DE69635891T2

DE69635891T2 - Verbesserte optische kamera zur entfernungsmessung

Info

Publication number: DE69635891T2
Application number: DE69635891T
Authority: DE
Inventors: Giora Yahav; I. Gavriel IDDAN
Original assignee: 3DV Systems Ltd
Current assignee: Microsoft International Holdings BV
Priority date: 1995-06-22
Filing date: 1996-06-20
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2016-06-21
Also published as: DE69635858D1; JP4808684B2; CN1101056C; CN1194056A; WO1997001112B1; AU6136096A; WO1997001111A2; WO1997001112A2; JPH11508359A; WO1997001111A3; DE69635858T2; JP5180535B2; JP2007333746A; EP0835460A2; CN1253636A; JPH11508371A; JP2011039076A; JP2008047925A; JP2008014955A; CN1437063A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Systeme zum Erzeugen dreidimensionaler Bilder und insbesondere Kamerasysteme, die ein Bild eines Ortes erfassen und die Entfernung zu Objekten oder Anteilen von Objekten an dem Ort bestimmen.
Allgemeiner Stand der Technik
Es sind verschiedene Techniken zum Erzeugen dreidimensionaler Bilder eines Ortes bekannt, d.h. Bilder, die Tiefen- oder Entfernungsinformation enthalten. Zu beispielhaften Verfahren gehören Laufzeit, Phasendetektion und Triangulation. Diese Techniken erfordern im Allgemeinen, dass das Bild z.B. durch einen Laserstrahl abgetastet wird und Punkt für Punkt Tiefendaten beschafft werden. Es wäre jedoch bei zahlreichen Anwendungen wünschenswert, Tiefen- oder Entfernungsinformation gleichzeitig über das gesamte Bild zu erhalten.
Die US-Patentschrift 5,200,793, die hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist, beschreibt eine entfernungsmessende Array-Kamera, die eine Lichtquelle und ein CCD oder ein anderes Detektor Array enthält. Ein elektrooptischer Modulator moduliert sowohl die Beleuchtung des Zielortes durch die Lichtquelle als auch das Licht, das von dem Ort zu dem Detektor Array reflektiert wird, sodass die Beleuchtung und das erfasste Licht dasselbe Modulationsmuster aufweisen. Wenn die Modulationsfrequenz geändert wird, analysiert ein Computer die Intensitätsänderung an jedem Pixel des Arrays, um die Entfernung von der Kamera zu dem Anteil des Ortes zu bestimmen, der durch das Pixel abgebildet ist.
S. Christie et. al. beschreiben in „Measurement Science and Technology 6" (September 1995), S. 1301 bis 1308, das hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist, ein zweidimensionales Entfernungsmessungssensorsystem. Zu diesem System gehört ein Laser zum Beleuchten des interessierenden Ortes und eine torgesteuerte, verstärkte CCD-Kamera, die ein Bild des Ortes beschafft. Der Laser ist zum Bereitstellen eines Beleuchtungsimpulses mit einer erwünschten Länge moduliert, und die Kamera ist zum Empfangen von Licht von dem Ort für eine gleiche Zeitspanne torgesteuert. Der Kamerataktimpuls kann gleichzeitig mit dem Beleuchtungsimpuls erfolgen oder er kann zeitlich dazu verzögert sein. Die integrierte Lichtintensität, die an jedem Pixel des CCD- Arrays während des Taktimpulses empfangen wird, ist eine Funktion der Entfernung von der Kamera zu dem Abschnitt des Ortes, der durch das Pixel abgebildet ist. Ein Computer analysiert die derart empfangene Lichtintensität über das gesamte Array und leitet daraus Bereichsinformation ab.
Die PCT-Veröffentlichung WO 89/12837 beschreibt einen Entfernungsmesser, der eine Pulslichtquelle, einen torgesteuerten Bildverstärker und einen Bildsensor aufweist. Die Lichtquelle ist durch eine erste Wellenform gesteuert, und der getaktet Bildverstärker ist durch eine zweite Wellenform gesteuert. Die erste und die zweite Wellenform definieren einen Fensterbereich und eine Lichtmenge, die den Bildsensor von Objekten in dem Fensterbereich erreicht, wird zum Bestimmen von Entfernungen zu den Objekten verwendet.
Die Wellenformen sind nach der Kalibrierung nicht einstellbar und durch eine feststehende Zeitverzögerung zueinander zeitverzögert, die nur Schaltungs- und strukturelle Verzögerungen kompensiert. Infolgedessen ist der Fensterbereich in WO 89/12837 ein feststehender, verhältnismäßig kurzer Fensterbereich mit einem Mindestbereich, der im Wesentlichen null entspricht.
US 5,216,259 lehrt ein Verfahren zum Bestimmen einer Entfernung zu einem Ziel unter Verwendung eines optischen Signals, das durch einen zeitabhängigen Verstärkungsfaktor modifiziert oder geändert wird. Ein kurzer Lichtimpuls, der von einem Laser ausgesendet wird, wird von dem Ziel reflektiert und von einem optischen Verstärker mit einem zeitabhängigen Verstärkungsfaktor empfangen. Der Betrag, um die der empfangene Impuls verstärkt wird, hängt von einer Verstärkung zu einer Zeit ab, zu der das reflektierte Licht den Verstärker erreicht. Der reflektierte Impuls „stoppt" oder markiert die zeitabhängige Verstärkungsfunktion des Verstärkers, wenn er den Verstärker erreicht. Der verstärkte Impuls wird verarbeitet, um die Verstärkung zu bestimmen, die auf den Impuls angewandt wurde, und die Verstärkung wird wiederum zum Bestimmen einer Zeit benutzt, zu der der Impuls den Verstärker erreicht hat. Die Ankunftszeit wird zum Bestimmen eines Zeitablaufs von einer Zeit, zu der der Impuls gesendet wurde, zu einer Zeit benutzt, zu der der reflektierte Impuls den Verstärker erreicht. Die Entfernung zum Ziel wird aus dem Zeitablauf bestimmt.
