DE3933926C1 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Visioniksystem nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie es zur großräumigen
Überwachung einer Gesamtszene, etwa einer Landschaftsszene,
und zur Identifizierung einzelner, weit entfernter, nor
malerweise bewegter Objekte der Szene von Flugkörpern,
Fahrzeugen oder Schiffen, aber auch von einer stationären
Beobachtungsstation aus Verwendung findet.
Aus der DE-PS 26 20 699 ist ein Visioniksystem für Flug
körper bekannt, bei dem die vor dem Flugkörper liegende
Szene durch mehrere flugkörperfeste, parallel arbeitende
Aufnahmegeräte in horizontal aneinandergrenzenden Teil
szenen mit Bildwinkeln von jeweils etwa 2° in Vertikal-
und etwa 10° in Horizontalrichtung gleichzeitig erfaßt und
auf einem Bildschirm in übereinanderliegenden Bildstreifen
abgebildet wird. Zusätzlich wird mit Hilfe eines weiteren,
flugkörperfesten Aufnahmegerätes, welches ein erheblich
kleineres Bildfeld umfaßt und koaxial zur Flugkörperachse
ausgerichtet ist, ein begrenzter Ausschnitt der Gesamtszene
in vergrößerter Darstellung abgebildet, um auf diese Weise
weit entfernte Objekte der Szene erkennen und identifizie
ren zu können. Dieses bekannte Visioniksystem erfordert
einen sehr großen gerätetechnischen Aufwand und ist hin
sichtlich der hohen Identifizierungsreichweite auf solche
Objekte beschränkt, die sich im Zentrum des Beobachtungs
feldes befinden.
Des weiteren ist aus der DE 30 48 496 C1 eine das Bildfeld
des Aufnahmegerätes über die Szene bewegende Schwenkein
richtung bekannt, bei der mit Hilfe eines in einem fest
stehenden Sensorträger gelagerten, motorgetriebenen Sensor
kopfes die interessierende Szene mechanisch abgetastet
wird. Dabei erscheint auf dem Wiedergabegerät jedoch immer
nur ein sich entsprechend der Schwenkbewegung des Aufnahme
gerätes änderndes Teilbild der Szene, so daß eine über
sichtliche bildliche Gesamtdarstellung eines großräumigen
Beobachtungsfeldes nicht möglich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, das Visioniksystem der ein
gangs genannten Art so auszubilden, daß auf baulich ein
fache Weise sowohl eine übersichtliche bildliche Gesamt
darstellung einer über einen großen Sehwinkel reichenden
Beobachtungsszene als auch eine hohe geometrische Auflö
sung und Reichweite zum Erkennen und Identifizieren weit
entfernter Objekte an einer beliebigen Stelle der Gesamt
szene ermöglicht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentan
spruch 1 gekennzeichnete Visioniksystem gelöst.
Bei dem erfindungsemäßen Visioniksystem wird mit Hilfe
eines einzigen Aufnahmegerätes mit einem im Ver
gleich zum gesamten Beobachtungsfeld klein gewählten,
einzelnen Bildfeld in Verbindung mit der besonderen
Bewegungssteuerung und Bildverarbeitung ein in einzelne
Bildstreifen gegliedertes Übersichtsbild des Beobach
tungsfeldes und zugleich für jeden Szenenausschnitt eine
dem engen Bildfeld des Aufnahmegerätes entsprechend hohe,
geometrische Auflösung erhalten, so daß es jederzeit
möglich ist, allein auf elektronischem Wege und ohne
aufwendige, mechanische Bildfeldumschaltung ein irgend
erwünschtes, weit entferntes Objekt der Gesamtszene
mühelos anzuvisieren und zu identifizieren.
Das erfindungsgemäße Visioniksystem eignet sich daher in
hervorragender Weise für Anwendungsfälle, wo großräumige
Beobachtungsfelder sowohl in einer übersichtlichen Ge
samtabbildung als auch in einem detailgenauen, selektiv
wählbaren Bildausschnitt auf baulich einfache Weise
dargestellt werden müssen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist
dem Wiedergabegerät gemäß Anspruch 2 ein Bildspeicher
zugeordnet, und zwar zweckmäßigerweise in Form eines
nachleuchtenden Bildschirms gemäß Anspruch 3 oder in
besonders bevorzugter Weise gemäß Anspruch 4 in Form
eines digitalen Vollbildspeichers, wodurch auch bei
relativ niederfrequenter Schwenkbewegung der Schwenk
einrichtung die Bildinformation eines Bildausschittes
bis zum nächsten Schwenkzyklus erhalten bleibt.
