzigen Zielmarken-Szenenbildes (ZSB) die Steuerung der im Kollimator (18) verwendeten Strahlungsquelle (10, 11) durch einen mit der Bilderzeugung des Sensors (30) synchronisierten Ver­ schluß (12) durchgeführt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsquellen Thermo-, Licht- oder Laserquellen eingesetzt werden.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß das in der Subtraktionseinrichtung (42) er­ zeugte Restbildmuster (Prüf- oder Zielmarken) einem Korrelator zur x-y-Koordinatenbestimmung zugeleitet wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen Zielmarken-Szenenbild (ZSB) und Szenenbild (SB) eingetretene Verschiebungen der Szene - z.B. durch eine Bewegung des Trägers der Sensoren - gemessen und vor der Subtraktion korrigiert werden, wobei zur Messung die Bewegung des Trägers erfaßt wird oder mittels Korrelation von Szenenbild (SB) und Zielmarken-Szenen­ bild (ZSB) die Verschiebung selbst ermittelt wird, indem nur der Teil des Zielmarken-Szenenbildes verwendet wird, der die Zielmarke(n) nicht enthält.