NO147773B - System for genering av panoramisk bilde. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører et system for generering

av et panoramisk bilde, hvilket system er beregnet for bruk blant andre anvendelser for skipsstyrings treningsanordninger.

Billedgenereringssystemet ifølge oppfinnelsen vedrører generelt genereringen av et bilde som har en bred synsvinkel og som sees i stor avstand.

En viktig anvendelse av dette system er simuleringen av panoramiske bilder for utstyr beregnet for trening i aktiviteter som medfører syn hele veien rundt og med lang avstand.

Prinsippet for treningssystemer er ikke nytt. Av kostnadsår-

saker, fare, ulempe eller utilgjengelighet kan praktisk trening i styring av kjøretøyer eller industrielt utstyr ikke alltid gis ved hjelp av de aktuelle kjøretøyer eller utstyr, men med bruk av spesielt konstruerte treningssystemer.

Billedgenereringssystemet ifølge oppfinnelsen er derfor spesielt tilegnet simuleringen av panoramiske bilder for systemer som er beregnet for trening i styring av skip.

Moderne skip med stort deplasement og av stor størrelse inne-

har spesielle sjøgående karakteristikker og kan opereres kun av riktig trenet personell. Meget av denne trening kan utføres lett og ved lavere kostnad på land ved hjelp av treningssimulatorer. Disse simulatorer reproduserer så nært som mulig styrebroen for skip. De har utstyr som simulerer reelt navigasjonsutstyr med hvilket de som trener praktiserer og under fullstendig sikkerhet lærer å håndtere vanskelige situasjoner som det er sannsynlig kan oppstå i realiteten. Disse styrestasjoner kan utsettes for kun-

stig bevegelse tilsvarende den for reelle skip og bestemmes av datamaskiner som en funksjon av manovrene som utføres og ytre tilstander (strøm, vindretning og vindhastighet), idet disse tilstander forutprogrammeres eller velges ved hjelp av en in-struktør under utførelsen av en øvelse.

Den faktiske styring av et skip er ikke desto mindre og fremfor alt basert på ytre syn for å bedømme posisjonen og hastigheten av skipet.

Bildet som sees fra en styrebro er en omgivende tilstand som er ganske klart vanskelig å reprodusere. Inntrykket av rom som er nødvendig for realistisk trening kan kun gis ved hjelp av vid-vinkelbilder som sees fra store avstander. Synsfeltet bør også være så stort som mulig i peiling, dvs. i det horisontale plan. Vertikalt antas det imidlertid at store skip forblir i passende avstander fra kysten og et synsfelt bestemt av en elevasjonsvinkel på ca. 10° over horisonten ville synes å være tilstrekkelig .

I visse kjente løsninger som er foreslått for treningssystemer omgis den simulerte styrestasjonen av skjermer, enten reflekter-ende eller gjennomsiktige, på hvilke lysbilder projiseres kant mot kant. Hvis det kreves betraktes disse bilder gjennom bryt-ende optiske anordninger av stor størrelse plassert foran disse bilder, hvilke således blir kollimert mot uendelig.

Anordningen som ofte foreslås og består av et sfærisk konkavt speil med et reelt bilde plassert i fokalplanet for dette speil frembringer et virtuelt bilde ved uendelig. Størrelsen av dette bildet kan imidlertid kun være meget lite hvis god billed-kvalitet og passe tilfredsstillende speildimensjoner ønskes.

En enhet av slike anordninger på en måte som muliggjør at flere individuelle bilder kan sidestilles kan resultere i et virtuelt bilde ved uendelig som har en bred synsvinkel.

En av de kvaliteter som kreves av det panoramiske bildet og følgelig av hvert av de individuelle bilder er at det er utviklende og i stand til å bli behandlet f.eks. ved hjelp av kjente overleggingsprosesser som en funksjon av skipets bevegelse. Ved foreliggende tidspunkt er det eneste utstyr som er kommersielt tilgjengelig og i stand til å frembringe slike utviklende bilder basert på bruken av katodestrålerør billedgeneratorer av tele-vis jons apparat typen.