Die Patentschrift lehrt ein zweites Verfahren zum Bestimmen einer Entfernung zu einem Ziel durch Empfangen von Licht, das vom Ziel reflektiert ist, von einem gesendeten Lichtimpuls in mehreren Abtastintervallen, die einer Zeit folgen, zu der der Impuls gesendet wurde. Ein Entfernungsprozessor bestimmt eine Kombination von Ab tastintervallen, in denen der reflektierte Lichtimpuls empfangen wird, und daraus eine Entfernung zum Ziel.
US 3,463,588 beschreibt ein optisches Radarsystem, bei dem positive Bilder, die aus Rückstreuung von übertragener Energie und Umgebungsenergie resultieren, mit negativen Bildern verschachtelt werden, die nur aus Umgebungsenergie resultieren, um Umgebungsbilder aus dem Display eines optischen Radars entsprechend verschachtelten, alternativen Steuersignalen zu beseitigen. Entfernungs- und Entfernungsbandsteuerung sind durch Steuern der Timing-Verhältnisse der Steuersignale bereitgestellt.
Kameras mit Entfernungsgattern sind gleichermaßen in der Technik bekannt. Zu derartigen Kameras gehört im Allgemeinen ein torgesteuertes Detektor Array, das in Verbindung mit einer gepulsten oder Stroboskoplichtquelle zusammenwirkt, die einen Ort beleuchtet. Das Array kann beispielsweise durch Ankoppeln eines torgesteuerten Verstärkers torgesteuert sein, wie etwa des verstärkten Lens System, das von IMCO Electro-optics Ltd., Essex, UK hergestellt wird, oder durch andere Mittel, die in der Technik allgemein bekannt sind. Das Gattertiming des Detektor Array ist bezüglich der Lichtquelle derart verzögert, dass nur Objekte innerhalb eines erwünschten Entfernungsbereichs von der Kamera erfasst werden. Die Kamera kann die Entfernungen zu verschiedenen Objekten oder verschiedenen Punkten innerhalb des Bereichs nicht bestimmen.
Kurzdarstellung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Entfernungsmessungskamera bereitzustellen, die Tiefeninformation im Wesentlichen gleichzeitig von allen Pixeln an einem Ort beschafft.
In einigen Aspekten der vorliegenden Erfindung erzeugt die Entfernungsmessungskamera sowohl ein Intensitätsbild als auch ein Entfernungsbild des Ortes, wobei die Bilder gleichzeitig registriert werden.
In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung erzeugt die Entfernungsmessungskamera ein dreidimensionales Bild des Ortes.
In anderen Aspekten der vorliegenden Erfindung gibt die Entfernungsmessungskamera Information bezüglich der Entfernung eines oder mehrerer Objekte an dem Ort von der Kamera aus. Diese Entfernungsinformation kann zum Filtern und/oder weiteren Verarbeiten eines von der Kamera beschafften Bildes verwendet sein, oder als Rückmeldung zur Kamera selbst, wodurch es ihr ermöglicht wird, ihre Entfernungserfassungsfunktion zu größerer Selektivität und/oder Präzision anzupassen.
In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weist eine Entfernungsmessungskamera eine Strahlungsquelle zum Beleuchten eines interessierenden Ortes und ein Detektor Array, vorzugsweise ein CCD-Array, zum Abtasten der Strahlungsintensität auf, die von Objekten an dem Ort reflektiert werden, wie in einer ersten PCT-Patentanmeldung unter dem Titel „Optical Ranging Camera" beschrieben, die am selben Datum von denselben Anmeldern wie der vorliegenden Anmeldung eingereicht wurde und auf den Inhaber der vorliegenden Anmeldung übertragen ist und deren Offenbarung hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Die Strahlungsquelle wird beispielsweise durch eine mechanische Blende oder Flüssigkristallblende moduliert, die die Quelle abwechselnd für vorgegebene, bekannte Zeiträume blockiert und freigibt. Die reflektierte Strahlung wird gleichermaßen moduliert, so dass Strahlung, die das Detektor Array erreicht, vorzugsweise für vorgegebene, bekannte Zeiträume blockiert und freigegeben wird, die dieselben wie, oder insbesondere, andere als die Zeiträume sein können, für die die Strahlungsquelle blockiert und freigegeben wird. Die Intensität der Strahlung, die das Detektor Array erreicht und dadurch erfaßt ist, wird dann verarbeitet, um Entfernungen von Objekten an dem Ort zur Kamera zu bestimmen.
Während in einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Strahlungsquelle und reflektierte Strahlung durch eine oder mehrere mechanische Blenden oder Flüssigkristallblenden moduliert werden, wie oben beschrieben, können andere, in der Technik bekannte Strahlungsmodulatoren gleichermaßen benutzt sein. Daher modulieren in einigen bevorzugten Ausführungsformen ein oder mehrere elektrooptische Modulatoren, wie etwa KDP-Kristallmodulatoren, die Quelle und/oder reflektierte Strahlung. Zusätzlich oder alternativ kann in einigen Aspekten der vorliegenden Erfindung die Strahlungsquelle elektronisch moduliert sein, durch Anwenden einer geeigneten Wellenform auf Schaltungen, die die Quelle betreiben. Ferner kann zusätzlich oder alternativ die reflektierte Strahlung durch in der Technik bekannte Reset/Readout-Techniken moduliert sein, wobei das Detektor Array zunächst zurückgesetzt wird, d.h. Elemente des Arrays werden im Wesentlichen von darin angesammelten, gehäuften elektrischen Ladungen befreit, und nach einer vorgegebenen, bekannten Verzögerungsperiode werden Ladungen, die sich in den Elementen angesammelt haben, ausgelesen und gemessen.