Gemäß Anspruch 5 ist die Größe des dem Bildfeld des
Aufnahmegerätes entsprechenden Teilbildes auf dem Wieder
gabegerät vorzugsweise veränderlich einstellbar, und zwar
gemäß Anspruch 6 zweckmäßigerweise mittels einer digitalen
Bildverarbeitungsstufe. Hierdurch läßt sich auf baulich
einfache, anwenderfreundliche Weise eine innerhalb weiter
Grenzen beliebig detailgenaue Abbildung eines hinsichtlich
Lage und Größe freiwählbaren Szenenausschnittes erzielen.
Gemäß einem weiteren wesentlichen Aspekt der Erfindung
nach den Ansprüchen 7 und 8 werden sowohl die Gesamtabbil
dung der Szene wie auch der je nach gewünschter Identifi
zierungsreichweite gewählte Gesamtbild-Ausschnitt simultan
auf dem Wiedergabegerät abgebildet, wodurch die Beobach
tung und Objektidentifizierung weiter erleichtert wird,
wobei zur Simultandarstellung entweder zwei aneinander
grenzende Bildschirmfelder des Wiedergabegerätes, gemäß
Anspruch 8 jedoch vorzugsweise zwei getrennte Bildschirme
vorgesehen sind.
Nach den Ansprüchen 9 und 10 sind sowohl die Größe als
auch die räumliche Orientierung des Beobachtungsfeldes
zweckmäßigerweise durch eine Schwenkbewegung der Schwenk
einrichtung um zwei Achsen veränderlich einstellbar, so
daß die Winkelgröße und Lage des Beobachtungsfeldes
variabel gewählt und hiervon unabhängig die Bildwinkel
des Aufnahmegerätes allein unter dem Gesichtspunkt
maximaler Identifizierungsreichweite festgelegt werden
können.
Gemäß den Ansprüchen 11 und 12 enthält die Schwenkein
richtung einen das Aufnahmegerät zumindest um eine Achse
schwenkbar antreibenden Richtantrieb bzw. ein dem Auf
nahmegerät vorgeschaltetes Richtspiegelsystem, die vorzugs
weise derart kombiniert werden, daß der Richtantrieb für
die Abtastung und Einstellung des Beobachtungsfeldes nach
Größe und Lage sowie die Großstabilisierung in Horizon
talrichtung vorgesehen ist, während das Richtspiegel
system die horizontale Feinstabilisierung und in Verti
kalrichtung die Abtastung und Einstellung des Beobach
tungsfeldes sowie die Fein- und Großstabilisierung über
nimmt.
Ist das Visioniksystem auf einer sich bewegenden Träger
struktur, etwa einem Luft- oder Bodenfahrzeug, montiert,
so wird eine durch die Eigenbewegungen der Trägerstruk
tur verursachte Bildverschiebung gemäß Anspruch 13 vor
zugsweise mit Hilfe von raumfest orientierten Positions
gebern in der Weise vermieden, daß die Abtastbewegung der
Schwenkeinrichtung und die Bildsteuerung auf dem Wieder
gabegerät auf ein raumfestes Koordinatensystem bezogen
wird.
Zusätzlich oder ersatzweise zu der erwähnten Feinstabi
lisierung ist gemäß Anspruch 14 zur Steigerung der Stabi
lisierungsgüte zweckmäßigerweise eine elektronische, der
Bild-Steuereinheit zugeordnete Bildkorrelationsstufe
vorgesehen, durch welche ein aufnahmeseitig entstandener
Stabilisierungsrestfehler aufgrund eines elektro
nischen Vergleichs von zwei Bildern desselben Szenen
ausschnitts aus zwei aufeinanderfolgenden Schwenk
zyklen der Schwenkeinrichtung erkannt und durch horizon
tale bzw. vertikale Bildverschiebung auf rein elektro
nischem Wege bis auf Pixelgröße korrigiert wird.
Gemäß Anspruch 15 schließlich empfiehlt es sich, die
Größe des Bildfeldes des Aufnahmegerätes so klein festzu
legen, daß sie im praktischen Anwendungsfall höchstens
1/10 der Gesamtgröße des Beobachtungsfeldes beträgt.
Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbei
spieles unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert,
in deren Fig. 1A, 1B ein Visioniksystem nach der Erfindung
in stark schematisierter Darstellung gezeigt ist.