Geniale anordninger må således finnes for sidestilling av individuelle bilder som frembringes av et sett av apparater for å danne et panoramisk bilde uten diskontinuitet til tross for blant andre problemer, marginalområdene for televisjonsapparatene, synlig fra et tilstrekkelig stort synsområde innenfor den simulerte styrestasjonen.

US-patent nr. 3 659 920 (tilsvarende fransk publikasjon nr.

2 103 554) vedrører et billedgenereringssystem som består av bestemte enheter sidestillt og orientert konsentrisk i elevasjon og retning.

Hver enhet har et konkavt speil, et katodestrålerør og et halvgjennomsiktig speil. Rørets senterlinje er praktisk talt per-pendikulært på speilets hovedoptiske akse. Det individuelle bildet som frembringes på røret reflekteres i fokalplanet av det konkave speilet ved hjelp av det halvgjennomsiktige plan-speilet plassert i 45° på begge aksene. De nyttige lysstråler som reflekteres av det konkave speilet passerer gjennom dette halvgjennomsiktige speilet, og bildet observeres langs hoved-aksen for det konkave speilet.

Hensikten med dette system som er beskrevet i dette US-patent er

å oppnå blant andre resultater et bilde som er riktig i den vertikale retning ved å oppta i hver enhet komponenter med av-tagende størrelse ettersom elevasjonsvinkelen og den betraktede enhet øker. Anordningen som er foreslått tilveiebringer imidlertid billedsidestilling kun for en observatør plassert absolutt kun ved det sentrale punkt i systemet, hvilket danner en uaksep-tabel begrensning når det skal simuleres et skips styrebro.

Hensikten med den foreliggende oppfinnelse er å frembringe et panoramisk bilde som er kontinuerlig i kurs, uavhengig av bevegel-sen av observatøren innenfor et rom med gitte dimensjoner som er forenelig med de i den reelle styrebro.

De for oppfinnelsen kjennetegnende trekk vil fremgå av de etter-følgende patentkrav samt av den etterfølgende beskrivelse under henvisning til tegningene.

Det konvensjonelle diagram som er vist i fig. 1 bestemmer i form av geometrisk optikk den synlige sonen for det virtuelle bildet av et objekt i et konkavt speil. Snittet gjennom et objekt I

i planet av figuren har formen f.eks. av en linje ab plassert i fokalplanet F av et konkavt speil M med senter C og hovedakse OC. Hensikten er forskyvning fra denne hovedakse for å unngå blokkering av nyttige reflekterte lysstråler. Systemet er slik at det virtuelle bildet sees ved uendelig med en vinkel <K , spesielt fra et hvert punkt på en rett linje mn plassert på

aksen zz' som går gjennom C og parallelt med planet F. Blant andre faktorer bestemmer dette speildimensjonene. Toppkanten av speilet bestemmes av den reflekterte stråle rm som korresponderer med toppenden av linjen ab og parallelt med den rette linjen aC. Bunnkanten bestemmes av den reflekterte strålen sn som korresponderer med bunnenden av linjen ab og parallelt med bC. Synlighets sonen V for betraktning av objektet I ved uendelig

er således plassert i planet i figuren mellom de rette linjene rm og sn.

Prinsippet for systemet ifølge oppfinnelsen er vist i fig. 2..

Et kontinuerlig panoramisk bilde ved uendelig oppnås fra: et sett av sfæriske konkave speil som danner et subekvatorialt reflekt-' erende areal som bestemmes av en virtuell kule med radius R og senter C, hvor aksen av dette areal danner systemaksen zz',

et kontinuerlig bilde lp hvis form kan assimileres med det for overflaten av et virtuelt avkortet prisme innskrevet i en sylinder, hvor denne sylinder er koaksial med systemet og har en diameter som er noe større enn to ganger radiusen R og plassert omtrentlig ved nivåét for ekvatorialplanet Pe av den virtuelle kulen.