Die Strahlungsquelle weist vorzugsweise einen Laser auf, kann jedoch alternativ geeignete Lichtquellen anderer Arten aufweisen.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weist die Entfernungsmessungskamera ein telezentrisches optisches System auf, wie in einer zweiten PCT-Patentanmeldung unter dem Titel „Telecentric Optical Ranging Camera" beschrieben, die am selben Datum von denselben Anmeldern wie der vorliegenden Anmeldung eingereicht wurde und ebenfalls auf den Rechtsnachfolger der vorliegenden Anmeldung übertragen ist und deren Offenbarung hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Vorzugsweise wird die reflektierte Strahlung durch geeignete Sammeloptiken gesammelt und durch einen elektrooptischen Modulator moduliert, wie etwa einen KDP-Kristallmodulator. Insbesondere werden die Quellstrahlung und die reflektierte Strahlung entlang einer gemeinsamen optischen Achse parallel gerichtet. In einer derartigen, bevorzugten Ausführungsform werden die Quellstrahlung und die reflektierte Strahlung durch einen gemeinsamen elektrooptischen Modulator moduliert, während sie in anderen bevorzugten Ausführungsformen separat durch verschiedene Modulatoren moduliert werden.
In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die Strahlungsquelle durch eine erste Wellenform moduliert und die reflektierte Strahlung durch eine zweite Wellenform moduliert. Die Formen der ersten und zweiten Wellenform und eine Zeitverzögerung zwischen den Wellenformen ist derart eingestellt, dass sie eine erwünschte Funktionsabhängigkeit der Intensität ergeben, die an jedem Pixel des Detektor Array auf die Entfernung von der Kamera zu dem durch das Pixel abgebildeten Objekt erfasst ist.
Vorzugsweise werden die erste und zweite Wellenform und die Verzögerung dazwischen derart eingestellt, dass sie ein Entfernungs-„Fenster" definieren, d.h. einen Entfernungsbereich von Objekten von der Kamera, über die die Entfernungen der Objekte bestimmt werden können. Während die Strahlungsquelle und die reflektierte Strahlung jeweils durch die erste und zweite Wellenform moduliert werden, erhält die Kamera nur Bilder von Objekten innerhalb des Fensters. Durch sachdienliches Einstellen des Fensters ist die Verarbeitung der erfassten Strahlung zum Bestimmen der Entfernungen von der Kamera zu den Objekten innerhalb des Fensters vereinfacht und/oder ihre Genauigkeit verbessert. Vorzugsweise wird das Fenster außerdem zum Maximieren des Dynamikbereichs der Kamera für Objekte in einem Entfernungsbereich von der Kamera, der einem Abschnitt des interessierenden Orts entspricht, angepasst.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die erste und die zweite Wellenform derart, dass die Sende- und/oder reflektierte Strahlung viele Male während eines einzelnen Felds oder Rahmens des Detektor Array blockiert und freigegeben werden. Vorzugsweise weisen die erste und zweite Wellenform mehrere Impulse auf, wobei jeder Impuls der zweiten Wellenform einem entsprechenden Impuls der ersten Wellenform durch eine vorgegebene, typischerweise konstante Verzögerung folgt. Unter Berücksichtigung, dass die Dauer eines Standardvideofelds ungefähr 16 ms beträgt, während die Dauer der Impulse der ersten und zweiten Wellenform typischerweise weniger als 1 ms betragen, ist ersichtlich, dass Hunderte oder Tausende derartiger Impulse in der Zeit eines einzigen Felds oder Rahmens enthalten sein können. Derartige Mehrfachimpulsfunktionen sind beim Erhöhen des Signal-Rausch-Verhältnisses des Bilds von Nutzen, das durch die Kamera erzeugt ist.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist das Fenster anpassungsfähig eingestellt, um Bilder von einem oder mehreren interessierenden Objekten zu beschaffen. Vorzugsweise wird ein erstes Fenster, das einen weiten Entfernungsbereich von der Kamera abgrenzt, anfänglich durch Modulieren der Quelle und der reflektierten Strahlung unter Verwendung von Wellenformen mit verhältnismäßig langer Dauer definiert. Ein Bild der interessierenden Objekte wird innerhalb dieses Fensters beschafft und die Entfernung zu wenigstens einem der Objekte bestimmt. Dann wird ein zweites Fenster definiert, das das wenigstens eine Objekt enthält und vorzugsweise einen engeren Entfernungsbereich als das erste Fenster abgrenzt. Auf diese Art und Weise wird ein zweites Bild erhalten, das eine reduzierte Gruppe von Objekten enthält, die nicht interessieren, und eine genauere Bestimmung zu dem wenigstens einen interessierenden Objekt ermöglicht.
Vorzugsweise wird das Fenster danach anpassungsfähig eingestellt, um das wenigstens eine interessierende Objekt zu verfolgen. Wenn sich die Entfernung des Objekts von der Kamera ändert, werden die Modulationswellenformen geändert, so dass das Objekt innerhalb des Entfernungsbereichs bleibt, der durch das Fenster abgegrenzt ist.
Alternativ oder zusätzlich kann die Entfernung zu einem interessierenden Objekt anfänglich unter Verwendung eines Suchstrahls, beispielsweise einem Laserentfernungsmesser oder anderen, in der Technik bekannten Entfernungsmesserarten, bestimmt sein. Das Fenster wird dann derart eingestellt, dass sich das Objekt innerhalb des Entfernungsbereichs befindet, der davon abgegrenzt ist.
