DE10132399C1 - Stereoskopische photoelektrische Panoramakamera - Google Patents

Abstract

Photoelektrische stereoskopische Abbildungen sollen in einem unbegrenzten Horizontalwinkelbereich bei gleichbleibenden Abbildungsbedingungen für jeden beliebigen Aufnahmewinkel möglichst zeitnah erfolgen, ohne dass das Projektionsobjektiv doppelt vorhanden sein muss. DOLLAR A Erfindungsgemäß besitzt eine Zeilenkamera auf einem drehbaren Aufsatz wenigstens zwei parallel zueinander angeordnete Zeilensensoren, so dass das objektseitige Strahlenbündel jedes der beiden Zeilensensoren tangential zu einer gedachten Kreisbahn um die Drehachse herum in, bezogen auf die Drehrichtung des Aufsatzes, entgegengesetzte Richtungen umgelenkt wird und aus den Einzelsignalen der beiden Zeilensensoren je ein Stereohalbbild getrennt zur Aufzeichnung gelangt. DOLLAR A Weitere konstruktive Modifikationen werden beschrieben. DOLLAR A Die Panoramakamera eignet sich für alle stereoskopischen Bildaufnahmen mit in einer Richtung unbegrenzten Bildwinkelbereichen.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der stereoskopischen photoelektrischen Bildaufnahme des dreidimensionalen Raumes ohne eine Einschränkung des horizontalen Bildwinkels.

Für die stereoskopische Abbildung räumlicher Szenen im Vollkreis ist eine Anordnung gemäß DE 44 28 054 U bekannt, bei der zwei auf einer Basisstrecke angeordnete Zeilenkameras um eine gemeinsame Drehachse exzentrisch rotieren und dabei in tangentialer Richtung zwei Bilder aufzeichnen. Die erhaltenen elektrischen Signale werden in ein Rechnersystem eingelesen, in dem die numerische Verarbeitung und Bildgewinnung stattfindet. Eine ähnliche Anordnung für die stereoskopische Abbildung mittels linearer Scan-Bewegung ist in JP 04-259808 A beschrieben.

Diesen Anordnungen haftet der Nachteil an, dass stets zwei baugleiche Zeilenkameras mit zugehörigen Abbildungsobjektiven vorhanden sein müssen. Dieser Nachteil wird mit Lösungen nach DE 199 42 385 A1 und DE 199 21 734 A1 umgangen, bei denen nur eine angeordnete Zeilenkamera beide Halbbilder nacheinander aufzeichnet, während die optische Aufnahmeachse mittels Spiegel in unterschiedliche Richtungen umgelenkt wird. In vielen Aufnahmesituationen ist jedoch die zeitliche Differenz der Aufzeichnung beider Halbbilder nicht akzeptabel, weil das Aufnahmeobjekt zwischenzeitlich seine Lage verändert. Zwar könnte der Spiegel, der die Aufnahmerichtung umschaltet, auch mit jeder aufgenommenen Zeile intermittierend umschalten, z. B. ausgeführt als, von Filmkamera-Spiegelreflexsuchern her bekannte, verspiegelte Flügelblende; dennoch bliebe in diesem Fall als Nachteil ein erheblicher mechanischer und regelungstechnischer Aufwand zur zeitoptimierten Synchronisation dieser Bewegungen mit den Belichtungszeiten der Zeilenkamera und deren Drehbewegung insgesamt.

Das der Erfindung zugrundeliegende Problem besteht darin, photoelektrische stereoskopische Abbildungen in einem unbegrenzten Horizontalwinkelbereich bei gleichbleibenden Abbildungsbedingungen für jeden beliebigen Aufnahmewinkel zu realisieren, ohne dass das Projektionsobjektiv doppelt vorhanden sein muss und ohne dass große zeitliche Abweichungen zwischen den Aufnahmen von gleichen Bildteilen im linken und rechten Halbbild auftreten müssen.

Das Problem wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den weiteren Ansprüchen 2 bis 7 angegeben.

