DE4105963A1

DE4105963A1 - Vorrichtung und verfahren zur aufnahme und/oder wiedergabe von realbildern fuer fahrsimulatoren

Info

Publication number: DE4105963A1
Application number: DE19914105963
Authority: DE
Inventors: Reiner Dr Ing Foerst
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-02-26
Filing date: 1991-02-26
Publication date: 1992-08-27
Also published as: DE4105963C2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen zur Aufnahme und/oder Wiedergabe von Realbildern für Fahrsimulatoren.

Zweck der Vorrichtung zur Aufnahme ist es, natürliche und ausreichend große Bildinformation für die simulierte Fahrt mit Hilfe von Videoka meras anstelle von Videografik bereitzustellen. Zweck der Vorrichtung und der Verfahren zur Wiedergabe ist es, natürliche Umgebungsbilder auf dem Monitor in Abhängigkeit von der Betätigung der Bedienungselemente des Simulators darzustellen. Die Erfindung ist anwendbar für die Simu lation aller spurgebundenen Fortbewegungen wie insbesondere Autofahren, Motorradfahren oder Fahrradfahren auf einer Straße. Sie kann jedoch auch verwendet werden für die Simulation von Sportarten wie Laufen auf einem Pfad, Skilanglaufen auf einer Loipe, Paddeln oder Rudern auf einem Fluß. Insbesondere ist sie anwendbar für Simulatoren mit Mischbildern, bei denen fremde Verkehrsteilnehmer künstlich ins Bild eingeblendet werden.

Vorrichtungen und Verfahren der angegebenen Art sind bekannt: Insbeson dere sind in der Patentanmeldung Foerst: PCT/EP91/00 144 Verfahren und Vorrichtungen zur Nachbildung von Vorwärtsbewegungen durch Mischbilder beschrieben, die auch die Aufnahme und die Wiedergabe von Realbildern zum Gegenstand haben.

Der Nachteil der Vorrichtungen und der Verfahren der oben angegebenen Anmeldung sowie anderer bekannter Simulatoren, die Realbilder verwen den, ist, daß Spurwechsel des simulierten Fahrzeugs nicht oder nur vereinfacht darstellbar ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Vorrich tungen und Verfahren zu schaffen, bei denen der oben angegebene Nach teil vermieden ist. Vielmehr soll der Fahrer im Simulator durch Drehen seines Lenkrades oder Lenkers das Umgebungsbild so beeinflussen können, daß es den Wechsel nicht nur des Gierwinkels sondern auch der Spur vor bildgetreu wiedergibt.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 3 angegebenen Vorrichtungsmerk male gelöst. Voraussetzung hierfür ist eine Vorrichtung zur Videoaufnahme gemäß Anspruch 1.

Der Erfindung liegt folgende Überlegung zugrunde: Videogeneratoren für künstlich erzeugte Umgebungsbilder sind insbesondere bezüglich der er forderlichen Software sehr aufwendig und bleiben doch in der Quantität der Bildinformation weit hinter Realbildern zurück. Realbilder aber sind für echte Simulatoren bisher nicht zur Anwendung gekommen. Bei Ver wendung eines normalen Videofilms kann man allenfalls durch Horizontal verschiebung des Bildes eine Änderung des Gierwinkels gegenüber dem bei der Aufnahme gefahrenen Wert simulieren. Für eine Änderung der Spur fehlt jedoch Bildinformation. Sie ist in der Aufnahme nicht enthalten. Deshalb konnte bisher der Fahrer im Pseudo-Simulator nur die Original-Spur nachvollziehen. Es wird deshalb vorgeschlagen, die fehlende Bild information durch die Aufnahme verschiedener Spuren bereitzustellen. Damit der Spurwechsel bei der Wiedergabe nicht bildsprungartig erlebt wird, ist eine große Zahl von Spuren angebracht.