In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden Bilder von Abschnitten des Ortes, die in Entfernungen von der Kamera außerhalb des Fensters angeordnet sind, nicht erfasst, oder alternativ separat von den Bildern von interessierenden Objekten an dem Ort erfasst. Die vorliegende Erfindung kann dann beispielsweise zum Unterscheiden der einen oder mehreren interessierenden Objekte von einem weiter entfernten Hintergrund verwendet werden. In einigen bevorzugten Ausführungsformen werden die Bilder der interessierenden Objekte dann unter Verwendung von im Stand der Technik bekannten Techniken mit anderen Bildern, beispielsweise computerverarbeiteten oder computererzeugten Bildern, kombiniert, um ein erwünschtes Mischbild zu erzeugen.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist das Detektor Array ein zweidimensionales Matrix-Array, beispielsweise ein CCD-Array, und ein oder mehrere Lichtmodulatoren modulieren das reflektierte Licht, das das Array erreicht, so dass verschiedene Modulationswellenformen jeweils verschiedenen Zeilen oder Gruppen benachbarter Zeilen des Array zugeordnet sind. Auf diese Art und Weise sind verschiedene Entfernungsfenster, d.h. verschiedene ausgewählte Entfernungsbereiche, verschiedenen Zeilen oder Gruppen benachbarter Zeilen zugeordnet. Jede derartige Zeile oder Gruppe benachbarter Zeilen erzeugt ein Linienbild des Ortes, das Tiefeninformation von Objekten enthält, die die Linie durchläuft. Zum Erzeugen eines Bilds des gesamten Ortes, das Tiefeninformation über einen weiten Bereich enthält, tastet das Gesichtsfeld allgemein den Ort ab, und mehrfache Linienbilder werden beschafft und kombiniert, wie untenstehend beschrieben.
In einigen dieser bevorzugten Ausführungsformen ist ein Flüssigkristallblenden-Array relativ zum CCD-Array angeordnet, um das reflektierte Licht, das jede Zeile oder folgende Gruppe benachbarter Zeilen des CCD-Array erreicht, separat zu modulieren. Vorzugsweise wird das Flüssigkristall-Array derart betrieben, das aufeinander folgende Zeilen oder folgende Gruppen benachbarter Zeilen des Array dem reflektierten Licht über gleiche, aufeinander folgende Zeiträume ausgesetzt sind. Daher empfängt jede aufeinander folgende Zeile oder Gruppe Licht von Objekten innerhalb eines aufeinander folgenden Entfernungsfensters an dem Ort und wird zum Bestimmen der Entfernung derartiger Objekte von der Kamera benutzt.
Insbesondere ist das Flüssigkristall-Array derart betrieben, dass eine erste Zeile des CCD-Array, die einer ersten Kante davon benachbart ist, Licht von einem ersten Entfernungsfenster empfängt, das sich verhältnismäßig nahe der Kamera befindet, und eine letzte Zeile des CCD-Array, das einer zweiten Kante davon gegenüber der ersten Kante benachbart ist, Licht von einem letzten Entfernungsfenster empfängt, das sich verhältnismäßig weit weg von der Kamera befindet. Jede aufeinander folgende Zeile des Arrays zwischen der ersten und der letzten Zeile empfängt Licht von einem aufeinander folgenden Entfernungsfenster, wobei alle dieser Entfernungsfenster zusammen im Wesentlichen die Entfernung zwischen dem ersten und letzten Fenster in aufeinander folgenden, vorzugsweise im Wesentlichen gleichen Schritten abdecken.
Alternativ wird in anderen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Flüssigkristallblenden-Array zweckmäßig bezüglich des CCD-Arrays angeordnet und, zum separaten Modulieren des reflektierte Lichts, das jedes Pixel oder jede Gruppe benachbarter Pixel in dem CCD-Array erreicht, betrieben, so dass jedem Pixel oder jeder Gruppe von Pixeln ein eigenes Entfernungsfenster zugeordnet ist. Das Blenden-Array kann vorzugsweise anpassungsfähig betrieben sein, so dass jedes Entfernungsfenster die Entfernung zu einem Punkt auf einem interessierenden Objekt an dem Ort verfolgt, dessen Bild durch das entsprechende Pixel oder die entsprechende Gruppe von Pixeln erfasst ist. Dadurch kann das Entfernungsfenster, das jedem der Pixel oder jeder der Gruppen von Pixeln zugeordnet ist, zum Enthalten und Erbringen genauen Lesens der Entfernung zu dem Punkt sowie zum Reduzieren von Bildgruppen eingestellt sein.
In einigen dieser bevorzugten Ausführungsformen in denen jedes Pixel sein eigenes Entfernungsfenster aufweist, sind Gruppen von einander benachbarten Pixeln zum Zusammenwirken als „Superpixel" organisiert. Jedes derartige Super-Pixel kann beispielsweise eine Drei-mal-Drei-Gruppe von neun Pixeln enthalten, auf die Licht, das von dem Ort reflektiert wird, entlang einer gemeinsamen Achse abgebildet wird. Auf diese Art und Weise ist ein vollständiges Bild des Ortes erfasst, das Tiefeninformation mit einem gewünschten Entfernungsauflösungsgrad enthält, wenn auch zu Lasten der Seitenauflösung. Es können Superpixel jeder Größe, beispielsweise 1 × 2 Pixel, 2 × 2 Pixel oder 4 × 4 Pixel, zum Erzielen eines optimalen Kompromisses zwischen Entfernung und Seitenauflösung benutzt sein.
Obwohl die obigen Ausführungsformen unter Bezugnahme auf ein Flüssigkristallblenden-Array beschrieben wurden, versteht es sich, dass in anderen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung andere Lichtmodulator-Arrayarten zu ähnlichen Zwecken benutzt werden können, z.B. torgesteuerte, adressierbare Mikrokanal-Arrays oder Arrays elektrooptischer oder akustooptische Lichtmodulatoren.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, in denen verschiedene Entfernungsfenster sequentiell verschiedenen Zeilen eines Detektor Array zugeordnet sind, die jeweils ein Linienbild eines Abschnitt des Ortes erzeugen, wie oben beschrieben, tastet das Gesichtsfeld des Array den Ort in einem "Pushbroom"-Abbildungsmodus ab. Anders gesagt wird die Kamera vorzugsweise seitlich bezüglich des Ortes auf eine Art und Weise verschoben, dass das Linienbild, das von jeder der Zeilen erzeugt wird, in einer Richtung über den Ort streicht, die senkrecht zur Längsausdehnung der Zeilen ist. Die Kamera erfasst eine Folge der Linienbilder von jeder Zeile des Detektor Arrays entlang einer Abfolge paralleler Linien.