Det kollimerte panoramiske bilde som sees fra observasjonsrommet

E (det for styrestasjonen) er den konjugerte av det kontinuerlige bildet ved refleksjon i refleksjonsområdet.

Avhengig av anvendelsen sees det at systemet ifølge oppfinnelsen kan danne en lukket ring på 360°, eller kan etterlates åpent til å dekke en vinkelsektor. Hvis ønskelig kan de konkave speil således danne kun en del eller en sektor av refleksjonsområdet.

På tilsvarende måte kan det virtuelle prismet reduseres til noen

få av dets fasetter. I den etterfølgende tekst refererer hen-visninger seg generelt til et panoramisk bilde med et refleksjonsområde og et virtuelt prismatisk område. Videre kan det sees uten å gå forbi oppfinnelsens omfang og i visse tilfeller,

at det kontinuerlige bildet kan assimileres ikke til en prismatisk overflate,men til en pyramideoverflate med liten topp-vinkel. Fig. 4 og 5 er delriss av et praktisk eksempel av billedgenereringssystemet ifølge oppfinnelsen. Fig. 4 er et toppriss som viser den sirkulære struktur av systemet som gjentar seg i kurs. Fig. 5 viser lysbanene i elevasjon i et plan xx<1> som går gjennom systemaksen som antas å være vertikalen.

I tillegg til observasjonsrommet innehar billedgenereringssystemet ifølge oppfinnelsen: et sett av n sfæriske konkave speil MCI, MC2 .... MCn, som hver har en radius R,

et sett av p første billedgeneratorer (eller første betraktnings-skjermer eller monitorer) Mil, M12, ....Mlp hvis skjermer er orientert radielt og regelmessig på en identisk måte mot utsiden av systemet,

et sett av q halvgjennomsiktige plane speil LI, L2 Lq av trapesformet kontur, og

et sett av q andre billedgeneratorer (eller andre monitorer)

M21, M22 M2q, hvis skjermer er orientert mot midten av systemet.

Speilene er plassert kant mot kant og danner et subekvatorialt refleksjonsområde på en virtuell kule med radius R og senter C.

De første monitorene frembringer.de første reelle bilder 111, 112 ....lip på deres respektive skjermer, hvilke kan assimileres til p sukssesive fasetter, ulike nummererte f.eks. av et kontinuerlig bilde lp eller av en prismatisk overflate.

De første reelle bilder betraktes fra systemaksen og i kurs eller retning i en vinkel Y • Deres midtpunkter definerer med system-

aksen et sett av meridianplan Pl, P2 Pn.

De halvgjennomsiktige plane speil er forbundet langs kantene av sine trapesformede konturer. I tilfellet med et lukket system danner de en regelmessig avkortet pyramide, hvor hvert speil danner en vinkel j$ med systemaksen. I det generelle tilfellet kan de assimileres til q sukssesive trapesformede fasetter med en virtuell pyramide tangerende en kjegle som er konsentrisk med systemet og som har en halvtoppvinkel lik /3 (fig. 5). Kantene i hver trapesformede plane speil ligger i to suksessive meridianplan som danner en vinkel 2 Y .

De andre monitorene frembringer andre reelle bilder 121, 122.... I2q, hvis konturer er identiske med de for de første reelle bilder. Disse andre reelle bilder er ikke synlig når de betraktes ovenfra. De er vist med stiplede linjer i fig. 4. De andre monitorene er orientert slik at de andre reelle bildene danner en vinkel P med de halvgjennomsiktige plane speilene (fig. 5). Et halvgjennomsiktig plant speil er funksjonsmessig tilknyttet hver andre monitor, slik at det er så mange halvgjennomsiktige plane speil som det er andre billedgeneratorer. De q andre reelle bilder har således som konjugerte ved refleksjon i de halvgjennomsiktige plane speil q virtuelle bilder I'21, I'22 112q anbragt til-grensende mellom de første reelle bilder og som kan assimileres med q suksessive likt nummererte fasetter med det kontinuerlige bildet lp eller med den prismatiske overflaten.

