DE4320110C2 - Verfahren zum Betreiben eines Stereo-Sichtsystems sowie Stereo-Sichtsystem mit zwei Sichtkanälen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Stereo-Sichtsystems, insbesondere eines Stereo-Sichtsy­ stems zur Überwachung ferngesteuerter Arbeiten, mit zwei jeweils eine Kamera mit einem Objektiv aufweisenden Sicht­ kanälen, deren verstellbare optische Parameter wie Fokus, Blende und Zoomeinstellung justiert und diesen Parametern zugeordnete Einstellungen gemessen werden, ferner auf ein Stereo-Sichtsystem zum Durchführen des Verfahrens.

Ein derartiges Verfahren und ein der Verfahrensdurchfüh­ rung dienendes Sichtsystem sind bereits bekannt. Hier­ bei werden paarweise gleiche optische Parameter beider Sichtkanäle jeweils gemeinsam mit Stellelementen gesteu­ ert. Beispielsweise werden die Blenden der Objektive der beiden Sichtkanäle durch ein zugeordnetes Stellelement über zwei synchron laufende Wellen gesteuert. Bei der Fokuseinstellung werden zusätzliche Wellen zur gemein­ samen Steuerung der Foki benötigt. Bei dieser mecha­ nischen Lösung wird eine Justage der Objektive unter­ einander praktisch ausgeschlossen, da die jeweiligen Wellen jeweils synchron laufen und in ihrer Überset­ zung nicht verändert werden können. Es ergeben sich dadurch wegen des Spiels in diesen Antriebssträngen Unge­ nauigkeiten im Synchronlauf, die in unterschiedlichen Schärfen der Sichtkanäle sowie Helligkeitsunterschieden resultieren können. Um trotzdem brauchbare Ergebnisse zu erzielen, beschränkte sich das Verfahren bisher auf die Verwendung von Weitwinkelobjektiven. Ungenauigkeiten der Objektive konnten aber auch dadurch damit nicht ausgegli­ chen werden.

Aus der EP 0 146 476 B1 ist eine Anordnung zur Aufnahme von stereoskopischen Bildern für Kino- oder Fernsehzwecke bekannt. Hierzu sind zwei schwenkbare Kameras voneinander beabstandet auf einer quer zur Aufnahmerichtung verlaufen­ den Führung angeordnet. Dadurch, daß die Kameras auf der Führung verfahrbar sind, ist der Abstand zwischen den Kameras variabel. Den Kameras ist eine gemeinsame Steue­ rungseinrichtung zur parallelen Ansteuerung zugeordnet, die die Schwenkstellung der Kameras und die jeweilige Einstellung der Objektive gemäß einem zuvor abgespeicher­ ten Programm vorgibt. Ein zwischen den Aufnahmerichtungen der Kameras liegender Konvergenzwinkel wird durch Ver­ schwenken oder Verfahren der Kameras eingestellt. Nach einer anderen Ausführung wird der Konvergenzwinkel durch eine den Kameras vorgeschaltete Spiegelanordnung einge­ stellt. Diese Einrichtung ist allerdings nur in Verbindung mit Teleobjektiven sinnvoll, da ansonsten die Spiegel dieser Anordnung eine unsinnige Baugröße annehmen.

Die gleichzeitige Variation von Konvergenzwinkel und Ba­ sis ergibt den für die bevorzugte Anwendung des Gegenstan­ des der EP 0 146 476 B1 vorteilhaften lebensnahen Effekt, daß sich der Gegenstand bei Veränderung des Konvergenzwinkels auf den Beobachter zu bzw. von ihm wegbewegt. Für wissen­ schaftlich-technische Anwendungen ist eine solche schein­ bare Bewegung des Gegenstandes allerdings nicht akzepta­ bel. Desweiteren ist die Veränderbarkeit der Basis mit einem weiteren mechanischen Stellparameter verknüpft, der die exakte Justierbarkeit des Gegenstandes beeinträchtigt und diesen somit als für wissenschaftlich-technische Anwendungen ungeeignet erscheinen läßt.