Alternativ kann das Gesichtsfeld der Kamera abgetastet werden, oder Objekte an dem Ort können sich zum selben Zweck seitlich bezüglich der Kamera bewegen.
Vorzugsweise ist die Gewinnung von Bildern durch die Kamera mit der Verschiebung oder Abtastung des Detektor Array bezüglich des Orts synchronisiert, so dass ein Abschnitt des Ortes, der durch jede Zeile des Arrays (außer der ersten Zeile) an jedem Punkt in der von der Kamera erzeugten Abfolge von Bildern abgebildet ist, im Wesentlichen derselbe ist wie der Abschnitt des Ortes, der durch die vorhergehende Zeile des Arrays an dem vorhergehenden Punkt in der Abfolge abgebildet ist, außer dass ein anderes Entfernungsfenster vorliegt. Auf diese Art und Weise wird ein vollständiges, dreidimensionales Bild des Ortes ermittelt, da für jeden Punkt an dem Ort die Intensität des reflektierten Lichts als eine Funktion der Entfernung von der Kamera über einen weiten Entfernungsbereich gemessen wird.
In anderen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthält die Kamera Scan-Optiken, die ein Linienbild des Ortes fokussieren und modulieren, so dass das Linienbild nacheinander auf jede der Zeilen des Detektor Arrays projiziert wird. Dadurch wird ein aufeinander folgendes Entfernungsfenster erhalten, das jeder Zeile des Array zugeordnet ist, wobei das Fenster durch die Zeit definiert ist, während der das Linienbild auf der Zeile verweilt. Entfernungen zu Objekten an dem Ort, die das Linienbild durchläuft, innerhalb jedes der aufeinander folgenden Entfernungsfenster werden gemäß dem oben beschrieben Verfahren bestimmt. Die Scan-Optik kann einen optomechanischen Hochgeschwindigkeitsscanner, einen akustooptischen oder elektrooptischen Modulator oder andere, in der Technik bekannte Scannerarten enthalten.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthält die Kamera drei Detektor Arrays mit zugeordneten Farbfiltern, vorzugsweise rot, grün und blau, wie in der Technik bekannt, und ermittelt dadurch Farbbilder des Ortes. Al ternativ könnte die Kamera nur ein oder zwei Detektor Arrays mit einem oder mehreren, in der Technik bekannten Streifen- oder Mosaikfarbfiltern enthalten, die ihr zum Ermitteln von Farbbildern zugeordnet sind. Daher wird bezüglich jedes Pixels des Arrays Intensitäts-Farb- und Tiefeninformation gleichzeitig ermittelt.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden zweidimensionale Intensitäts- und/oder Farbbilder und dreidimensionale Entfernungsbilder (d.h. Pixel-zu-Pixel-Entfernungsinformation) registriert und übereinander gelagert, um Tiefenbilder für einen Benutzer der Kamera zu erzeugen und sie ihm zu präsentieren. Derartige Tiefenbilder können unter Benutzung jeglicher in der Technik bekannter Verfahren erzeugt werden, beispielsweise durch Zeichnen von isodistanten Konturlinien auf ein zweidimensionales Bild oder durch Benutzen von Pseudofarbe zum Anzeigen von Entfernungen in einem einfarbigen Bild oder mit Hilfe einer computererzeugten isometrischen Projektion.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Kamera auf einer beweglichen Plattform angebracht, beispielsweise auf einem Luftfahrzeug zum Beschaffen topographischer Bilder des Bodens, über den das Luftfahrzeug fliegt, oder alternativ auf einer Seeplattform, entweder unter Wasser oder auf der Wasseroberfläche, oder auf einer Raumplattform. Die Kamera arbeitet vorzugsweise im "Pushbroom"-Modus, wie oben beschrieben, und die Bildgewinnung durch die Kamera ist mit der Geschwindigkeit über Grund der beweglichen Plattform synchronisiert. Durch die Kamera gewonnene Bilder werden vorzugsweise zum Aufzeichnen von Merkmalen und Objekten unter der Plattform verwendet und können außerdem zum Berechnen der dreidimensionalen Volumen derartiger Merkmale und Objekte benutzt sein. In anderen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Kamera auf einem Roboter angebracht oder diesem anderweitig zugeordnet, der die von der Kamera bereitgestellte, dreidimensionale Bildinformation zum Führen seiner Aktion bei einer gewünschten Aufgabe benutzt.
Alternativ oder zusätzlich wird die Kamera in einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zur Qualitätssicherung oder Qualitätskontrolle eines Herstellungsvorgangs benutzt, beispielsweise zum Bestimmen mehrfacher Dimensionen eines Herstellungsgegenstands und zum Bestätigen, dass er einen Standard erfüllt. Gleichermaßen kann durch Messen von Oberflächenkonturen von Schüttgut oder von Waren, die in einem Behälter gelagert sind, dessen Größe ebenfalls unter Verwendung der Kamera erkannt oder gemessen werden kann, das Volumen des Guts oder der Waren bestimmt werden.
In anderen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die Kamera in einem Modellscanner zum Erzeugen von dreidimensionalen Bildern eines interessierenden Objekts benutzt. Die Bilder sind vorzugsweise Farbbilder. In einer derartigen bevorzugten Ausführungsform werden diese dreidimensionalen Bilder in Verbindung mit einem System für rasche, dreidimensionale Prototypmodellierung, wie in der Technik bekannt, zum Reproduzieren einer oder mehrerer dreidimensionaler Kopien oder Modelle des interessierenden Objekts unter Beinhaltung von Oberflächenfarbreproduktion benutzt.
In wiederum anderen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Kamera auf einem Fahrzeug zum Gebrauch in einem Kollisionsverhütungssystem angebracht, beispielsweise durch Identifizieren möglicher Gefährdungen und Bestimmen der Entfernung vom Fahrzeug zu den Gefährdungen.