Das gezeigte Visioniksystem enthält als Hauptbestandteile
ein Aufnahmegerät 2 in Form einer Wärmebild- oder einer
Low Light Level- oder üblichen TV-Kamera mit z. B.
625 Bildzeilen und 600 Bildpunkten je Zeile, welche mit
einer Bildfrequenz von 25 Hz im continuous scan, d. h.
ohne Zeilensprung, abgetastet werden, eine der Kamera 2
zugeordnete Schwenkeinrichtung 4, 6, 8, sowie eine aus
Sende- und Empfangsteilen bestehende Bildübertragungsein
richtung 10, 12 einschließlich einer Bild-Steuereinheit 14
(Fig. 1B), einen digitalen Vollbildspeicher 16, dem
eine digitale Bildverarbeitungsstufe 18 zugeordnet ist,
und ein Wiedergabegerät 20 mit den Bildschirmen 20A und
20B.
Gemäß Fig. 1A besitzt die Aufnahmekamera 2 nur ein sehr
klein gewähltes Bildfeld 22 von konstanter Größe mit z. B.
2° in Vertikal- und 3° in Horizontalrichtung, woraus
sich eine hohe geometrische Auflösung und große Identi
fizierungsreichweite ergibt, während sich die zu beobach
tende Gesamtszene über ein wesentlich größeres Sehfeld 24
von z. B. 3°×60° gemäß Fig. 1A erstreckt.
Die Schwenkeinrichtung 4, 6, 8 wird in Horizontal- und
Vertikalrichtung hin- und hergehend derart geschwenkt,
daß das Kamera-Bildfeld 22 bei jedem Schwenkzyklus einmal
das gesamte Beobachtungsfeld 24 überstreicht. Zu diesem
Zweck enthält die Schwenkeinrichtung 4, 6, 8 Stellmotoren 4, 6
und einen diesen zugeordneten Signalgeber 8, der die
Stellmotoren 4, 6 in Übereinstimmung mit der Größe und
Lage des gewünschten Beobachtungsfeldes 24 steuert, wie
dies beispielsweise durch die in Fig. 1A gezeigte, säge
zahnartige Bewegungsbahn angedeutet ist.
Die Schwenkeinrichtung 4, 6, 8 besteht aus einem der Auf
nahmekamera 2 vorgeschalteten, durch die Stellmotoren 4, 6
in zwei Achsen angetriebenen Richtspiegel und einem
für Kamera 2 und Richtspiegel gemeinsamen, in Horizontal
richtung wirksamen Richtantrieb. Der Richtantrieb über
nimmt in Horizontalrichtung das Abtasten des Beobach
tungsfeldes 24, die Großstabilisierung und die Richt
bewegung, und der Richtspiegel ist in Vertikalrichtung
für das Abtasten des Beobachtungsfeldes 24, die Fein- und
Großstabiliserung und die Richtbewegung sowie in Hori
zontalrichtung für die Feinstabilisierung vorgesehen.
Die sich infolge einer Eigenbewegung der Trägerstruktur,
also etwa bei Montage des Visioniksystem auf einem sich
bewegenden Luft- oder Bodenfahrzeug aufgrund der über
lagerten Kamerabewegung zwangsläufig ergebende Verschie
bung von Bildpunkten wird durch elektronische Maßnahmen
mit Hilfe (nicht gezeigter) raumfest orientierter Posi
tionsgeber vermieden, die über den Signalgeber 8 derart
auf die Schwenkeinrichtung 4, 6, 8 einwirken, daß die Ab
tastung des Beobachtungsfeldes 24 unabhängig von den
Eigenbewegungen der Trägerstruktur in einem raumfesten
Bezugsystem erfolgt. Damit ist gewährleistet, daß in
jedem Bewegungszustand der Kamera 2 die maximale Auflö
sung im kleinen Bildfeld 22 erreicht wird. Die maximalen
Abtastgeschwindigkeiten sind nur vom Leistungsvermögen
der Stellmotoren 4, 6 und des digitalen Vollbildspeichers 16
abhängig.
Die sich infolge der Abtastbewegung ergebenden, in zeit
licher Folge ändernden Teilbilder 26.i . . . 26.x . . . werden
aufgrund der, bezogen auf ein raumfestes Koordinaten
system, kontinuierlichen Schwenkbewegung in der Aufnahme
kamera 2 in ein entsprechendes Bildsignal umgewandelt und
zusammen mit den Schwenksignalen der Schwenkeinrichtung 4,
6, 8 der Bildübertragungseinrichtung 10, 12, zugeführt.