Ferner ist in dem Aufsatz "Autostereoskopische 3D-Systeme mit Zwischenbildern in Linsenrastergroßbildschirmen" von R. Börner (Seiten 628 bis 636, Fernseh- und Kinotechnik, 44. Jahrgang, Nr. 11, 1990) eine experimentelle Anordnung beschrieben, bei der neun CCD-Kameras unmittelbar nebenei­ nander für Aufnahmeexperimente im Kino- und Fernsehbereich angeordnet sind. Von einer dieser Kameras wird ein Synchro­ nisationssignal ausgekoppelt und an die restlichen acht Kameras zur Taktsynchronisation weitergeleitet. Die Bilder der einzelnen Kameras werden auf diese Weise in vorbestimm­ ter zeitlicher Reihenfolge nacheinander auf einen Monitor geschaltet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art und ein Sichtsystem zum Durchfüh­ ren dieses Verfahrens zu schaffen, bei dem unterschiedli­ che Scharfeinstellungen in den Sichtkanälen vermieden wer­ den und bei dem auch längerbrennweitige Objektive bei guten optischen Abbildungseigenschaften verwendet werden können. Insbesondere sollen auch die Handhabung und Ju­ stierung solcher Stereo-Sichtsysteme vereinfacht werden.

Diese Aufgabe ist in verfahrenstechnischer Hinsicht da­ durch gelöst, daß die optischen Parameter eines als Master bestimmten Sichtkanals jeweils sequentiell gesteuert wer­ den und über die dabei gemessenen Einstellungen eines im Sichtkanal angeordneten Objektivs die entsprechenden opti­ schen Parameter des als Slave bestimmten zweiten Sichtka­ nals nachgeführt werden, wobei die ermittelten Einstel­ lungen der Objektive einander paarweise entsprechender optischer Parameter beider Sichtkanäle während des Nach­ führprozesses laufend miteinander verglichen werden und daß ein von den Sichtkanälen eingeschlossener Konvergenz­ winkel so verstellt wird, daß ein zwischen den Mittel­ achsen der Objektive an deren Eintrittsöffnungen zu mes­ sender Abstand etwa dem mittleren Pupillenabstand beim Menschen, vorzugsweise etwa 62 mm, entspricht, konstant gehalten wird.

Bei einem derartig ausgebildeten Verfahren beschränkt dich die Justage des Stereo-Sichtsystems auf die Steue­ rung der optischen Parameter nur eines Sichtkanals. Die dabei gemessenen Einstellungen der einzelnen Parameter werden mit den Einstellungen der entsprechenden Para­ meter des zweiten Sichtkanals verglichen. Bei Diskrepanz der gemessenen Einstellungen paarweise zugeordneter optischer Parameter der beiden Sichtkanäle wird der entsprechende optische Parameter des zweiten als Slave dienenden Sichtkanals nachgeregelt bzw. nachgeführt. Der als Master fungierende erste Sichtkanal gibt damit nicht nur, wie bei dem oben beschriebenen Stande der Technik, eine Taktsynchronisation für den zweiten Sichtkanal vor, sondern bestimmt zudem auch dessen gesamte optische Para­ meter. Durch dieses Master-Slave-Prinzip lassen sich auch beim Einsatz von Varioobjektiven über den üblichen einstellbaren Brennweitenbereich von Weitwinkel- bis Te­ leeinstellung für eine gewählte Brennweite praktisch iden­ tische Schärfen, Helligkeiten und Gesichtsfelder beider Sichtkanäle erzielen, wobei sich die Handhabung bzw. Ju­ stierung des Stereo-Sichtsystems vereinfacht.

Dabei können die Einstellungen sich paarweise entspre­ chender optischer Parameter beider Sichtkanäle mittels geeigneter Einstellsignale Eingängen einer den jeweili­ gen optischen Parametern zugeordneten Subtrahiereinrich­ tungen übermittelt werden und die Parameter des als Slave bestimmten Sichtkanals können über Ausgangssignale der Subtrahiereinrichtung nachgeführt werden. Damit werden für einander paarweise zugeordnete optische Parameter individuelle Regelschleifen erzeugt.

