DE19757497A1 - Optische Überwachungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Über­ wachungsvorrichtung zur kontinuierlichen Überwachung eines Raumes, mit einer elektronischen Kamera mit einem Objektiv.

Die Kameras derartiger Überwachungsvorrichtungen sind in der Regel für die Abbildung von Bildebenen optimiert und haben deshalb nur einen kleinen Öffnungswinkel von 10°-20°. Zur vollständigen Überwachung eines Raumes werden daher mehrere in verschiedenen Richtungen ausge­ richtete Kameras benötigt. Ferner müssen für besonders interessierende Bereiche eines Raumes, die vergrößert dargestellt werden sollen, weitere Kameras vorgesehen werden. Durch die Vielzahl der Kameras entsteht bei der Überwachung eines Raumes eine große Menge von Bildda­ ten, die übertragen, überwacht und/oder abgespeichert werden müssen. Ein Engpaß kann dabei insbesondere bei der Übertragung von Bilddaten über Funk auftreten, wie dies beispielsweise bei der ortsfesten Überwachung von bewegten Fahrzeugen, Flugzeugen, Schiffen etc. unver­ meidlich ist. Beim Einsatz von teuren Weitwinkel-Objek­ tiven zur Raumüberwachung wird zwar ein großer Raum­ winkel erfaßt, interessierende Bereiche werden aber ggf. sehr klein und ungenau dargestellt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine effektivere Raum- Überwachungsvorrichtung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Gemäß der Erfindung ist ein von dem Kamera-Objektiv entfernt angeordneter konvexer Raumspiegel vorgesehen, wobei der Raumspiegel so angeordnet ist, daß das Objek­ tiv mit einem großen Teil seines Öffnungswinkels den Raumspiegel und damit den von dem Raumspiegel abgebil­ deten Raum erfaßt. Dem Strahlengang der Überwachungs­ vorrichtung ist mit dem Raumspiegel, auf den die Kamera gerichtet ist, ein optisches Element hinzugefügt wor­ den, das konvex geformt ist. Dadurch wird der Strahlengang der Gesamtvorrichtung mit einer herkömm­ lichen elektronischen Kamera mit einem Standard-Objek­ tiv mit einfachen Mitteln so verändert, daß weite Be­ reiche eines Raumes überwacht werden können. Beispiels­ weise kann der Raumspiegel so geformt sein, daß von der auf den Raumspiegel gerichteten Kamera auch der Raum hinter dem Raumspiegel und damit ein Raumwinkel von 180° und mehr erfaßt werden kann.

Durch die Hinzufügung des Raumspiegels wird die kom­ plette Überwachung eines Raumes in allen Richtungen des Raumes durch eine einzige Kamera ermöglicht. Da bei der Verarbeitung, Übermittlung und Speicherung der Raum­ überwachung erheblich weniger Daten anfallen, lassen sich auf diese Weise auch Überwachungsvorrichtungen für Flugzeuge, Schiffe, Fahrzeuge etc. realisieren, deren Bilddaten über Funkstrecken zu einer ortsfesten Ein­ richtung übertragen werden.