Für die Aufnahme gibt es im Prinzip drei Möglichkeiten

1. Man befestigt ebensoviele Videokameras wie man Spuren bereitstellen will an einer Schiene, die rechtwinkelig zur Längsachse des Aufnah mefahrzeugs an diesem entweder über oder unter der Blickachse des Fahrers befestigt ist und läßt alle Kameras während der Fahrt gleichzeitig laufen. Die Nachteile dieser Methode bestehen darin, daß zum einen großer Aufwand an Videokameras betrieben werden muß, daß zum anderen wegen der vorgegebenen Breite auch schmaler Kameras die Zahl der Spuren beschränkt ist, was bei der Wiedergabe Bild sprünge verursachen kann und daß schließlich alle Kameras sehr genau gleich ausgerichtet sein müssen.
2. Man befestigt eine Videokamera auf einem Schlitten, der auf der oben angeführten Querschiene gleitend angeordnet ist und fährt die Kamera während der Aufnahmefahrt in regelmäßigen - am besten sägezahn- oder dreieckförmigen - Bewegungen entlang der Schiene hin und her. Um Bildsprünge bei der späteren Wiedergabe einer ausgewähl ten Spur dieser Bildfolge zu vermeiden, muß das Aufnahmefahrzeug entsprechend langsam fahren. Die notwendige Untersetzung der Geschwin digkeit ist dabei gleich der Anzahl der Spuren. Die Nachteile die ser Methode bestehen darin, daß zum einen die Aufnahme fremder Ver kehrsteilnehmer wegen der viel zu hohen Geschwindigkeit bei der Wiedergabe unmöglich wird und zum anderen, daß die Dauer der Auf nahmefahrt wegen der begrenzten Filmlänge in Anbetracht des starken Zeitrafferverhaltens auf wenige Minuten beschränkt ist.
3. Man kombiniert beide Methoden und ordnet eine gewisse, kleinere Zahl von Kameras auf Schlitten auf der Querschiene an und wählt den Hub der einzelnen Schlitten gleich ihrem Abstand. Hierdurch werden die oben angegebenen Nachteile weitgehend vermieden. Insbe sondere wird durch die Verringerung des Hubes eine sägezahnförmige Bewegung durch Servomotoren besser angenähert, was sich vorteilhaft auf die erforderliche Filmlänge und das Zeitverhalten bei der Auf nahme auswirkt.

Die Videoaufnahmetechnik gemäß der Erfindung hat eine Besonderheit zur Folge: Um dem Fahrer im Simulator die Möglichkeit zu geben, willkürlich seine Spur über die gesamte Fahrbahnbreite zu verändern, muß die Quer schiene auf dem Aufnahmefahrzeug fast die Länge der Fahrbahnbreite ha ben. Eine Fahrt mit einem solch breiten Fahrzeug würde den übrigen Straßenverkehr stark behindern. Hinzu kommt das oben erwähnte unzuläs sige Anheben der Geschwindigkeit fremder Verkehrsteilnehmer durch den Zeitraffereffekt bei Hin- und Herfahren der Kameras. Die Aufnahme muß deshalb bei verkehrsfreier Straße gemacht werden.

Diese Einschränkung ist aber bei Realbild-Simulatoren aus zwei Gründen ohnehin gegeben

- Bei einem guten Simulator muß die Geschwindigkeit der Vorwärtsbewe gung steuerbar sein. Dies darf sich aber nur auf das Umgebungsbild beziehen. Die Geschwindigkeit anderer Verkehrsteilnehmer sollte von der des simulierten Fahrzeugs unabhängig sein.
- Das Verhalten fremder Verkehrsteilnehmer sollte bei einem guten Si mulator nicht starr ablaufen, sondern vom Eigenverhalten des Be nutzers abhängig sein.

Aus den oben genannten Gründen wird sich deshalb die Realbildwiedergabe auf die Darstellung des starren Umgebungsbildes beschränken. Fremde Ver kehrsteilnehmer werden gemäß PCT/EP91/00 144 in dieses Umgebungsbild künstlich eingeblendet werden. Lediglich wenn man sich auf eine verhält nismäßig kurze Querschiene beschränkt oder wenn man die Querschiene über Autodach-Höhe anordnet und wenn man viele eng nebeneinander angeordnete Videokameras verwendet, kann man fremde Verkehrsteilnehmer in die Simu lation mit einbeziehen.

Um die bei der Aufnahme gefahrene Spur nicht als Date auf den Fahrcom puter übertragen zu müssen, empfiehlt es sich, die Fahrspur, d. h. den Abstand des Aufnahmefahrzeugs von Fahrbahnmitte, konstant zu halten.

Filmmaterial und damit Bildinformation für die Wiedergabe kann dadurch eingespart werden, daß der Bereich der Kameraspuren in Abhängigkeit von der Längsdistanz auf einen solchen Bereich beschränkt wird, der mit großer Wahrscheinlichkeit vom Benutzer des Simulators nicht überschrit ten werden wird. Auch können, um Bildinformation zu sparen, in den un wahrscheinlichen Spurbereichen die Spurabstände größer gewählt werden, so daß hier Bildsprünge hingenommen werden.