I fig. 5 sees den andre monitoren M21 og det andre reelle bildet 121 fra siden, hvor det halvgjennomsiktige plane speilet LI

og det konkave speilet MCI er vist i snitt, mens den første monitoren Mil og det første reelle bildet 111 er vist som 3/4 bilder. Kanten ab i det virtuelle bildet I'21 sees teoretisk og overens-stemmende med en kant i det første reelle bildet 111. De første monitorene er plassert omtrentlig ved nivået for ekvatorialplanet Pe, hvor de første reelle bilder er parallelle med aksen zz' i systemet eller praktisk talt parallelle, hvor deres midtpunkter er plassert noe under dette plan. De første og andre reelle bilder betraktes i en elevasjonsvinkel oC fra observasjonsrommet E konsentrisk med systemaksen og har en høyde H parallelt med aksen og en diameter ø. De nyttige lysstråler fra de første

reelle bilder går gjennom de halvgjennomsiktige plane speilene og reflekteres så av de sfæriske konkave speil. De nyttige lysstråler som oppnås fra de andre reelle bilder reflekteres av de halvgjennomsiktige plane speilene og så av de konkave speilene.

Prismeoverflaten har i det minste p + q suksessive fasetter og det panoramiske bildet som resulterer fra sidestillingen av p + q bilder sees ved uendelig. Disse bilder som sees ved uendelig og vurdert i retning eller kurs er de konjugerte ved refleksjon i refleksjonsområdet av vekselvise virtuelle bilder og første reelle bilder.

Konturen C av bildene frembragt av de vanlige monitorene (fig.

6) må korrigeres slik at de første reelle bilder og de virtuelle bilder møtes nøyaktig og er rektangulære eller noe trapesformet. Dette oppnås ved vanlig elektronisk korrigering eller bruk av masker. Av tydelighetshensyn anses alle bilder å være plane.

Når systemet er en lukket ring er tallene p og q like. Hvis systemet er en åpen sektor er det foretrukket at tallet q skal være lik p + 1. En foretrukket praktisk versjon har således kun en første generator, to halvgjennomsiktige plane speil og to andre generatorer.

For å muliggjøre fremstilling kan antallet speil n avvike fra tallene p og q og generelt overskride sistnevnte.

Diameteren ø er bestemt av vanlig geometrisk konstruksjon som ikke er vist og som har en meget stor radius Re (fig. 4) til et bunnhjørne i et andre reelt bilde og som reflekteres på bunn-hjørnet av det halvgjennomsiktige plane speilet som korresponderer med dette andre reelle bildet.

Når systemet er en åpen sektor kan vinkelen eller ikke være

en hel brøkdel av 2 7T radianer.

Det er klart at systemet kan orienteres i enhver retning i rommet. En anordning som er invertert med hensyn til den som er beskrevet ovenfor og i hvilken komponentene er plassert under de reflekterte

stråler og følgelig nærmere gulvet kan være fordelaktig.

Lovene for geometrisk optikk kan ikke anvendes til å bestemme posisjonen av systemkomponentene ifølge oppfinnelsen fordi dimensjonene av disse komponenter og den allerede betydelige størrelse som kreves for vinkel oc . Små refleksjonsvinkler

på speilene for å nærme seg de ideelle optiske tilstander og grenseforvrengning kan ikke oppnås bortsett fra gruppering hvis mulig av alle komponenter nær ekvatorialplanet.

Dimensjonene som skal bestemmes avhenger av mange parametre slik som dimensjonen av observasjonsrommet,dimensjonen av monitorskjerm-ene og den ønskede kvalitet av det panoramiske bildet.