Die Anfertigung des Raumspiegels ist, gemessen an der Konstruktion und Herstellung einer entsprechenden Glas­ optik, die theoretisch denkbar wäre, sehr einfach und preiswert. Der Raumspiegel kann aus einem beliebigen Material gefertigt sein, das anschließend verspiegelt wird. Durch die relativ einfache Neuanfertigung eines Raumspiegels kann mit geringem Aufwand die Über­ wachungsvorrichtung an neue Gegebenheiten angepaßt wer­ den. Der Raumspiegel kann auch aus einem verformbaren Material hergestellt werden, so daß die Form des Raum­ spiegels ständig an den gewünschten Überwachungsbereich angepaßt werden kann.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Raumspie­ gel an verschiedenen Raumspiegel-Orten verschiedene Spiegelkrümmungen auf. Die aus der Objektivbrennweite und der Brennweite des jeweiligen Raumspiegel-Ortes resultierende Gesamtbrennweite, die die jeweilige Ver­ größerung bestimmt, ist also nicht gleich für für alle Raumspiegel-Orte. Beispielsweise kann der Raumspiegel als Parabolspiegel ausgebildet sein. Der Raumspiegel kann jedoch auch als nicht-symmetrische Freifläche mit einer Vielzahl verschiedener Spiegelkrümmungen ausge­ bildet sein, so daß sich ortsabhängig verschieden Ge­ samtbrennweiten ergeben. Der Raumspiegel kann dadurch an den zu überwachenden Raum angepaßt werden, derart, daß die interessierenden Bereiche eines Raumes relativ groß, mit großer Brennweite, und die nicht interessie­ renden Bereiche eines Raumes relativ klein, mit kleiner Brennweite, oder gar nicht dargestellt werden. Dadurch ist gewährleistet, daß die interessierenden Raumbe­ reiche durch die Kamera mit einer hohen Auflösung dar­ gestellt werden, während die nicht interessierenden Be­ reiche mit einer niedrigen Auflösung dargestellt wer­ den. Auf diese Weise wird eine sehr effektive Ausnut­ zung der begrenzten Auflösung einer elektronischen Ka­ mera realisiert.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Kamera hin­ ter der Raumspiegelfläche angeordnet, wobei der Raum­ spiegel eine Öffnung aufweist und vor dem Raumspiegel ein dem Raumspiegel zugewandter Umlenkspiegel ange­ ordnet ist. Das Kamera-Objektiv ist durch die Raumspie­ gelöffnung hindurch auf den Umlenkspiegel gerichtet, der das von dem Raumspiegel erfaßte Raumbild in Rich­ tung auf die Kamera umlenkt. Die Kamera ist also nicht direkt auf den Raumspiegel gerichtet, sondern über einen vor dem Raumspiegel angeordneten relativ kleinen Umlenkspiegel indirekt auf den Raumspiegel gerichtet. Durch Vermeidung der exponierten Stellung der Kamera vor dem Raumspiegel ist die Kamera besser geschützt gegen Beschädigungen und Verstellungen. Der Raumspie­ gel, der Umlenkspiegel und die Kamera können eine ein­ zige zusammenhängende Baugruppe bilden.

Das Maß der Erfassung des Raumspiegels durch die Kamera kann auch variabel gehalten werden, indem das Kamera- Objektiv ein Zoom-Objektiv mit veränderbarer Brennweite ist. Dadurch können bei vorzugsweise schwenkbar ausge­ stalteter Kamera gewünschte Bereiche des Raumspiegels und damit des erfaßten Raumes stärker vergrößert und dadurch genauer betrachtet werden.

Vorzugsweise ist der Raumspiegel als Parabolspiegel ausgestaltet, in dessen optischer Achse die Kamera an­ geordnet ist. Dabei wird eine winkelgetreue Abbildung des Raumes realisiert.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Kamera eine Flugzeugüberwachungskamera zur Überwachung des Cock­ pits, eines Lagerraumes oder eines Passagierraumes eines Flugzeugs. Dabei kann eine Übertragungs-Vorrich­ tung zur Funk-Übertragung der Bilddaten der Kamera zu einer Empfangsvorrichtung außerhalb des Flugzeugs vor­ gesehen sein. Auf diese Weise ist die Möglichkeit der Raumüberwachung bestimmter Räume eines Flugzeuges ge­ schaffen. Durch die effektive Darstellung des Raumes durch eine einzige bzw. sehr wenige Kameras kann auf diese Weise die eigentliche Überwachung, d. h. die Kon­ trolle der Kamerabilder, vom Boden aus erfolgen.