Die erfindungsgemäße Anordnung besteht aus einem feststehenden Unterteil und einem mittels Drehantrieb drehbaren Aufsatz, auf dem eine Zeilenkamera angeordnet ist, die im Gegensatz zur allgemein bekannten Bauart in der Projektionsebene des Abbildungsobjektives nicht nur einen, sondern zwei photoelektrische Zeilensensoren besitzt, die parallel zueinander in einem bestimmten Abstand angeordnet sind. Dies schließt auch die Möglichkeit ein, dass beide Zeilensensoren Teil eines gemeinsamen elektronischen Bauelements sind und dass sie sich in einer gemeinsamen Linie befinden.

Zeilensensoren, bestehend aus mehreren nebeneinanderliegenden Sensorzeilen, z. B. mit unterschiedlicher spektraler Charakteristik zum Zwecke der Gewinnung farbiger Bildinformationen, werden im Folgenden als nur ein Zeilensensor betrachtet, wobei die geometrischen Abstände zwischen den Sensorzeilen hier vernachlässigt werden.

Entsprechend ihrer vorzugsweisen Gebrauchslage wird die Lage der Drehachse im Folgenden bedingt als senkrecht angenommen, worauf sich zum besseren Verständnis alle weiteren Lagebezeichnungen wie horizontal und vertikal beziehen. Dennoch ist diese Lage nicht zwingend, kann also beliebig sein, wodurch sich die Lage aller darauf bezogenen Elemente mit verändern kann.

Die Zeilensensoren sind parallel zur Drehachse vertikal angeordnet. Die optische Achse des Abbildungsobjektivs ist radial zur Drehachse des Aufsatzes und vorzugsweise horizontal ausgerichtet, verläuft also durch das Drehzentrum.

Bei rückwärts gerichteter Strahlverfolgung aus dem Bild- in den Objektraum ergeben sich aus den beiden Projektionsflächen der Zeilensensoren zwei Projektionsstrahlenbündel, die sich in ausreichendem objektseitigen Abstand vom Abbildungsobjektiv nicht mehr schneiden.

Befindet sich das Projektionszentrum des Abbildungsobjektivs außerhalb der Drehachse, so verlaufen die Mittelpunktstrahlen der beiden Strahlenbündel stets tangential zu einer gedachten Kreisbahn um den Drehpunkt, ohne dass bei unterschiedlichen Drehwinkeln die Strahlverläufe beider Zeilensensoren jemals deckungsgleich sind. Der doppelte geometrische Abstand zwischen Mittelpunktstrahl und Drehzentrum bestimmt dabei den Basisabstand der stereoskopischen Abbildung. Dieser Basisabstand ist proportional zum Abstand zwischen Projektionszentrum und Drehachse. Dabei ist es unerheblich, ob sich die Drehachse vor oder hinter dem Abbildungsobjektiv befindet.

Jeder Objektpunkt wird in unterschiedlichen Drehwinkeln einmal auf dem einen, ein anderes Mal auf dem anderen Zeilensensor abgebildet. Die Winkeldifferenz ist dabei vom Abstand zwischen Objektpunkt und Drehpunkt abhängig, woraus die stereoskopische Tiefeninformation gewonnen wird.

Bei kontinuierlicher oder schrittweiser Drehung des Aufsatzes werden auf diese Weise paarweise beide Zeilen, getrennt für die beiden Stereo-Halbbilder, nacheinander aufgezeichnet.

Erfolgt das Zusammensetzen der beiden Bilder so, dass die beiden Halbbilder beinahe deckungsgleich sind, so sind diese beiden Bilder als stereoskopisches Doppelbild verarbeitbar. Durch horizontales Verschieben der beiden Halbbilder zueinander ist der optische Tiefeneindruck in bekannter Form veränderbar.

Um aus konstruktiven Gründen den Abstand zwischen Drehzentrum und Projektionszentrum gering zu halten, können am drehbaren Aufsatz zwei (erste) optische Umlenkeinrichtungen - vorzugsweise Spiegel - so angeordnet sein, dass sie die Richtung der beiden objektseitigen Strahlenbündel weiter aufspreizen. Dabei werden die Umlenkwinkel in zwei Vorzugsrichtungen so gewählt, dass die gemeinsame Ebene aus direktem und umgelenktem Strahl jeweils horizontal liegt, die umgelenkten Mittelpunktstrahlen also tangential entweder vorwärts oder rückwärts zu einer gedachten Drehrichtung den drehbaren Aufsatz verlassen.