In anderen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird eine Entfernungsmessungskamera wie oben beschrieben in Verbindung mit einem Endoskop zum Beschaffen dreidimensionaler Bilder eines interessierenden Bereichs innerhalb des Körpers eines Patienten benutzt.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Kamera an eine Sensormatrix zur Benutzung durch eine blinde Person gekoppelt. Die Sensormatrix kann beispielsweise mehrere Stifte aufweisen, die zum Drücken gegen die Haut der blinden Person betätigt werden, beispielsweise auf ihrer Stirn, wobei der Druck, der von jedem Stift auf die Haut ausgeübt wird, proportional zur Entfernung der Person zu einem entsprechenden Punkt an dem Ort ist, der von der Kamera eingefangen ist. Vorzugsweise steuert die blinde Person das Entfernungsfenster der Kamera derart, dass der Bereich des durch die Stifte ausgeübten Drucks einem gewünschten Entfernungsbereich von der Person entspricht.
Es wird daher gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Bildes bereitgestellt, die Entfernungen zu Objekten an einem Ort anzeigt, aufweisend:
eine modulierte Strahlungsquelle mit einer ersten Modulationsfunktion, die Strahlung auf einen Ort richtet;
einen Detektor, der von dem Ort reflektierte Strahlung erfasst, die durch eine zweite Modulationsfunktion moduliert ist, und entsprechend der erfassten modulierten Strahlung Signale entsprechend der Entfernung zu Bereichen des Orts erzeugt;
einen Prozessor, der Signale von dem Detektor empfängt und Bilder auf Grundlage der Signale mit einer Intensitätswertverteilung erzeugt, welche für die Entfernung von Objekten von der Vorrichtung kennzeichnend ist; und
eine Steuereinheit, die wenigstens eine der ersten und zweiten Modulationsfunktionen entsprechend der Intensitätswertverteilung des vom Prozessor erzeugten Bildes ändert.
Es ist ferner gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Bildes bereitgestellt, das Entfernungen zu Objekten an einem Ort anzeigt, aufweisend:
eine modulierte Strahlungsquelle mit einer ersten Modulationsfunktion, die Strahlung auf einen Ort richtet;
einen Detektor, der einen Detektormodulator enthält, mit einer zweiten Modulationsfunktion und ein Detektor Array, wobei das Array mehrere Detektorelemente enthält, wobei der Detektor Strahlung erfasst, die von mehreren parallelen, beabstandeten Segmenten innerhalb des Ortes reflektiert wird, und entsprechend der erfassten Strahlung Signale entsprechend der Entfernung zu Bereichen des Orts erzeugt; und
einen Prozessor, der ein Bild erzeugt, das wenigstens einige der mehreren, beabstandeten Segmente enthält und eine Intensitätswertverteilung aufweist, welche für die Entfernung von Objekten von der Vorrichtung kennzeichnend ist,
wobei jedes der mehreren, beabstandeten Segmente Entfernungsgrenzen bezüglich der Vorrichtung aufweist, die durch den Detektormodulator bestimmt sind, und wobei wenigstens eines der mehreren, beabstandeten Segmente Entfernungsgrenzen aufweist, die sich von den Grenzen von wenigstens einem anderen beabstandeten Element unterscheiden.
Außerdem ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein System zum Erzeugen eines erweiterten Bildes bereitgestellt, das Entfernungen zu Objekten an einem Ort anzeigt, aufweisend:
eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Bildes wie oben beschrieben, wobei die Vorrichtung mehrere folgende Bilder des Ortes erzeugt, wobei wenigstens eines der mehreren Bilder eine oder mehrere Bereiche des Ortes enthält, die in wenigstens einem anderen der Bilder nicht enthalten sind; und
einen Bildprozessor, der die mehreren Bilder zum Erzeugen eines erweiterten Bildes kombiniert, das Entfernungen zu Objekten an dem Ort anzeigt.
Ferner ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Bildes bereitgestellt, das Entfernungen zu Objekten an einem Ort anzeigt, aufweisend:
eine modulierte Strahlungsquelle, die Strahlung auf einen Ort richtet;
telezentrische Optiken, die von dem Ort reflektierte Strahlung empfangen und parallel richten;
einen Modulator, der die parallel gerichtete Strahlung moduliert;
einen Detektor, der ein Bild erfasst, das aus der modulierten, parallel gerichteten Strahlung erzeugt ist; und
einen Prozessor, der ein Bild mit einer Intensitätswertverteilung erzeugt, welche für die Entfernung von Objekten von der Vorrichtung kennzeichnend ist, entsprechend der Intensitätsverteilung des erfassten Bildes,
wobei die Quelle und der Detektor achsausgerichtet sind, und
wobei der Modulator, der die parallel gerichtete Strahlung moduliert, die von dem Ort reflektiert ist, nicht die Strahlung moduliert, die von der Quelle auf den Ort gerichtet ist.
Zudem ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Bildes bereitgestellt, das Entfernungen zu Objekten an einem Ort anzeigt, aufweisend:
eine modulierte Strahlungsquelle mit einer ersten Modulationsfunktion, die Strahlung auf einen Ort richtet;
einen ersten Detektor, der von dem Ort reflektierte Strahlung erfaßt, die durch eine zweite Modulationsfunktion moduliert ist, und entsprechend der erfaßten modulierten Strahlung Signale entsprechend der Entfernung zu Bereichen des Orts erzeugt;
einen zweiten Detektor, der mit dem ersten Detektor achsausgerichtet ist und von dem Ort reflektierte Strahlung erfaßt, die nicht durch eine zweite Modulationsfunktion moduliert ist, und entsprechend der erfaßten Strahlung Signale entsprechend der Intensität von Licht, das von den Bereichen des Ortes reflektiert ist, erzeugt;
einen Prozessor, der Signale von dem ersten und zweiten Detektor empfängt und ein Bild auf Grundlage der Signale erzeugt, mit einer Intensitätswertverteilung, welche für die Entfernung von Objekten von der Vorrichtung kennzeichnend ist.