Vorzugsweise ist eine Entzerrvorrichtung zum Entzerren des von der Kamera kommenden Bildes vorgesehen. Dadurch wird das stark verzerrte Bild der Kamera derart verän­ dert, daß es für einen Betrachter einfacher interpre­ tierbar ist.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Abbildun­ gen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Überwachungs­ vorrichtung, bestehend aus Kamera und Raumspie­ gel,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer Überwachungs­ vorrichtung bestehend aus Kamera, Raumspiegel und Umlenkspiegel,

Fig. 3 eine Draufsicht auf den Raumspiegel der Fig. 2,

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Flugzeugrumpf mit Überwachungsvorrichtungen zur Überwachung des Passagierraumes und des Frachtraumes, und

Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Flugzeugrumpf mit einer Überwachungsvorrichtung zur Überwachung des Cockpits und einer Überwachungsvorrichtung zur Überwachung des Passagierraumes.

In Fig. 1 ist eine Überwachungsvorrichtung 10 zur kon­ tinuierlichen Video-Überwachung eines Raumes darge­ stellt. Dieser Raum kann ein umschlossener Raum, bei­ spielsweise Wohnraum, Fahrzeug- oder Flugzeugkabine, sein, kann aber auch ein nicht umschlossener Bereich sein. Die Überwachungsvorrichtung 10 besteht aus einer elektronischen CCD-Kamera 12 mit einem Kamera-Objektiv 14 mit fest stehender Fokussierung und aus einem Raumspiegel 16, der als rotationssymmetrischer Parabolkörper ausge­ bildet ist. Die Kamera 12 besteht aus einem Kameragehäuse 13 und einem Kamera-Objektiv 14. Die Ka­ mera 12 ist in der optischen Achse des Raumspiegels 16 vor dem parabolförmigen Raumspiegel 16 angeordnet und mittels zweier Haltestangen 18 an dem Raumspiegel 16 befestigt. Der Öffnungswinkel 15 des Objektivs 14 ist ungefähr 20° und wird bis auf einen Randbereich fast vollständig durch den Raumspiegel 16 ausgefüllt.

In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform einer Über­ wachungsvorrichtung 20 dargestellt, bei der das Kamera­ gehäuse 13 innerhalb eines Raumspiegelkörpers 22 mit einer unsymmetrischen Raumspiegel-Fläche 23 in einem Hohlraum 24 in der Mittelachse des Raumspiegelkörpers 22 angeordnet ist. Im Bereich der optischen Mittelachse des Raumspiegelkörpers 22 ist eine Öffnung 26 vorgese­ hen, in der eine Objektivlinse 28 angeordnet ist. In Fortsetzung der Öffnung 26 in der optischen Spiegelach­ se liegend ist ein planer kreisrunder Umkehrspiegel 30 angeordnet, der mit zwei Haltestäben 32 an dem Raum­ spiegelkörper 22 befestigt ist. Die Kamera 12 ist also hinter der Raumspiegelfläche 23 angeordnet und inner­ halb des Raumspiegelkörpers 22 geschützt untergebracht. Der Öffnungswinkel 29 des Objektivs 14 einschließlich der Objektivlinse 28 ist so groß, daß er von dem Um­ lenkspiegel 30 komplett ausgefüllt wird. Der zu über­ wachende Raum wird durch den Raumspiegel 23 und den Umlenkspiegel 30 von der Kamera 12 gesehen.

In Fig. 3 ist der Raumspiegel 23 der Fig. 2 in Drauf­ sicht dargestellt. Der Raumspiegel 23 ist weder plan, noch sphärisch, sondern als Freifläche ausgebildet. Die Form der Raumspiegelfläche 23 ist an die Geometrie des zu überwachenden Raumes angepaßt. Die nicht sichtbaren Höhenlinien 23 ₁, 23 ₂ zeigen, daß es sich im vorliegenden Fall um einen ungefähr ei-förmig geformten Raumspiegel handelt, so daß die Höhenlinien 23 ₁, 23 ₂ ungefähr ellip­ tisch ausgebildet sind. Der Raumspiegelkörper 22 be­ steht aus Aluminium und ist auf der Außenseite verspie­ gelt. Der Raumspiegelkörper 22 kann auch aus anderen Materialien, beispielsweise Kunststoff oder Metall, bestehen.

Die freie Formgebung der Raumspiegelfläche 23 ermög­ licht eine der Geometrie des zu überwachenden Raumes angepaßte örtliche Vergrößerung und eine angepaßte Schärfenfläche. Interessierende Raumbereiche können dadurch vergrößert und mit hoher Schärfe durch die Ka­ mera erfaßt werden.

