Beschreibung
3D-Kamerasteuerung
Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur visuellen Darstellung von Umgebungsinformationen auf Basis eines Modells
Verstärkt werden Videokameras zur Überwachung von Orten (Ge- bäuden, Anlagen und Prozessen) eingesetzt. Bei Videoüberwachungsanlagen kommen meist mehrere Kameras zum Einsatz, die sowohl unterschiedliche, als auch sich überschneidende Sichtbereiche des Ortes abdecken. Die Ansteuerung und die Auswahl des anzuzeigenden Sichtbereiches erfolgt dabei meist von ei- ner zentralen Stelle aus.
Die Auswahl erfolgt heutzutage durch einen Benutzer des Systems, der die zu verwendende Kamera auswählt und - soweit die Kameraausrichtung beeinflussbar ist - die richtige Ausrich- tung ansteuert. Gerade in Umgebungen mit verwinkelten Gebäuden oder Anlagenteilen kann dieser Vorgang viel Zeit in Anspruch nehmen, weil für den Anwender nicht offensichtlich ist, welche Kamera einen freien Blick auf den zu betrachtenden Gebäudeteil gewährt (z.B. Feuer im Bau 2 Raum 234).
Die Auswahl des anzuzeigenden Kamerabildes obliegt heutzutage der Verantwortung des Anwenders. Er muss entscheiden, welche Kamera eingesetzt und angesteuert werden muss, um einen bestimmten Bereich auf einem Sichtmonitor zur Anzeige zu brin- gen. Neuere Systeme unterstützen ihn dabei rein informativ, durch die geometrischen Darstellungen (2D / 3D) des zu überwachenden Ortes (Gebäude, Anlage, Prozess) inklusive der Aufstellorte der Kameras. Die geometrische Darstellung wird unter anderem auch dazu genutzt, dem Anwender die Auswahl der aktuell zu verwendenden Kamera (Anzeige und Steuerung) zu ermöglichen.
Die Aufgabe der vorliegen Erfindung ist, ein System und ein Verfahren anzugeben, mithilfe dessen die eine Auswahl bzw. Ansteuerung einer Erfassungsvorrichtung, insbesondere einer Kamera, automatisch erfolgt.
Die Aufgabe wird gelöst durch System zur insbesondere visuellen Darstellung von Umgebungsinformationen, mit mindestens einer Erfassungsvorrichtung zur Erfassung der UmgebungsInformationen, mindestens einer Wiedergabevorrichtung zur Wieder- gäbe von erfassten Umgebungsinformationen, mindestens einem Modell der Umgebung und einer Steuerungsvorrichtung zur Auswahl und/oder Steuerung der mindestens einen Erfassungsvorrichtung auf Basis des Modells der Umgebung.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur insbesondere visuellen Darstellung von Umgebungsinformationen, bei dem die Umgebungsinformationen erfasst werden, die erfassten Umgebungsinformationen wiedergegeben werden, die Umgebung in einem Modell abgebildet wird und mindestens eine Erfassungsvorrichtung auf Basis des Modells der Umgebung ausgewählt und/oder gesteuert wird.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei der Erfassung von Informationen für einen Anwender eines großräumi- gen Systems die Auswahl relativ schwierig ist. Beispielsweise bei der Auswahl von Kameras für die Gebäudeüberwachung oder auch bei der Auswahl beliebiger anderer Erfassungseinheiten, die über einen großen Raum oder einfach nur in unübersichtlicher Weise angeordnet sind. Denkbar ist hier jede Form von Sensoren, die Informationen erfassen und dabei ausgerichtet werden können, um Werte aus einer bestimmten Richtung zu erfassen. Der Einsatz eines derartigen Systems ist sowohl im Umfeld von Prozesssensoren, beispielsweise Strömungssensoren als auch bis hin zur Einstellung der Ausrichtung von Telesko- pen für die Beobachtung des Weltraumes hin möglich. Eine derartige Steuerung auch von Infrarotkameras wäre ebenso vorteilhaft .