In vorrichtungstechnischer Hinsicht ist die oben angege­ bene Aufgabe bei einem Stereo-Sichtsystem mit zwei je­ weils eine Kamera mit einem Objektiv aufweisenden etwa identischen Sichtkanälen, welche in einem Konvergenz­ winkel (auch Schielwinkel genannt) zueinander angeordnet sind, wobei den jeweiligen Sichtkanälen zugeordnete op­ tische Parameter wie Fokus, Blende und Zoom-Einstellung der jeweiligen Sichtkanäle über Stellelemente verstell­ bar und entsprechende Einstellungen über Wegaufnehmer meßbar sind, durch Schaffung eines Stereo-Sichtsystems gelöst, bei dem ein solches Sichtsystem eine Steuerelek­ tronik aufweist, welche mit den Stellelementen und den Wegaufnehmern wirkverbunden ist und bei dem das Stereo- Sichtsystem über eine Einrichtung zur Verstellung des Konvergenzwinkels zwischen den beiden Sichtkanälen verfügt, wobei der Abstand zwischen den optischen Achsen der beiden Objektive an deren Eintrittsöffnungen auch bei Verstellung des Konvergenzwinkels konstant bleibt und etwa dem mittleren Pupillenabstand bei Menschen, vorzugsweise etwa 62 mm, entspricht.

Die Steuerelektronik erzeugt die Steuersignale für die zur Justage der optischen Parameter erforderlichen Stell­ elemente und verarbeitet die von den Wegaufnehmern gemes­ senen Einstellungen der optischen Parameter. Der Konver­ genzwinkel, in welchem die Sichtkanäle zueinander ange­ ordnet sind, ist verstellbar. Dadurch läßt sich ein an die entsprechend gewählte Zoomeinstellung der Varioob­ jektive angepaßter Stereoeffekt erzielen. Dadurch, daß der Abstand zwischen den Mittelachsen der Objektive de­ ren Eintrittsöffnungen unveränderbar bei Verstellung des Konvergenzwinkels ist und etwa dem mittleren Pupillenab­ stand beim Menschen, vorzugsweise etwa 62 mm, entspricht, wird ein an menschliches Sehen angepaßter Stereoeffekt und ein ermüdungsfreies Sehen ermöglicht.

Als vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn der Konvergenzwin­ kel für beide Sichtkanäle gemeinsam verstellbar ist, um eine Symmetrisierung des Stereobildes bezüglich einer zwi­ schen den Sichtkanälen liegenden Mittelebene zu erzielen.

Beim Einsatz des Stereo-Sichtsystems in strahlenbelasteter Umgebung hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn das Ste­ reo-Sichtsystem strahlungsresistent und/oder von einem strahlungsresistenten Gehäuse umgeben ist. Bei Verwendung eines solchen Gehäuses ist es zweckmäßig, wenn das Gehäuse in seinem den Eintrittsöffnungen der Objektive zugewandten Bereich ein strahlungsresistentes Ausblickfenster aufweist.

Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform kann darin bestehen, daß das Stereo-Sichtsystem eine etwa in Blick­ richtung der Objektive ausgerichtete Beleuchtungsein­ richtung aufweist. Eine solchermaßen integrierte Be­ leuchtung sorgt bei lichtschwachen oder bei dunklen Verhältnissen für eine Aufhellung bzw. Ausleuchtung des Aufnahmehintergrundes oder Aufnahmeobjektes.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Steuerelektronik des Stereo-Sichtsystems über wenigstens eine Schnitt­ stelle mit einem Rechner verbindbar ist. Durch die Vernetzung der Steuerelektronik mit einem Rechner wird die Bedienung des Stereo-Sichtsystems weiter verein­ facht, indem beispielsweise öfter wiederkehrende Justier­ abläufe über den Rechner schnell abrufbar und durchführ­ bar sind.

Anhand der beigefügten Zeichnung soll eine Ausführungs­ form der Erfindung nachstehend näher beschrieben werden.