In dieser Form ist die Anordnung zwar zur Aufnahme stereoskopischer Bilder geeignet; zwischen den Aufnahmezeiten zueinander korrespondierender senkrechter Segmente der beiden Halbbilder liegt jedoch etwa eine Halbdrehung der Zeilenkamera.

Um eine möglichst zeitnahe Aufnahme der linken und rechten Bildsegmente in gleicher Aufnahmerichtung zu erhalten, können mit Hilfe jeweils einer zweiten optischen Umlenkeinrichtung in jedem der beiden Strahlengänge diese wieder parallelisiert werden, so dass beide Strahlenbündel die Kamera parallel, aber dennoch aus gegeneinander versetzten Ursprungspunkten, verlassen. Der Versatz beider Ursprungspunkte bildet dann den Basisabstand.

Um die Anzahl optischer Umlenkeinrichtungen zu reduzieren, können die beiden Strahlenbündel in voneinander verschiedener Weise umgelenkt werden. Dabei ist zu beachten, dass der optische Abstand zwischen Projektionszentrum und Objekt für beide Halbbilder stets gleich groß sein muss, um gleiche Abbildungsmaßstäbe zu erreichen.

Zur Durchführung monoskopischer Aufnahmen ohne Änderung der sonstigen Anordnung kann zwischen den beiden Zeilensensoren noch ein dritter Zeilensensor genau in der Objektivachse angeordnet sein, dessen Strahlenbündel radial zur Drehachse liegt. Bei der Anordnung ohne Umlenkeinrichtungen genügt aber bereits die Verschiebung des Projektionszentrums in die Drehachse, um mit den vorhandenen Zeilensensoren ein monoskopisches, radial zentriertes Bild aufzuzeichnen.

Anstelle von diskreten Zeilensensoren kann auch ein zweidimensionales Sensorarray, wie es in der optoelektronischen Bildaufnahme, z. B. in Videokameras, üblich ist, verwendet werden. In diesem Fall übernehmen dann ausgewählte Einzelzeilen oder Zeilengruppen des Arrays die Funktion der Zeilensensoren.

Anstelle von mehreren Zeilensensoren kann auch ein einziger Zeilensensor deren Funktion nacheinander und wechselweise übernehmen, wofür es zwei grundsätzliche Möglichkeiten gibt:

• 1. Der einzelne Sensor ist verschiebbar angebracht und mit einem Antrieb versehen, damit seine Lage innerhalb der Projektionsfläche zwischen den Positionen der ersetzten Zeilensensoren parallelverschoben werden kann.
• 2. Der einzelne Sensor befindet sich unveränderlich in der optischen Achse des Abbildungsobjektivs. Im Projektionsstrahlengang befindet sich eine dreh- oder verschiebbare optische Umlenkeinrichtung, die den Strahlengang so verändert, als gehöre dieser zum jeweils ersetzten Zeilensensor.

In jedem der beiden Fälle muss das Sensorsignal den beiden Halbbildern wechselweise, synchron mit der Umschaltung der Lageverschiebung, bzw. des Sensorstrahlenganges, zugeordnet werden.

Anhand von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung nachstehend erläutert werden.

Fig. 1 zeigt eine mögliche Anordnung in erfindungsgemäßer Ausführung in Draufsicht. Auf einem feststehenden Unterteil (1) ist ein mittels Drehantrieb (2) drehbarer Aufsatz (3) befestigt. Auf diesem Aufsatz befindet sich radial zur Drehachse eine Zeilenkamera, bestehend aus dem Abbildungsobjektiv (4) und drei photoelektrischen Zeilensensoren (5, 6, 7).

Während das zurückverfolgte Strahlenbündel aus dem Sensor (7) die Kamera in gewohnter Form verlässt und zur üblichen monoskopischen Panoramaaufnahme dient, treffen die Strahlenbündel der Sensoren (5, 6) auf je einen ersten Spiegel (8, 9), von wo sie auf je einen zweiten Spiegel (10, 11) umgelenkt werden, der sie zueinander parallelisiert. In diesem Beispiel gehören die Elemente (S. 4, 8, 10) zum rechten und (6, 4, 9, 11) zum linken Abbildungssystem.