Die Schärfenfläche wird aus allen Punkten gebildet, für die bei gegebener Vergrößerung die optische Abbildungs­ gleichung des gesamten optischen Systems gilt. Die Ab­ bildungsgleichung definiert die Entfernung des Ortes der größten Schärfe von dem Objektiv. Sie wird insbe­ sondere bestimmt durch die Brennweite des Kamera-Objek­ tivs, dem optischen Abstand des Kamera-Objektivs zum Raumspiegel, sowie der Brennweite, bzw. Krümmung, des Raumspiegels für jeden Raumspiegelort. Für jeden Raum­ spiegelort ergibt sich dadurch ein Punkt im Raum, für den die Abbildungsgleichung erfüllt ist. Aus allen Raumpunkten für alle Raumspiegelorte ergibt sich eine Schärfenfläche, in deren Nähe alle Objektive scharf in der Kamera abgebildet werden.

Um eine Überwachungsvorrichtung optimal an den zu über­ wachenden Raum anzupassen, wird der Raumspiegel 23 so geformt, daß die interessierenden Raum-Bereiche ver­ größert dargestellt und die nicht interessierenden Raum-Bereiche verkleinert oder gar nicht dargestellt werden. Ferner wird bei der Form des Raumspiegels be­ rücksichtigt, daß die Schärfenfläche stets in dem Be­ reich liegt, der am meisten interessiert.

In den Fig. 4 und 5 sind Überwachungsvorrichtungen 20 in einem Flugzeug installiert dargestellt. In Fig. 4 ist zu sehen, daß, je nach räumlicher Gegebenheit, der Gesamtöffnungswinkel 38, 39 der Vorrichtungen 20 den jeweiligen Verhältnissen des zu überwachenden Raumes 41, 42 angepaßt ist. Eine Überwachungsvorrichtung 36 dient der Überwachung des Passagierraumes 41 eine an­ dere Überwachungsvorrichtung 37 dient der Überwachung des Frachtraumes 42 des Flugzeuges 35. Die Über­ wachungsvorrichtungen 36, 37 sind jeweils an der Raum­ decke angebracht und entsprechen der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Überwachungsvorrichtung 20, wobei der Umkehrspiegel 30 von der Raumdecke herabhängt.

Die Überwachungsvorrichtungen 36, 37 haben neben den verschiedenen Öffnungswinkeln 38, 39 auch eine vonein­ ander verschiedene Schärfenfläche 43, 44. In Fig. 5 ist für die Überwachungsvorrichtung 36 des Passagierraumes 41 eine Höhenlinie 43' der Schärfenfläche 43 darge­ stellt. Die Höhenlinie 43' zeigt, daß die durch den Raumspiegel 23 definierte Schärfenfläche nicht rota­ tionssymmetrisch sein muß, sondern eine beliebige Form haben kann.

In Fig. 5 ist ferner eine Überwachungsvorrichtung 48 für das Cockpit 50 des Flugzeuges 35 dargestellt, wobei der Raumspiegel dieser Überwachungsvorrichtung 48 der­ art ausgestaltet ist, daß die durch die Höhenlinie 52 dargestellte Schärfenfläche insbesondere im Bereich der Armaturen liegt.

Die Überwachungsvorrichtungen 36, 37, 48 des Flugzeugs 35 sind mit Übertragungsleitungen 54 mit einer Übertra­ gungs-Vorrichtung 56 verbunden, die die Bildsignale ggf. auswählt, in entsprechende Funksignale umwandelt und an eine Antenne 57 ausgibt. Die Funksignale werden von einer bodenseitigen nicht gezeigten Empfangsvor­ richtung empfangen und ausgewertet. Die empfangenen Signale werden in der Empfangsvorrichtung zunächst in einer Entzerrvorrichtung entzerrt, so daß eine für das menschliche Auge einfach interpretierbare Panoramadar­ stellung des jeweiligen Raumes des Flugzeuges 35 erfol­ gen kann.