Generelt vil distorsjon og variasjoner i avstanden av det panoramiske bildet som en funksjon av endringer i posisjonen for ob-servatøren avtar ettersom speilradiusen øker. For en gitt speil-radius øker distorsjonen og billeddistansevariasjonene ettersom observasjonspunktet beveger seg bort fra ekvatorialplanet.

Systemparametrene kan bestemmes grovt og ved suksessiv tilnærming ved hjelp av en grafisk konstruksjon i et plan xx' tilsvarende det i fig. 5. Ettersom observatørens øyne er plassert i to bestemte vertikale plan kan imidlertid den reelle optimale posisjon av komponentene variere noe fra den teoretiske posisjon som er funnet.

Løsningen kan finnes lettere ved å anvende en meget kjent mate-matisk kurve kjent som en brennkurve. For et hvert plan som passerer gjennom midtpunktet av et sfærisk konkavt speil og for en gitt retning i dette plan er brennkurven omhyllningen etter refleksjon i speilet av stråler innfallende i dette plan og parallelt med den angjeldende retning.

Fig. 7 viser snittet av en brennkurve S som korresponderer med de innfallende stråler på en speil M med midtpunkt C i en retning som er parallell med en akse CX og nær denne akse. Kurven er symmetrisk om aksen og har en spiss ved F halvveis, mellom speil-overf laten og midtpunktet C. Bunnhalvdelen av kurven er kun av interesse for den ønskede konstruksjon, ettersom den korrespond-

erer med innfallende stråler plassert under aksen CX, dvs.

under ekvatorialplanet. Tangentpunktene m' og n' på kurven S korresponderer med innfallende stråler mu og nv respektive. Et punkt på linjen CY' korresponderer således med et punkt på kurven. Kurven og linjen CY' kan graderes på en homolog måte som en funksjon av innfallsvinkelen i. De parametriske ligninger for denne kurve er:

Fig. 3 representerer settet av virtuelle bilder og første reelle bilder betraktet ovenfra, sidestilt i en sirkel og kant mot kant i en avstand D fra aksen zz' i systemet. Distansen D av et virtuelt bilde eller et første reelt bilde kan fastsettes ved suksessiv tilnærming fra de følgende ligninger:

hvor N er det totale antall monitorer (i tilfellet av et lukket sirkel system)

og er det vanlige kommersielle forhold mellom h og L (fig. 6) .

Synsvinkelen oc i elevasjon deles så i en vinkel over horisonten

o£s og en vinkel under horisonten OC^, dvs. &■ = + <*s.

Den grafiske konstruksjonen som vist i fig. 8 kan anvendes for

å bestemme grovt og ved suksessiv tilnærming posisjonen av de første monitorene med hensyn til ekvatorialplanet, verdien av R, gjennomsnittsdistansen J og høyden H av observasjonsrommet, posisjonen av de halvgjennomsiktige speilene, vinkelen /? så vel som det vinkelmessige feltet av speilene i elevasjon.

Denne konstruksjon består først i å overlagre i den samme tegning

to identiske brennkurver slik som den i fig. 7, forskyve dem vinkelmessig den ene med en vinkel oC^ og den andre med en vinkel oc med hensyn til de rektangulære aksene zz' og hh' som skjærer hverandre ved punktet C. Radiusen av den sirkulære bue er tilfeldig. Den rette linjen som representerer et virtuelt bilde sett fra siden og som er begrenset av kurvene Sl og S2 ved a og 1

er trukket parallelt med aksen zz' tett ved punktene Fl og F2. Distansen mellom denne linje ab og disse punkter er overdrevet

i fig. 8 for tydelighets skyld i denne tegning som er i redusert målestokk. Punktene a og b tilhører henholdsvis kurvene Sl og S2. Deres koordinater med hensyn til settene av akser XI, Y'l

og X2, Y'2 (eller graderingene tilhørende hver kurve) gjør det mulig å bestemme innfallsvinklene på speilet for strålene som er tangensielle med kurvene ved a og b, de to refleksjonspunktene u og v, så vel som punktene g og e på aksene CY'l og CY'2.