Der Anwender beispielsweise einer Videoüberwachungsanlage wird von der Auswahl der Kamera und ihrer Ansteuerung befreit, indem ein 3D Modell des zu überwachenden Ortes zusammen mit Informationen über die eingesetzten Videokameras (Aufstellort, Ausrichtung, optischen Kenndaten) zum Einsatz gebracht wird. Das System ermittelt für den Anwender durch Vorgabe eines einzusehenden Bereiches, welche Kamera dafür zum Einsatz gebracht werden muss und wie diese Kamera bzgl. ihrer Ausrichtung und Brennweite anzusteuern ist.
Vorteilhaft hierbei ist, dass ein zu betrachtender bzw. zu überwachender Bereich vom Anwender mit Hilfe eines 3D Modells ausgewählt werden kann. Das System wählt dann für den Anwender eine Videokamera aus, die in der Lage ist, diesen Bereich anzuzeigen. Das System entlastet den Anwender auch dahingehend, dass die Ansteuerung der Ausrichtung und des Zooms vom System übernommen wird. Die Anzeige des gewünschten Bereiches wird auf Bruchteile einer Sekunde verkürzt .
Wird das System mit den Positionsparametern eines beweglichen Teils gekoppelt, kann das System auch eine sich bewegende Kamera mit in die Betrachtung einbeziehen und sorgt trotz der Bewegungsdynamik dafür, dass das Bild auf den zu betrachtenden Bereich fixiert bleibt .
Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Anwender die automatische Auswahl und Ansteuerung der Kamera jederzeit aktivieren und deaktivieren kann. Dies erlaubt ihm in einen Modus zu schalten, wo er die volle Kontrolle über die Auswahl und Ansteuerung der Kamera erhält .
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das System dahingehend erweitert werden kann, dass auch auf beweglichen Teilen montierte Kameras (z.B. auf einer Kranbühne) mit in die Berechnung einbezogen werden können. Hierzu wird die Kamerasteuerung mit einem
Steuersystem gekoppelt, welches die aktuelle Position des beweglichen Teiles erfasst und an die Kamerasteuerung meldet. Aus dieser Information kann die Kamerasteuerung die Transformation ableiten, um die aktuellen Orts- und Ausrichtungsin- formation der Kamera zu berechnen. Auf Basis dieser Informationen kann dann die Berechnung wie weiter unten beschrieben durchgeführt werden. Erfolgt die neue Berechnung kontinuierlich, erhält man ein dynamisches System, welches unter Beachtung der Sichtbarkeitsbereiche und der Bewegung der Kameras immer die optimale Kamera auswählt und so ansteuert, dass der ausgewählte Sichtbarkeitsbereich stets im Fokus der Kamera bzw. der Kameras gehalten wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist da- durch gekennzeichnet, dass das anstatt eines einzelnen Punktes eine Menge von Punkten zur Beschreibung des zu betrachtenden Bereiches eingesetzt wird. Diese Punktmenge (Anzahl > 2) beschreibt dann eine Fläche die zu betrachten ist. Die Berechnungsverfahren gestaltet sich dann ähnlich wie unten be- schrieben, mit der Ausnahme, dass nun angestrebt wird, dass eine möglichst große Anzahl der Punkte im Sichtfeld einer Kamera zum liegen kommen.
Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figur näher beschrieben und erläutert:
Die Figur stellt den real zu überwachenden Ort bzw. die Umgebung 1 (z.B. Gebäude, Anlage, Prozess) dar, in der Informationen mittels der Erfassungsmittel 2 erfasst werden. Die Erfassungsmittel 2, insbesondere die Kameras 2a, 2b und 2c, werden in dem Ausführungsbeispiel zur Videoüberwachung des Ortes bzw. der Umgebung 1 eingesetzt. Die Kameras sind an einem festen Ort (x,y,z) montiert und optional ansteuerbar (Drehung um die x,y,z-Achse und Brennweite). Die Anzahl der
Kameras kann beliebig groß sein. Anstelle der Kameras können mithilfe des erfindungsgemäßen Systems auch beliebige andere Erfassungsmittel ausgewählt und bezüglich ihrer Ausrichtung oder auch ihrer Bewegung im Raum gesteuert werden.