Die Übertragungs-Vorrichtung 56 kann vom Cockpit aus oder aber auch über entsprechende Funksignale vom Boden aus gesteuert werden, so daß beispielsweise nur die Bilder einer ausgewählten Überwachungsvorrichtung zur bodenseitigen Empfangsvorrichtung übertragen werden. Mit der Übertragungs-Vorrichtung 56 können jedoch auch andere Funktionen, beispielsweise die Zoom-Funktion, d. h. Veränderung der Objektiv-Brennweite oder aber Ver­ schiebung der Schärfenfläche eingestellt werden.

Durch die individuelle Gestaltung des Raumspiegels kann die Vergrößerung bestimmter interessierender Bereiche sowie Schärfenflächenform an räumliche Gegebenheiten optimal angepaßt werden. Auf diese Weise läßt sich eine Raumüberwachung mit einer einzigen Überwachungskamera realisieren, ohne daß bestimmte Bereiche des Raumes nicht dargestellt werden können.

Claims (9)

1. Optische Überwachungsvorrichtung zur kontinuier­ lichen Überwachung eines Raumes (41, 42, 50), mit einer elektronischen Kamera (12) mit einem Objek­ tiv (14; 28; 64), dadurch gekennzeichnet,
daß ein von dem Objektiv (14; 28; 64) entfernt ange­ ordneter konvexer Raumspiegel (16; 23; 65) vorge­ sehen ist, und
daß der Raumspiegel (16; 23; 65) so angeordnet ist,
daß das Objektiv (14; 28; 64) mit einem großen Teil seines Öffnungswinkels (15, 28, 62) den Raumspiegel (16; 23; 65) und damit den von dem Raumspiegel (16; 23; 65) abgebildeten Raum erfaßt.

2. Optische Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Raumspiegel (16; 23; 65) an verschiedenen Raumspiegel-Orten ver­ schiedene Spiegelkrümmungen aufweist, wobei die aus der Objektivbrennweite und der Brennweite des jeweiligen Raumspiegel-Ortes resultierende Gesamt­ brennweite für alle Raumspiegel-Orte eine nicht­ sphärische Freifläche (43; 44; 43'; 52) ergibt.

3. Optische Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungs­ winkel (15), die optische Entfernung zwischen Ob­ jektiv (14) und Raumspiegel (16) sowie die Größe des Raumspiegels (16) derart bemessen sind, daß der von dem Öffnungswinkel (15) erfaßte Bereich vollständig durch den Raumspiegel (16) ausgefüllt wird.

4. Optische Überwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera (12) hinter der Raumspiegel-Fläche (23; 65) angeordnet ist, der Raumspiegel (23; 65) eine Öff­ nung (26) aufweist, und vor dem Raumspiegel (23; 65) ein dem Raumspiegel (23; 65) zugewandter Umlenkspiegel (30) angeordnet ist, wobei das Kame­ ra-Objektiv (14, 28) durch die Raumspiegel-Öffnung (26) hindurch auf den Umlenkspiegel (30) gerichtet ist, der das vom Raumspiegel (23; 65) erfaßte Raum­ bild in Richtung auf die Kamera (12) umlenkt.

5. Optische Überwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kamera-Objektiv (14) ein Zoom-Objektiv mit verän­ derbarer Brennweite ist.

6. Optische Überwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Raumspiegel (65) als Parabolspiegel ausgebildet ist, in dessen optischer Achse die Kamera (12) angeordnet ist.

7. Optische Überwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera (20) eine Flugzeug-Überwachungskamera zur Überwachung des Cockpits (50), eines Lagerraumes (42) oder eines Passagierraumes (41) ist.

8. Optische Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Übertragungs-Vor­ richtung (56) zur Übertragung der Bilddaten der Kamera (20) zu einer Empfangsvorrichtung außerhalb des Flugzeugs (35) vorgesehen ist.

9. Optische Überwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Entzerrvorrichtung zum Entzerren des von der Ka­ mera (12) kommenden Bildes vorgesehen ist.