Ifølge en nogenlunde tilnærming er punktet q på Cz<1> mellom g og

e et punkt fra hvilket linjen ab sees i en vinkel & Z< . Dette punkt q definerer gjennomsnittsdistansen J av observasjonsrommet fra ekvatorialplanet. En linje mn som representerer den ønskede høyde H av observasjonsrommet er markert på aksen Cz<1> ved like distanser på hver side av q. Dens lengde er opprinnelig tilfeldig eller en funksjon av de tidligere forsøk, ettersom distansen Cn ikke må overskride R/4 hvis for stor billedforvrengning skal unngås. Stråler mr og ns parallelle med CXI og CX2 danner resp. observasjonsromgrensene. Punktene k og t på kurvene Sl og S2 korresponderer med disse grenser. Disse punkter bør også være så nær som mulig punktene a og b. Denne tilstand er mer til-fredsstillet ettersom linjen ab nærmer seg punktene Fl og F2. Strålene mr og st bestemmer posisjonen av det halvgjennomsiktige plane speilet L. Skjæringspunktet A av basisen av dette plane speil med planet i figuren bør plasseres så langt som mulig til venstre over strålen mr og under strålen st.

Det gjenstår da å kontrollere for dette punkt A at en helnings-vinkel y6 for et halvgjennomsiktig plant speil og en posisjon for det andre reelle bildet representert ved linjen cd er mulige.

Dette bestemmes ved å trekke en sirkulær bue med radius ab og sentrert på a, idet det kontrolleres at denne bue passerer over strålen rk. Hvis dette ikke er mulig, må enten høyden H reduseres eller punktene Fl og F2 må beveges ytterligere bort, hvor linjen ab representerer det virtuelle bildet. For å oppnå passende innfallsvinkler for strålene på det halvgjennomsiktige speilet L kan det være fordelaktig for punktet d å være så langt som mulig fra punktet b på buen med radius Ab. Den optimale konstruksjon korresponderer med en sirkulær bue tilnærmet tang-

entiell med strålen rk.

Det halvgjennomsiktige plane speilet kan så tegnes perpendi-kulært på linjen db, og må helt klart avskjære strålen rk. Størrelsen av radiusen R er gitt av figurens målestokk, hvilken bestemmes av forholdet mellom distansen av linjen ab fra aksen zz' og den tidligere angitte verdi av D.

Claims (1)

1. System for generering av et panoramisk bilde synlig fra et sentralt observasjonsrom, beregnet blant andre anvendelser for skipsstyrings treningsutstyr, hvilket system omfatter et sett av n sidestilte konkave speil (MCI, MC2...) som danner et refleksjonsområde bestemt av en subekvatorial sone av en virtuell kule med radius R, hvor aksen (Z, Z') i sonen danner systemets akse, og et sett av q trapesformede halvgjennomsiktige plane speil (LI, L2...) som er forbundet kant mot kant og danner q suksessive sider i en virtuell pyramide som omgir en kjegle konsentrisk med systemet og danner en halvtoppvinkel y9, karakterisert ved at det omfatter et sett av p første billedgeneratorer (Mil, M12...)

jevnt plassert i en bue av en første sirkel sentrert i nevnte akse (Z, Z') med sine skjermer orientert utad mot nevnte halvgjennomsiktige speil, samt et sett av andre billedgeneratorer (M21, M22...) som er identiske med de første og jevnt plassert i en bue 'av en andre sirkel som er større enn nevnte første sirkel og også sentrert i nevnte akse (Z, Z') med deres skjermer orientert innad mot nevnte halvgjennomsiktige speil, idet skjermene for nevnte første og andre billedgenerator er innbyrdes forskjøvet og hver skjerm vender mot gapet mellom de to nærmeste skjermer som er plassert på den andre siden av nevnte halvgjennomsiktige speil.