Die einzige Figur zeigt in stark schematisierter Dar­ stellung die zu dem erfindungsgemäßen Stereo-Sichtsystem gehörenden Sichtkanäle und das Regelprinzip mit den für die einzelnen optischen Parameter vorgesehenen Stellele­ menten und Wegaufnehmern.

Das in der Figur im Ganzen mit 1 bezeichnete Stereo- Sichtsystem dient als Sichtmittel bei ferngesteuerten Arbeiten oder Inspektionen in für menschliche Arbeits­ kräfte gefahrlos nicht zugänglichen Bereichen, wie bei­ spielsweise in strahlenbelasteten Labors kerntechnischer Anlagen. Zu diesem Zweck lassen sich dergleichen Stereo- Sichtsysteme beispielsweise auf kettenbetriebenen Manipulatorfahrzeugen einsetzen.

Das Stereo-Sichtsystem 1 weist zwei Sichtkanäle 2, 2′ auf, welche im Ausführungsbeispiel jeweils eine Ka­ mera 3, 3′ und ein Objektiv 4, 4′ umfassen. Zu einem Sichtkanal 2 bzw. 2′ gehören eine Kamera 3 bzw. 3′ und ein Objektiv 4 bzw. 4′, die jeweils längs einer opti­ schen Achse A bzw. A′ angeordnet sind. Die Objek­ tive 4, 4′ sind im Ausführungsbeispiel Varioobjektive und befinden sich in einem veränderbaren fokalen Abstand - im folgenden kurz als Fokus 5, 5′ bezeichnet - zu der jeweiligen Kamera 3, 3′. Zwischen den Kameras 3, 3′ und den Objektiven 4, 4′ sind Blenden 6, 6′ angeordnet, über die die Lichtintensität für die Kameras 3, 3′ veränder­ bar ist. Zur Wahl des Gesichtsfeldes sind die Objek­ tive 4, 4′ in ihrer Zoom-Einstellung 7, 7′ innerhalb vorbestimmter Grenzen variierbar. Die optischen Achsen A und A′ der beiden Sichtkanäle 2 und 2′ sind in einem Schielwinkel B zueinander angeordnet. Dieser Schielwin­ kel 8 ist für beide Sichtkanäle 2, 2′ gemeinsam ver­ stellbar, so daß die Sichtkanäle 2, 2′ symmetrisch zu einer bezüglich der Blickrichtung des Stereo-Sicht­ systems starren Mittelebene M angeordnet sind. Dabei bleibt der Abstand C, den die Objektive 4, 4′ an ihren Eintrittsöffnungen zwischen ihren Mittelachsen A, A′ aufweisen, unveränderbar bei Verstellung des Schielwin­ kels 8.

Beide Sichtkanäle 2, 2′ sind praktisch identisch aufge­ baut, wobei sich die einzelnen Elemente wie beispiels­ weise die Objektive 4, 4′ paarweise in ihren optischen Eigenschaften entsprechen, das heißt baugleich sind. Die Sichtkanäle 2, 2′ sind in ihren Abbildungseigenschaften durch die oben aufgeführten optischen Parameter, wie Fokus 5, 5′ sowie Blende 6, 6′ und Zoom-Einstellung 7, 7′ gekennzeichnet, welche durch individuell und kanalweise zugeordnete Stellelemente 10 bis 15, vorzugsweise Stell­ motoren, verstellbar sind. Dabei werden Einstellungsän­ derungen der einzelnen Parameter über jeweils fest zugeordnete Wegaufnehmer 16 bis 21 gemessen.