Es ist ferner gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein System zur Roboterführung bereitgestellt, das eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Bildes, welches Entfernungen zu Objekten an einem Ort anzeigt, wie oben beschrieben, und einen Roboter enthält, der auf ein Objekt an dem Ort einwirkt, unter Ausnutzung der durch die Vorrichtung angezeigten Entfernung zu dem Objekt zur Führung.
Es ist zudem gemäß einer andern bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein System bereitgestellt, zum Bestimmen von Dimensionen eines Gegenstandes, das eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Bildes des Gegenstands, welche Entfernungen zu Bereichen des Gegenstands anzeigt, und einen Computer enthält, der die Dimensionen des Gegenstands unter Nutzung des Bildes und der angezeigten Entfernung bestimmt. Vorzugsweise vergleicht der Computer die Dimensionen mit einem Standard. Alternativ oder zusätzlich bestimmt der Computer unter Nutzung der bestimmten Dimensionen das Volumen des Gegenstands.
Es ist außerdem gemäß wiederum einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein System zum Erzeugen eines dreidimensionalen Modells eines Gegenstands bereitgestellt, das ein System zum Bestimmen von Dimensionen des Gegenstands, wie oben beschrieben, und eine rasche Prototypen erzeugende Vorrichtung enthält, die die Dimensionen empfängt, die von dem System zum Bestimmen von Dimensionen bestimmt sind, und das dreidimensionale Modell gemäß den Dimensionen erzeugt. Vorzugsweise empfängt die rasche Prototypen erzeugende Vorrichtung Bildinformation, die insbesondere Farbbildinformation enthält, von der Vorrichtung zum Erzeugen des Bilds des Gegenstands und wendet die Information auf eine Oberfläche des dreidimensionalen Modells an.
Es ist ferner gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein System zur Fahrzeugführung bereitgestellt, das eine Vorrichtung zum Erstellen eines Bildes, das Entfernungen zu Objekten an einem Ort vor dem Fahrzeug in einer Bewegungsrichtung davon anzeigt, wie oben beschrieben, und einen Prozessor enthält, der unter Nutzung des Bildes und der angezeigten Entfernungen Gefährdungen an dem Ort identifiziert.
Es wird zudem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein System zur Endoskopiebildgebung bereitgestellt, das ein Endoskop mit einem fernen Ende zur Einführung in den Körper eines Patienten und einem nahen Ende zum Ankoppeln einer optischen Vorrichtung daran und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Bildes, wie oben beschrieben, enthält, wobei die Vorrichtung an das nahe Ende des Endoskops gekoppelt ist, um Strahlung durch das Endoskop in den Körper zu leiten und davon reflektierte Strahlung zu erfassen.
Es ist zudem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein System zum Erzeugen von Tastbildern eines Orts bereitgestellt, das eine Entfernungsmessungskamera zum Erzeugen eines Bildes eines Ortes, das Entfernungsinformation bezüglich mehrerer Punkte an dem Ort enthält, wie oben beschrieben, und eine adressierbare Matrix von Tastsensoren in Kontakt mit einer Oberfläche auf dem Körper eines Patienten enthält, wobei jeder dieser Sensoren entsprechend der Entfernung zu einem jeweiligen der mehreren Punkten an dem Ort einen Druck auf die Oberfläche ausübt.
Es ist ferner gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Mikrokanal-Arrayvorrichtung zum Modulieren eines Elektronenflusses bereitgestellt, aufweisend:
eine Mikrokanalplatte, durch die die Elektronen beschleunigt werden; und
mehrere schaltbare Elektroden, die der Mikrokanalplatte benachbart sind, wobei jede der Elektroden die Beschleunigung von Elektronen in einem entsprechenden Bereich der Platte moduliert.
Vorzugsweise weist das Mikrokanal-Array eine Fotokathode auf, die Elektronen empfängt, welche durch die Mikrokanalplatte beschleunigt werden, und Photonen entsprechend den Elektronen erzeugt, wobei die Elektronen leitfähiges, transparentes Material aufweisen, das auf die Fotokathode geschichtet ist.
Es ist außerdem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Kamerasystem zum Erzeugen eines Bilds eines Ortes bereitgestellt, aufweisend:
eine Fotoanode, die entsprechend einer Strahlung, die von dem Ort darauf einfällt, einen Elektronenfluss erzeugt;
eine Mikrokanal-Arrayvorrichtung, wie oben beschrieben, die Photonen entsprechend dem Elektronenfluss moduliert und erzeugt; und
einen Detektor, der die Photonen empfängt und dementsprechend das Bild des Ortes erzeugt.
Es ist außerdem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen eines Bildes bereitgestellt, das Entfernungen zu Objekten an einem Ort anzeigt, aufweisend:
Modulieren von Strahlung aus einer Strahlungsquelle gemäß einer ersten Modulationsfunktion und Richten der Strahlung auf einen Ort;
Modulieren von Strahlung, die von dem Ort reflektiert wird, gemäß einer zweiten Modulationsfunktion;
Erfassen der reflektierten Strahlung und Erzeugen von Signalen entsprechend Entfernungen zu Bereichen des Ortes entsprechend der erfaßten Strahlung;
Erzeugen eines Bildes mit einer Intensitätswertverteilung, die für die Entfernung zu Objekten an dem Ort kennzeichnend ist; und
Ändern von wenigstens einer der ersten und zweiten Modulationsfunktion entsprechend der Intensitätswertverteilung des Bildes.
