DE3933926C1 - - Google Patents

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.

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.