Im Ausführungsbeispiel ist die Verarbeitungsvorrichtung zur Aufbereitung der erfassten Informationen als Videosystem 3 ausgebildet, welches zum einem die Videosignale der aktuell ausgewählten Kamera an eine Wiedergabevorrichtung 7b, insbe- sondere einen Monitor überträgt, zum anderen die Steuerdaten der Steuervorrichtung 5, insbesondere der Kamerasteuerung hin zu den Erfassungsvorrichtungen 2 bzw. Kameras. Dabei kann die Kopplung zwischen Videosystem und Kameras, zwischen Videosystem und Kamerasteuerung sowie zwischen Videosystem und Wie- dergabevorrichtung 7b unterschiedlich ausgeprägt sein (z.B. via Ethernet, WLAN, Sternverkablung, usw.).
Ein Rechnersystem 4, enthält beispielhaft die Komponente Steuerungsvorrichtung 5 und einen Datenspeicher mit dem 3D Modell 6 der Umgebung 1. Die Steuerungsvorrichtung 5, insbesondere die Kamerasteuerung, berechnet mit Hilfe des 3D Modells 6 des Ortes bzw. der Umgebung 1 und der eingesetzten Erfassungsvorrichtungen 2 bzw. Kameras sowie der Anwenderauswahl eines zu betrachtenden Bereiches die einzusetzende Ka e- ra 2x und setzt ihre Ansteuerung über das Videosystem bzw. die Verarbeitungsvorrichtung 3 um.
Ein Datenspeicher auf dem Rechnersystem 4 enthält ein 3D Modell 6 des Ortes bzw. der Umgebung 1 inklusive der notwendi- gen Informationen zu den Kameras 2 (Aufstellort, Ausrichtung, optische Kenndaten, Zustand) . Die Modellbeschreibung ist dabei vorteilhaft so ausgeprägt, wie im VRML 97 ISO-Standard beschrieben (3D Flächenmodell) .
Ein Anzeigesystem 7a zeigt das 3D Modell 6 des Ortes an. Über das Standardsteuerelement 8 (Zeigegerät, Tastatur, Spracheingabe, ...) kann dabei die Sicht auf das Modell 6 verändert
werden (Drehen, Zoomen, Verschieben, ... ) . Ein weiteres Anzeigesystem 7b zeigt das Videobild der aktuell ausgewählten Videokamera an. Mittels eines Pointing Device 8 (Zeigegerät wie z.B. eine Computer-Maus oder über die Positionsermittlung mittels eines Touch-Screens) , wird dem Anwender die Auswahl eines zu betrachtenden Bereiches (Punktes) auf dem Anzeigesystem 7a ermöglicht.
Das System arbeitet wie folgt:
Der Anwender wählt mit Hilfe eines Pointing Devices 8 (Zeigegeräte) auf dem Anzeigesystem 7a einen zu betrachtenden Punkt des Ortes über das angezeigte 3D Modell aus . Der zweidimensi- onale Punkt P2D des Pointing Devices 8 wird dabei von der Ka- merasteuerung 5 in einen dreidimensionalen Punkt P3D auf einer Fläche des 3D Modells 6 abgebildet. Dies erfolgt nach den hierfür bekannten Verfahren: Umsetzung der 2D-Position und der aktuellen Sicht auf das 3D Modell 6 in eine Gerade, die mit den Flächen FL des 3D Modells 6 geschnitten wird. Der Schnittpunkt mit der kürzesten Entfernung zum Betrachter wird ausgewählt und als P3D angegeben.
Im nächsten Schritt wird für jede Videokamera Ki aus der Liste der verfügbaren Kameras KL folgendes Verfahren angewandt:
1. Bilden eines Vektors Va zwischen P3D und dem Au stellort PKi der Kamera Kj..
2. Auf Basis von Va wird nun eine Gerade gebildet und mit allen Flächen FL des 3D Modells 6 geschnitten. Liegt einer dieser Schnittpunkte zwischen dem Aufstellort der Kamera und den zu betrachtenden Bereich P3D, verdeckt die mit dem Schnittpunkt verbundene Fläche die Sicht auf den zu betrachtenden Bereich (Ausnahme: Fläche wurde als Transparent ge- kennzeichnet) . In diesem Fall kann die Kamera nicht zum Einsatz kommen und die nächste Kamera aus der Liste KL ist zu betrachten.