Dieser ist eine Bild-Steuereinheit 14 zugeordnet, die die
Bildsignale der Kamera 2 derart synchronisiert, daß die
einzelnen Teilbilder 26.i . . . 26.x . . . in dem nachgeschal
teten, digitalen Vollbildspeicher 16 nacheinander an
unterschiedlichen Speicherplätzen lagegerecht, also in
Übereinstimmung mit ihrer Position im raumfesten Beobach
tungsfeld 24, abgelegt werden. Im Speicher 16 wird somit
die gesamte Szene als stehendes Bild mit einer der
Schwenkfrequenzen der Schwenkeinrichtung 4, 6, 8 entspre
chenden Bildfrequenz (z. B. 1 Hz) und mit einer sehr
hohen geometrischen Auflösung gespeichert, wobei die
Speicherkapazität um ein dem Verhältnis der maximalen
Beobachtungsfeldgröße zur Bildfeldgröße entsprechendes
Vielfaches höher als die Anzahl der Bildpunkte der Auf
nahmekamera 2 liegt. Dem Bildspeicher 16 ist eine Bild
verarbeitungsstufe 18 zugeordnet, über die sich jeder
gewünschte Vollbild-Ausschnitt bis hin zu dem kleinsten,
durch das Bildfeld 22 der Aufnahmekamera 2 vorgegebenen
Sehfeld maximaler Identifizierungsreichweite mit zunehmen
der Detailgenauigkeit zur Darstellung auf dem Wieder
gabegerät 20 abrufen läßt. Die Szene besteht im allgemei
nen aus einem langgestreckten Beobachtungsfeld 24 mit
einem großen horizontalen, aber vergleichsweise kleinen
vertikalen Sehwinkel. Um die Monitorfläche ganz auszu
nutzen und damit ein Maximum an Detailgenauigkeit bei der
Wiedergabe zu erreichen, wird das Übersichtsbild des Be
obachtungsfeldes 24 auf dem Wiedergabegerät 20 in mehrere
übereinander angeordnete Bildstreifen 28.1 bis 28.4 ge
gliedert, wie dies anhand des Bildschirms 20A in Fig. 1B
gezeigt ist. Szenenausschnitte mit einem im Vergleich zum
vertikalen großen horizontalen Sehwinkel werden ebenfalls
in übereinanderliegende Bildstreifen 28 gegliedert abge
bildet. Für eine maximale Identifizierungsreichweite wird
auf der gesamten Bildschirmfläche ein einzelnes Teilbild 26
abgebildet, wie dies in Fig. 1B für das Teilbild 26.i
auf dem Bildschirm 20B ersichtlich ist. Ferner besteht
die Möglichkeit, mit gleicher Detailgenauigkeit wie bei
der Darstellung von Bildfeld 22 auch einen Ausschnitt
daraus formatfüllend auf dem Bildschirm 20B darzustellen.
Durch Änderung der den Schwenkbereich der Schwenkeinrich
tung 4, 6, 8 begrenzenden Richtwinkel kann jedes beliebige
Beobachtungsfeld erfaßt und dargestellt werden. Ist die
Abtastbewegung der Schwenkeinrichtung 4, 6, 8 unter Bei
behalt der Stabilisierungswirkung der raumfest orientier
ten Positionsgeber ausgeschaltet, so erfolgt die Bild
wiedergabe des entsprechenden Teilbildes 26 mit der 25 Hz
Bildfrequenz.
Zur Steigerung der Stabilisierungsgüte oder zur Entlastung
bzw. zum völligen Ersatz der beschriebenen Bildstabili
sierung kann der Bild-Steuereinheit 14 eine Bildkorre
lationsstufe zugeordnet sein, mit deren Hilfe durch
elektronischen Vergleich von zwei Teilbildern 26 des
selben Szenenausschnitts aus zwei aufeinanderfolgenden
Abtastzyklen ein aufnahmeseitig entstandener Stabili
sierungsrestfehler erkannt und durch horizontale und
vertikale Bildverschiebung auf rein elektronischem Wege
bis auf Pixelgröße korrigiert wird.