Da vorausgesetzt wird, daß die Wiedergabevorrichtung die Möglichkeit bietet, verschiedene Bildfolgen aufzurufen, ist es bei der vorliegen den Erfindung auch möglich, nicht nur die Spur auf einer vorgegebenen Straße sondern an einer Kreuzung auch die Route zu wechseln und eine alternative Straße zu befahren. Zu diesem Zweck muß das Aufnahmefahr zeug nach Aufnahme der Hauptroute genau an den Verzweigungspunkt bei genau gleicher Richtung zurückversetzt werden, so daß eine zusätzliche Aufnahme entlang der alternativen Route gedreht werden kann.

Damit die Einzelbilder der verschiedenen Kameras für die Wiedergabe nach Spuren geordnet adressiert werden können, ist es erforderlich, daß die Kameras synchron laufen. Diesem Zweck dient ein Taktgeber, von dem die Synchronpulse aller Kameras in Abhängigkeit gebracht werden müssen. Man kann auch einer der Kameras die Taktgeber-Funktion zuordnen.

Der Zwang zum Synchronismus gilt nicht nur für den Lauf der Kameras sondern auch für die Hin- und Herbewegung der Schlitten. Einem Hub der Schlitten ist eine ganz bestimmte Zahl von Einzelbildern zuzuordnen. Deshalb wird als Antriebsmotor für die Schlitten am besten ein Schritt motor verwendet, der seinen Takt vom Taktgeber erhält. Es gibt die Mög lichkeiten, die Schlitten mit Zahnriemen oder Zahnstangen miteinander zu verbinden oder einen gemeinsamen Schlitten vorzusehen und einen ge meinsamen Antriebsmotor zu verwenden oder jedem Schlitten einen eigenen Schrittmotor zuzuordnen. Wenn man eine Phasenregelung mit Hilfe einer digitalen Weg-Rückmeldung und des Taktgebers aufbaut, kann man auch einen analog arbeitenden Servomotor verwenden.

Fig. 1 zeigt die Skizze eines Aufnahmefahrzeugs 1, von vorne gesehen, mit einer Querschiene 2, auf der beispielhaft 5 Videokameras 3a bis 3e auf 5 Schlitten 4a bis 4e befestigt sind, die mit einem Schrittmotor 5 verschiebbar sind. Die 5 Videokameras und der Schrittmotor sind zur Syn chronisierung mit Kabeln untereinander verbunden. Die Kamera 3a synchro nisiert mit ihrem Sync-Puls die übrigen 4 Kameras und den Schrittmotor und enthält somit den Taktgeber 6. Im Beispiel der Fig. 1 geschieht die Kraftübertragung vom Schrittmotor S auf die Schlitten durch einen Zahn riemen 7.

Da man nicht nur zur Steuerbarkeit der Geschwindigkeit das Umgebungsbild mit langsamer Fahrtgeschwindigkeit oder in Zeitlupe sondern auch noch für jede Fortbewegungsstufe eine große Zahl von Spuren aufnehmen will, ist ein sehr großer Aufwand an Bildspeicherkapazität erforderlich. Be züglich des Aufnahmeaufwandes ist dies weniger problematisch, aber be züglich der Wiedergabevorrichtung, die in jedem Simulator enthalten sein muß, sind die Anforderungen an den Bildspeicher so hoch, daß erst neueste Fortschritte auf den Gebieten der Bildspeicherung auf Bildplatten, Ton platten oder Datenplatten für Computer sowie der Komprimierung und Dekomprimierung von Videoinformation die vorliegende Erfindung prak tisch realisierbar machen. Vom Videosignal-Wiedergabegerät wird erwartet, daß es Kapazität zur Abspeicherung vom etwa 100-fachen der Kapazität für einen normalen Videofilm von etwa 30 Minuten hat und daß dabei einzelne Bil der oder Bildfolgen ohne störende Schwarzphasen software-gesteuert nach Maßgabe der Geschwindigkeit, der Spur und der Richtung des simulierten Fahrzeugs adressierbar sind.