3. Liegt keine Verdeckung des Sichtbereiches vor, so ist nun zu überprüfen, ob die Kameraausrichtung entsprechend den Vorgaben des Vektors Va gesetzt werden kann. Erlaubt die Kamera Ki nicht, diese Ausrichtung einzustellen, so kann sie nicht zum Einsatz kommen und die nächste Kamera aus der Liste KL ist zu betrachten.
Der Punkt P3D muss dabei nicht im Mittelpunkt des Sichtbereiches der Kamera liegen. Es reicht aus, wenn sich der Punkt P3D im maximalen Sichtbereich der Kamera (minimale Brennweite) befindet. Der Sichtbereich wird über einen Kegel beschrieben, dessen Spitze in P i liegt. Dieser Kegel wird so ausgerichtet, dass der Vektor, der die Kameraausrichtung beschreibt und der Vektor Va einen minimalen Winkel zueinander bilden. Dabei werden die Einschränkungen der Kamera Ki bzgl. ihrer Ausrichtung berücksichtigt. Der Kegel wird dann mit der Fläche geschnitten, auf der der Punkt P3D liegt. Befindet sich dann P3D innerhalb der resultierenden Schnittfläche, kann P3D von der Kamera angezeigt werden.
4. Nun ist sichergestellt, dass die Kamera KA den zu betrachtenden Bereich anzeigen kann. Die Kamera K± wird nun in die Liste der verwendbaren Kameras Ks aufgenommen. Zusätzlich werden zu der Kamera KA die Werte zur Ausrichtung der Kamera und ggf. Werte für den einzustellenden Zoom mit abgelegt. Die Einstellung des Zooms kann aus der Entfernung der Kamera zum betrachtenden Punkt P3D und einem vom Benutzer vorgegeben Kriterium zum Sichtbarkeitsbereich (z.B. 10 Meter breites Sichtfeld anzeigen) abgeleitet werden, unter Berücksichti- gung, dass P3D noch im Sichtbereich der Kamera liegt (siehe Schritt 3) .
Befindet sich nach diesen Berechnungen keine Kamera in der Liste Ks, so wird dem Anwender gemeldet, dass keine Kamera den zu betrachtenden Bereich darstellen kann. Befindet sich nur eine Kamera in der Liste Ks, so wird diese als aktiv dem Videosystem gemeldet und die Ansteuerung von Ausrichtung und
Zoom wird vorgenommen. Befinden sich mehrere Kameras in der Liste Ks, so wird entweder automatisch die erste Kamera in der Liste als aktiv ausgewählt oder dem Anwender wird ermöglicht, eine Kamera als aktive Kamera aus der Liste der verwendbaren Kameras auszuwählen. Die als aktiv zu setzende Kamera wird dem Videosystem gemeldet und die Ansteuerung von Ausrichtung und Zoom wird vorgenommen.
/Abkürzungen:
P2D 2-Dimensionaler Punkt auf dem Anzeigesystem (7a) PD 3-Dimensionaler Punkt im 3D Modell (6), der den zu betrachtenden Bereich beschreibt F Liste aller Flächen, die in Summe das 3D Modell (6) vollständig beschreiben/darstellen
K Liste der vorhandenen und verfügbaren Videokameras (Zustand = verfügbar) Ks Liste der Videokameras, die den zu betrachtenden Punkt P3D anzeigen können Ki Eine Kamera aus der Liste KL
PKi Punkt der den Aufstellort der Kamera beschreibt . Va Vektor der die Gerade und den Abstand zwischen den zu betrachtenden Punkt P3D und den Aufstellort PKi der Kamera beschreibt .
Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein System und ein Verfahren zur automatischen Ansteuerung und Ausrichtung von Erfassungsvorrichtungen 2 von Umgebungsinformationen, insbesondere Kameras, auf Basis eines Modells 6 der Umgebung 1. Ein Anwender 9 kann mithilfe eines Zeigegeräts an einer Auswahlvorrichtung 8 den gewünschten darzustellenden Ausschnitt der Umgebung 1 angeben. Eine Steuerungsvorrichtung 5 steuert die Erfassungsmittel 2 entsprechend an und richtet sie aus. Die erfassten Daten können auf einer Anzeige 7b wiedergegeben werden.