Das Stereo-Sichtsystem 1 weist eine Steuerelektronik auf, welche mit den Stellelementen 10 bis 15 und den Wegaufnehmern 16 bis 21 elektrisch verbunden ist. Mit­ tels Steuersignalen 22 bis 24 der Steuerelektronik werden die Stellelemente ausschließlich eines der Sicht­ kanäle 2, 2′ angesteuert. Damit erfolgt die Justage dieses als Master dienenden Sichtkanals 2, wobei die über die Stellelemente 10 bis 12 mit der Steuerelektro­ nik in Verbindung stehenden optischen Parameter, wie Fokus 5, Zoom-Einstellung 7 und Blende 6 gemäß den jeweiligen Erfordernissen, wie Gesichtsfeld, Schärfe und Helligkeit entsprechend gesteuert werden. Die dazu vorgenommenen jeweiligen Einstellungen dieser Parameter werden über die entsprechenden Wegaufnehmer 16 bis 18 der Steuerelektronik zugeführt. Mittels zur Steuerelek­ tronik gehörenden Subtrahiereinrichtungen 25, 26, 27, welche im Ausführungsbeispiel als Differenzverstärker geschaltet sind, werden die Einstellungen der jeweils einander paarweise zugeordneten optischen Parameter der beiden Sichtkanäle 2, 2′ miteinander verglichen und gemäß der Größe des jeweilig resultierenden Differenz­ signals der entsprechende optische Parameter des zweiten als Slave bestimmten Sichtkanals 2′ über das entspre­ chend zugeordnete Stellelement nachgeführt. In entspre­ chender Weise werden die übrigen optischen Parameter sequentiell auf dem als Master bestimmten Sichtkanal 2 justiert bzw. gesteuert und die dazu entsprechenden Parameter des als Slave bestimmten Sichtkanals 2′ durch zugeordnete Subtrahiereinrichtungen 25, 26, 27 nachge­ regelt bzw. nachgeführt.

Die Steuerelektronik weist wenigstens eine nicht darge­ stellte Schnittstelle auf, mittels der die Steuerelek­ tronik mit einem Rechner verbindbar ist. Durch den Ein­ satz eines Rechners lassen sich Handhabung und Justie­ rung des Stereo-Sichtsystems 1 vereinfachen, indem an­ sonsten manuell erforderliche Justierprozeduren schnell abrufbar sind.

Zur Verstellung des Schielwinkels 8 sind die beiden Sichtkanäle 2, 2′ entlang einer etwa senkrecht zu ihrer Mittelebene M verlaufenden Ebene derart zueinander verstellbar bzw. schwenkbar, daß ein auf der Mittel­ achse M liegender gemeinsamer Fluchtpunkt der Mittel­ achsen A, A′ der beiden Sichtkanäle 2, 2′ in Blickrich­ tung der Objektive 4, 4′ verstellt werden kann. Dabei ändert sich dessen Lage im Endlichen nach Maßgabe des Schielwinkels 8 relativ zur Position des Stereo-Sicht­ systems 1. Zur Steuerung des Schielwinkels 8 ist eine zur Steuerelektronik gehörende Subtrahiereinrichtung 28 vorgesehen, deren Ausgangssignal ein für die Ver­ schwenkung der Sichtkanäle 2, 2′ vorgesehenes Stellele­ ment 29 ansteuert, wobei als Eingangssignale einerseits ein dem Wegaufnehmer 30 entnommener Einstellungsmeßwert und andererseits ein momentan über den Wegaufnehmer 17 ermittelter dem Fokus 5 zugeordneter Meßwert eingespeist werden.

Das Stereo-Sichtsystem 1 kann für Arbeiten in schlecht ausgeleuchteten Räumen eine Beleuchtungseinrichtung aufweisen, welche etwa in Blickrichtung der Kameras ausgerichtet ist. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist das Stereo-Sichtsystem 1 von einem strahlungsre­ sistenten - nicht dargestellten - Gehäuse umgeben. Dabei können die optischen Komponenten des Stereo-Sicht­ systems 1 strahlungsresistent ausgebildet sein. Sinn­ vollerweise weist das Gehäuse ein strahlungsresistentes Ausblickfenster auf, welches den Eintrittsöffnungen der Objektive 4, 4′ zugewandt ist. Als Kameraeinheiten werden im Ausführungsbeispiel strahlungsresistente Schwarzweiß-Fernsehkameras verwendet. Sinnvollerweise werden die Kameras 3, 3′ so ausgewählt, daß die opti­ schen und elektrischen Eigenschaften der Kameras 3, 3′ übereinstimmen.