Fig. 2 zeigt zwei weitere vorteilhafte Beispiele zur Spiegelanordnung. Im Beispiel a) werden die Projektionswege gefaltet, so dass bei kleinen Objektabständen größere Bildwinkel möglich sind. Beispiel b) zeigt eine Anordnung mit nur drei Spiegeln, die aber dennoch gleiche Projektionsmaßstäbe für beide Halbbilder gewährleistet.

In allen gezeigten Anordnungen können bei Erhalt der Stereotüchtigkeit die jeweils äußeren Spiegel entfallen; prinzipiell ändert sich dabei nur der Winkelabstand zwischen linkem und rechtem Halbbild.

Ein spiegelloses Beispiel zeigt Fig. 3. Hier besteht zwischen dem Projektionszentrum und dem Drehmittelpunkt eine Exzentrizität E, die zu einem Abstand R zwischen Drehpunkt und dem Mittelpunktstrahl eines jeden Sensor-Strahlenbündels führt. Es wird ein wirksamer Basisabstand von 2R erreicht.

Fig. 4 zeigt die Ausführung mit nur einem Zeilensensor und einer optischen Umlenkeinrichtung. Zwischen dem Objektiv (4) und dem Sensor (7) befindet sich ein drehbar gelagertes Tetragonprisma (20), das zwei zur optischen Achse symmetrische Vorzugsrichtungen einnimmt. Der Ersatz des Strahlenganges von einem der ersetzten Sensoren (6) wird aus dieser Skizze deutlich.

Claims (7)

1. Stereoskopische photoelektrische Panoramakamera mit einer auf einem drehbaren Aufsatz befestigten Zeilenkamera, deren optische Achse radial zur Drehachse des Aufsatzes ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Projektionsebene des Abbildungsobjektivs der Zeilenkamera wenigstens zwei optoelektronische Zeilensensoren, deren Ausgangssignale zum Aufbau zweier stereoskopischer Halbbilder getrennt verarbeitet werden, in zueinander paralleler Lage angeordnet sind, und dass zwischen dem für die einfallenden Objektstrahlen wirksamen optischen Projektionszentrum der Zeilenkamera und der Drehachse in Richtung der optischen Achse des Abbildungsobjektivs ein Abstand als Exzentrizität vorhanden ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass objektseitig vor dem Abbildungsobjektiv wenigstens eine optische Umlenkeinrichtung so angeordnet ist, dass der Projektionsweg eines einzelnen Zeilensensors der Zeilenkamera abgelenkt wird, ohne gleichzeitig den Projektionsweg der übrigen Zeilensensoren zu verändern.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle von wenigstens zwei optoelektronischen Zeilensensoren nur ein Zeilensensor auf einem Verschiebemechanismus so angebracht ist, dass durch mechanische Parallelverschiebung in wenigstens zwei verschiedene Vorzugslagen die Funktion der damit ersetzten Sensoren in zeitlicher Abfolge übernommen wird.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle von wenigstens zwei optoelektronischen Zeilensensoren nur ein Zeilensensor vorhanden ist und dass im Abbildungsstrahlengang eine dreh- oder schwenkbare optische Umlenkeinrichtung so angeordnet ist, dass sie den bildseitigen Strahlengang des Zeilensensors in den gleichen Verlauf ablenkt, als würde dieser die ersetzten Zeilensensoren erreichen.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle der diskreten optoelektronischen Zeilensensoren ein optoelektronischer Flächensensor vorhanden ist, dessen Einzelzeilen die Funktion der diskreten Sensorzeilen übernehmen.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Projektionszentrum des Abbildungsobjektivs und der Drehachse veränderlich ist, um den Basisabstand für die Stereoaufnahme verändern oder auf monoskopische Darstellung umschalten zu können.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Zeilensensor in der optischen Achse des Abbildungsobjektivs angeordnet ist, dessen Strahlengang ohne weitere Ablenkung direkt den Objektraum erreicht, um ein monoskopisches Bild zentrisch zu projizieren.