Die Verfügbarkeit eines derartigen Wiedergabegerätes für die Vorrich tung gemäß der Erfindung wird vorausgesetzt. Kompromisse zur Einsparung von Speicherkapazität können gefunden werden durch

- Verzicht auf hohe Bildqualität durch starke Komprimierung der Bild information,
- Verzicht auf Feinstufigkeit des Bildsprungs beim Spurwechsel durch Verminderung der Zahl der Spuren,
- Einschränkung des Spurbereichs gemäß der Wahrscheinlichkeiten der Verhaltensweisen der Benutzer beim Lenken,
- Nichtlinearität in der Stufung der Spuren derart, daß bei unwahr scheinlichen Lenkbewegungen die Stufung grober ist als im normalen Spurbereich,
- Verzicht auf Feinstufigkeit des Sprungs von Bild zu Bild durch An heben der Geschwindigkeit bei der Aufnahmefahrt,
- Einschränkung des Geschwindigkeitsbereiches nach unten gemäß der Wahrscheinlichkeiten der Verhaltensweisen der Benutzer beim Vor geben der Geschwindigkeit,
- Nichtlinearität der Stufung der fortbewegungsbezogenen Bilder derart, daß bei unwahrscheinlich niedrigen Geschwindigkeiten die Stufung gro ber ist als im normalen Geschwindigkeitsbereich und
- Einschränkung der Länge der dargestellten Distanz.

Die aufgenommene Bildinformation wird digitalisiert, komprimiert, ge gebenenfalls anders geordnet, von unnötigen Bildern, die zum Beispiel während des Rücklaufs der Schrittmotoren entstanden sind, oder von Standbildern, befreit und auf einem geeigneten Datenträger unterge bracht.

Fig. 2 zeigt die Vorrichtungen für die Bildwiedergabe im Simulator.

Im Fahrcomputer 9 werden aus den Stellungen der Bedienungselemente 14, das heißt des Gaspedals, des Bremspedals, des Kupplungspedals und der Gangschaltung unter Berücksichtigung der Parameter des nachzubildenden Fahrzeugs dessen Geschwindigkeit berechnet. Aus dem Lenkradwinkel der Geschwindigkeit und den im Speicher 13 gemäß PCT/EP91/00 144 gespeicher ten Daten der Aufnahmefahrt, insbesondere des Lenkradwinkels und der Geschwindigkeit werden die Differenz zwischen den Gierwinkeln, die Dif ferenz zwischen den Spuren und der Quotient aus den Geschwindigkeiten des Simulators und des Aufnahmefahrzeugs berechnet. Im Bildspeicher 11 werden alle Bildinformationen der Aufnahmefahrt in komprimierter Form abgespeichert derart, daß per Software Bildfolgen nach Spuren geordnet adressierbar sind und daß Einzelbilder ohne Schwarzphasen beliebig aufrufbar sind. Der Speicher 13 kann wesentlich kleiner als der Bild speicher 11 sein, da es genügt, wenn man den Fahrtdaten nur eine ein zige Spur zuordnet.

Ist der Quotient zwischen Simulator-Geschwindigkeit und Aufnahmefahr zeug-Geschwindigkeit gleich 1, so werden die zu der jeweils gefahrenen Spur gehörigen Fortbewegungsbilder durch entsprechende Adressierung in der gleichen Folge wiedergegeben in der sie aufgenommen waren. Ist der Quotient höher, so werden - am besten gemäß einer Tabelle - Einzelbil der übersprungen. Ist er niedriger, so werden Einzelbilder wiederholt. Fährt der Benutzer des Simulators rückwärts, so bedeutet dies einen negativen Quotienten, und die Bilder werden in umgekehrter Richtung adressiert.

Lenkt der Benutzer des Simulators genauso wie der Fahrer des Aufnahme fahrzeugs, so ist die Differenz zwischen den Lenkradwinkeln und somit die Differenz zwischen den Gierwinkeln gleich null. Das Bild wird mit tig dargestellt. Jede Abweichung im Gierwinkel muß eine Horizontalver schiebung des Bildes bewirken. Diesem Zweck dient die Horizontalver schiebungseinrichtung 10. Sie wird vom Computer 9 in linearer Abhängig keit der Gierwinkeldifferenz angesteuert. Damit bei der Bildverschiebung die seitliche Begrenzung nicht sichtbar wird, muß das Bild mit etwa dem Zweifachen der auf dem Monitor sichtbaren Breite aufgenommen, kompri miert und abgespeichert werden.

Wurde im Computer ein Wechsel der Spur berechnet, so wird durch geeig nete Adressierung des Bildspeichers 11 eine dementsprechende Bildfolge aufgerufen.