Claims (8)

1. Verfahren zum Betreiben eines Stereo-Sichtsystems insbesondere eines Stereo-Sichtsystems zur Überwachung ferngesteuerter Arbeiten, mit zwei jeweils eine Kamera mit einem Objektiv aufweisenden Sichtkanälen, deren verstellbare optische Parameter wie Fokus, Blende und Zoom-Einstellung justiert und diesen Parametern zuge­ ordnete Einstellungen gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Parameter (5, 6, 7) eines als Master bestimmten Sichtkanals (2) jeweils sequentiell gesteuert werden und über die dabei gemessenen Einstellungen (16, 17, 18) eines im Sichtkanal (2) angeordneten Objektivs (4) die entsprechenden optischen Parameter (5′, 6′, 7′) des als Slave bestimmten zweiten Sichtkanals (2′) nach­ geführt werden, wobei die ermittelten Einstellungen (16, 19, 17, 20, 18, 21) der Objektive (4, 4′) einander paar­ weise entsprechender optischer Parameter (5, 5′; 6, 6′; 7, 7′) beider Sichtkanäle (2, 2′) während des Nachführ­ prozesses laufend miteinander verglichen werden und daß ein von den Sichtkanälen (2, 2′) eingeschlossener Konvergenzwinkel (8) so verstellt wird, daß ein zwischen den Mittelachsen (A, A′) der Objektive (4, 4′) an deren Eintrittsöffnungen zu messender Abstand (C), der etwa dem mittleren Pupillenabstand beim Menschen, vorzugsweise etwa 62 mm, entspricht, konstant gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellsignale (16, 19; 17, 20; 18, 21) sich paar­ weise entsprechender optischer Parameter (5, 5′; 6, 6′; 7, 7′) beider Sichtkanäle (2, 2′) Eingängen einer den jeweiligen optischen Parametern zugeordneten Subtrahier­ einrichtung (22, 23, 24) zugeleitet werden und die Para­ meter (5′, 6′, 7′) des als Slave bestimmten Sichtkanals (2′) über die Ausgangssignale der Subtrahiereinrichtung (22, 23, 24) nachgeführt werden.

3. Stereo-Sichtsystem zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit zwei jeweils eine Kamera mit einem Objektiv aufweisenden etwa identischen Sichtkanälen, welche in einem Konvergenzwinkel zueinander angeordnet sind, wobei den jeweiligen Sichtkanälen zugeordnete op­ tische Parameter wie Fokus, Blende und Zoomeinstellung der jeweiligen Sichtkanäle über Stellelemente verstellbar und entsprechende Einstellungen über Wegaufnehmer meßbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Stereo-Sichtsystem (1) eine Steuerelektronik aufweist, welche mit den Stellelementen (10, 11, 12, 13, 14, 15) und den Wegaufnehmern (16, 17, 18, 19, 20, 21) wirkverbunden ist und daß das Stereo-Sichtsystem (1) über eine Einrichtung zur Verstellung des Konvergenzwinkels (8) zwischen den beiden Sichtkanälen (2, 2′) verfügt, wobei der Abstand (C) zwischen den optischen Achsen (A, A′) der beiden Objektive (4, 4′) an deren Eintrittsöffnungen auch bei Verstellung des Konvergenzwinkels (8) konstant bleibt und etwa dem mittleren Pupillenabstand beim Men­ schen, vorzugsweise etwa 62 mm, entspricht.

4. Stereo-Sichtsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Konvergenzwinkel (8) für beide Sichtkanäle (2, 2′) gemeinsam verstellbar ist.

5. Stereo-Sichtsystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Stereo-Sichtsystem (1) strah­ lungsresistent und/oder von einem strahlungsresistenten Gehäuse umgeben ist.

6. Stereo-Sichtsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse in seinem den Eintrittsöffnungen der Objektive (4, 4′) zugewandten Be­ reich ein strahlungsresistentes Ausblickfenster aufweist.

7. Stereo-Sichtsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Stereo-Sichtsystem (1) eine etwa in Blickrichtung der Objektive (4, 4′) ausge­ richtete Beleuchtungseinrichtung aufweist.

8. Stereo-Sichtsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektronik des Stereo-Sichtsystems (1) über wenigstens eine Schnitt­ stelle mit einem Rechner verbindbar ist.