Claims (15)
1. Visioniksystem mit einem die zu beobachtende Szene er
fassenden Aufnahmegerät, einer diesem nachgeschalteten
Bildübertragungseinrichtung und einem die Szene in
übereinander angeordneten Bildstreifen optisch abbil
denden Wiedergabegerät,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Aufnahmegerät (2) eine Schwenkeinrichtung (4, 6, 8) zugeordnet ist, welche ein auf einen begrenzten Ausschnitt der Szene beschränktes Bildfeld (22) des Aufnahmegerätes über die Szene bewegt, wobei sich in zeitlicher Folge ändernde Teilbilder (26.i..., 26.x...) ergeben, und
daß die Bildübertragungseinrichtung (10, 12) mit einer Bildsteuereinrichtung (14) versehen ist, welche die einzelnen Teilbilder innerhalb der Bildstreifen (28) lagekonform zur Bewegung der Schwenkeinrichtung am Wiedergabegerät (20) darstellt.
daß dem Aufnahmegerät (2) eine Schwenkeinrichtung (4, 6, 8) zugeordnet ist, welche ein auf einen begrenzten Ausschnitt der Szene beschränktes Bildfeld (22) des Aufnahmegerätes über die Szene bewegt, wobei sich in zeitlicher Folge ändernde Teilbilder (26.i..., 26.x...) ergeben, und
daß die Bildübertragungseinrichtung (10, 12) mit einer Bildsteuereinrichtung (14) versehen ist, welche die einzelnen Teilbilder innerhalb der Bildstreifen (28) lagekonform zur Bewegung der Schwenkeinrichtung am Wiedergabegerät (20) darstellt.
2. Visioniksystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
dem Wiedergabegerät (20) ein Bildspeicher zugeordnet
ist.
3. Visioniksystem nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
als Bildspeicher ein nachleuchtender Bildschirm (20A, 20B)
vorgesehen ist.
4. Visioniksystem nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
als Bildspeicher ein digitaler Vollbildspeicher (16)
vorgesehen ist.
5. Visioniksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Größe des dem Bildfeld (22) des Aufnahmegerätes (2)
entsprechenden Teilbildes (26) auf dem Wiedergabegerät (20)
veränderlich einstellbar ist.
6. Visioniksystem nach den Ansprüchen 4 und 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Übertragungseinrichtung (10, 12) eine digitale
Bildverarbeitungsstufe (18) zur selektiven Größenänderung
des Teilbildes (26) auf dem Wiedergabegerät (20) enthält.
7. Visioniksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die vom Bildfeld (22) des Aufnahmegerätes (2) jeweils
erfaßten Szenenausschnitte auf dem Wiedergabegerät (20)
simultan einerseits als entsprechend der Schwenkbewegung
der Schwenkeinrichtung (4, 6, 8) wandernde, zur Gesamt
szene zusammengesetzte Teilbilder (26) und andererseits
auf einem getrennten Abschnitt (20B) des Wiedergabe
gerätes (20) jeweils vergrößert als selektiv auswählbarer
Gesamtbild-Ausschnitt abgebildet werden.
8. Visioniksystem nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Wiedergabegerät (20) voneinander getrennte, einerseits
für das Gesamtbild und andererseits für den Gesamtbild-
Ausschnitt vorgesehene Bildschirme (20A, 20B) enthält.
9. Visioniksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Schwenkbereich der Schwenkeinrichtung (4, 6, 8)
sowohl in seiner Größe als auch in seiner Orientierung im
Raum veränderlich einstellbar ist.
10. Visioniksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Schwenkeinrichtung (4, 6, 8) sowohl in Horizontal-
wie auch in Vertikalrichtung schwenkbar angetrieben ist.
11. Visioniksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Schwenkeinrichtung (4, 6, 8) einen das Aufnahmegerät (2)
um zumindest eine Achse verschwenkenden Richtantrieb (4, 6)
enthält.
12. Visioniksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Schwenkeinrichtung ein dem Aufnahmegerät (2) vorge
schaltetes, schwenkbewegliches angetriebenes Richtspiegel
system enthält, welches die Szene abtastet und deren Bild
in das Aufnahmegerät (2) umlenkt.
13. Visioniksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Schwenkeinrichtung (4, 6, 8) raumfest orientierte
Positionsgeber zur Bewegungssteuerung der Schwenkein
richtung bezüglich eines raumfesten Koordinatensystems
zugeordnet sind.
14. Visioniksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Bild-Steuereinrichtung (14) eine elektronische Bild
korrelationsstufe zur Bildstabilisierung zugeordnet ist.
15. Visioniksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Beobachtungsfeld (24) mindestens 10mal so groß wie
das Bildfeld (22) des Aufnahmegerätes (2) ist.
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