Dem Bildspeicher 11 ist eine Vorrichtung 12 zur Dekomprimierung der Bildinformation nachgeschaltet. Der Dekomprimierungsvorgang muß nicht bei allen abgespeicherten Bildern vorgenommen werden sondern nur bei den vom Fahrcomputer ausgewählten und in Echtzeit auf dem Monitor 15 dargestellten.

In Fig. 2 ist Block 8 die Endstufe des Videosignal-Wiedergabegerätes. Sie gibt das Videosignal an den Monitor ab, erhält seine Videoeingangs information von der Vorrichtung 12 zur Dekomprimierung oder gegebenen falls direkt vom Bildspeicher 11 und ist von der Horizontalverschiebungs einrichtung 10 derart ansteuerbar, daß das Monitorbild um eine etwa halbe Bildbreite nach beiden Seiten verschiebbar ist.

Claims

1. Vorrichtung zur Aufnahme und/oder Wiedergabe von Realbildern für Fahrsimulatoren unter Verwendung einer Videokamera (3) auf einem Aufnahmefahrzeug (1), eines Videosignal-Wiedergabegerätes (8), ei nes Monitors (15), eines Fahrcomputers (9), der an die Bedienungs elemente (14) eines Fahrsimulators angeschlossen ist, einer vom Fahrcomputer ansteuerbaren Horizontalverschiebungseinrichtung (10) für das Realbild und eines Speichers (13) für Daten der Aufnahme fahrt, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Aufnahmefahrzeug (1) eine Querschiene (2) angebracht ist, auf der eine oder mehrere synchronisierbare Videokameras (3a, b, ...), deren optische Achsen gleich und in Längsrichtung des Aufnahmefahrzeugs ausgerichtet sind, auf einem oder mehreren Schlitten (4a, b, ...) längs zur Querschiene um den Abstand zwischen den Kameras verschieb bar befestigt sind und daß ein Taktgeber (6) vorgesehen ist, der den Videokameras synchronen Lauf aufzwingt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß ein oder mehrere Schrittmotoren (5) oder analoge Servo motoren mit digitaler Wegregelung vorgesehen sind, die vom Taktge ber (6) ansteuerbar sind und die die Videokameras (3a, b, ...) auf ihren Schlitten (4a, b, ...) während der Aufnahme hin- und herfah ren.

3. Vorrichtung zur Aufnahme und/oder Wiedergabe von Realbildern für Fahrsimulatoren unter Verwendung einer Videokamera (3) auf einem Aufnahmefahrzeug (1), eines Videosignal-Wiedergabegerätes (8), ei nes Monitors (15), eines Fahrcomputers (9), der an die Bedienungs elemente (14) eines Fahrsimulators angeschlossen ist, einer vom Fahrcomputer ansteuerbaren Horizontalverschiebungseinrichtung (10) für das Realbild und eines Speichers (13) für Daten der Aufnahme fahrt, dadurch gekennzeichnet, daß

- dem Videosignal-Wiedergabegerät (8) ein oder mehrere Bildspeicher (11) mit schnellem Zugriff auf Bildfolgen und Einzelbilder vorge sehen ist, der mit den komprimierten Videosignalen aller Video kameras derart beschreibbar ist, daß Bildfolgen gemäß der hori zontalen Position ihrer optischen Achse nach Spurnummern geord net abspielbar sind und
- daß eine Vorrichtung (12) zur Dekomprimierung der Bildinformation vorgesehen ist, welches dem Videosignal-Wiedergabegerät (8) zuge ordnet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß die Spurnummern der Realbildfolgen im Bildspeicher (11) in Abhängigkeit von der Differenz der im Fahrcomputer (9) berechneten Spur der Simulatorfahrt von der Spur des Aufnahmefahrzeugs ansteuer bar sind.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß das Realbild in Abhängigkeit von der im Fahrcomputer (9) berechneten Differenz zwischen dem Gierwinkel der Simulatorfahrt und dem Gierwinkel des Aufnahmefahrzeugs mittels der Horizontalver schiebungseinrichtung (10) verschiebbar ist.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß die Wiedergabegeschwindigkeit nach oben durch Über springen und nach unten durch wiederholtes Aufrufen von Einzelbil dern einer vorgegebenen Spurnummer in Abhängigkeit vom Quotienten zwischen der im Fahrcomputer (9) berechneten Geschwindigkeit der Simulatorfahrt und der Geschwindigkeit des Aufnahmefahrzeugs ge steuert wird.