Es ist zudem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen eines Bildes bereitgestellt, das Entfernungen zu Objekten an einem Ort anzeigt, aufweisend:
Modulieren von Strahlung aus einer Strahlungsquelle gemäß einer ersten Modulationsfunktion und Richten der Strahlung auf einen Ort;
Definieren mehrerer paralleler, räumlicher Segmente innerhalb des Ortes, wobei jedes derartige Segment Entfernungsgrenzen aufweist;
Erfassen von Strahlung, die von jedem der parallelen, räumlichen Segmente reflektiert wird, und Erzeugen von Signalen entsprechend der Entfernung zu Bereichen des Ortes entsprechend der erfaßten Strahlung; und
Erzeugen eines Bildes mit einer Intensitätswertverteilung, die für die Entfernung zu Objekten an dem Ort kennzeichnend ist,
wobei das Definieren der mehreren räumlichen Segmente das Definieren der Entfernungsgrenzen jedes der mehreren Segmente enthält, und
wobei sich die Entfernungsgrenzen von wenigstens einem der mehreren räumlichen Segmente von den Entfernungsgrenzen von wenigstens einem anderen räumlichen Element unterscheiden.
Es ist ferner gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen eines erweiterten Bildes bereitgestellt, das Entfernungen zu Objekten an einem Ort anzeigt, aufweisend:
Erzeugen eines ersten Bildes des Ortes, gemäß dem oben beschriebenen Verfahren;
Abtasten der räumlichen Segmente seitlich, relativ zum Ort;
Erzeugen eines zweiten Bildes des Ortes auf dieselbe Art und Weise, in der das erste Bild erzeugt wurde; und
Registrieren und Kombinieren des ersten Bildes mit dem zweiten Bild zum Erzeugen des erweiterten Bildes.
Es ist ferner gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen eines Mischbildes bereitgestellt, das ein gewünschtes eingesetztes Bild enthält, welches in eine ausgewählte Zone in dem Mischbild eingefügt wird, das Verfahren weist auf:
Markieren einer Zone an dem Ort;
Erzeugen eines ersten Bildes des Ortes, das die markierte Zone enthält, wobei das erste Bild Entfernungen zu Objekten an dem Ort anzeigt;
Bestimmen der Lage der Grenzen der Zone in dem ersten Bild und der Entfernung zu der Zone, wie durch das erste Bild angezeigt;
Skalieren des eingesetzten Bildes zum Einpassen in die Grenzen der Zone gemäß der Entfernung zu der Zone; und
Überlagern des skalierten, eingesetzten Bildes in die Zone in dem ersten Bild zum Erzeugen eines Mischbildes.
Vorzugsweise weist das Verfahren ferner auf, das Identifizieren eines interessierenden Objekts in dem ersten Bild, wobei die Entfernung zu dem interessierenden Objekt geringer als die Entfernung zu der Zone ist; das Filtern des ersten Bildes zum Erzeugen eines gefilterten Bildes des interessierenden Objekts; und das Überlagern des gefilterten Bildes des interessierenden Objekts in das eingesetzte Bild in der Zone.
Die vorliegende Erfindung wird aus der folgenden detaillierten Beschreibung ihrer bevorzugten Ausführungsformen zusammen mit den Zeichnungen besser verständlich.
Kurzbeschreibung der Figuren
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer optischen Entfernungsmessungskamera gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2A eine schematische Darstellung einer telezentrischen optischen Entfernungsmessungskamera gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2B eine schematische Darstellung einer anderen telezentrischen optischen Entfernungsmessungskamera gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2C eine schematische Darstellung wiederum einer anderen telezentrischen optischen Entfernungskamera, die zwei Detektor Arrays enthält, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ein schematisches Diagramm, das Wellenformen zeigt, die ein Modulationsschema zum Gebrauch in Verbindung mit der Kamera von 1 oder 2B darstellen, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Darstellung eines Ortes, der durch eine Entfernungsmessungskamera abgebildet ist, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische Darstellung einer entfernungsabhängigen Bildfilterfunktion, die durch Anwenden der in 3 gezeigten Wellenformen auf die Kamera von 1 oder 2B erzielt ist, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6A ein schematisches Diagramm, das Wellenformen zeigt, die ein alternatives Modulationsschema zum Gebrauch in Verbindung mit der Kamera von 1 oder 2B darstellen, gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6B eine schematische Darstellung einer entfernungsabhängigen Bildfilterfunktion, die durch Anwenden der in 6A gezeigten Wellenformen auf die Kamera von 1 oder 2B erzielt ist;
7 eine schematische Darstellung eines anpassungsfähigen optischen Entfernungsmessungskamerasystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8A eine schematische Darstellung eines optischen Entfernungsmessungskamerasystems zum Erzeugen von Videomischbildern gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8B eine schematische Darstellung eines Videobildes, das von dem System von 8A erzeugt ist;
9 eine schematische Darstellung eines optischen Entfernungsmessungskamerasystems zum Erzeugen von Videomischbildern gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 eine schematische Darstellung einer optischen linienabbildenden Entfernungsmessungskamera gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11 eine schematische, Explosions-Schnittdarstellung eines Blenden-Arrays, vorzugsweise zum Gebrauch mit der Kamera von 10, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
12A ein schematisches Diagramm, das Wellenformen zeigt, die ein Modulationsschema zum Gebrauch in Verbindung mit der Kamera von 10 darstellen, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
12B eine schematische Darstellung einer Abfolge von entfernungsabhängigen Bildfilterfunktionen, die durch Anwenden der in 11A gezeigten Wellenformen auf die Kamera von 10 erzielt sind, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
13 eine schematische Darstellung eines topographischen Abbildungssystems auf Grundlage der linienabbildenden Kamera von 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
14 eine schematische Darstellung eines Bildabtastsystems auf Grundlage der linienabbildenden Kamera von 10 gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
15 eine schematische Darstellung einer optischen, linienabbildenden Entfernungsmessungskamera gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
16 eine schematische Darstellung eines Farbstreifenfilters zum Gebrauch zusammen mit einem Detektor Array in der linienabbildenden Kamera von 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
17A eine schematische Darstellung einer optischen Entfernungsmessungskamera gemäß wiederum einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
17B eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Detektor Arrays, der in der Kamera von 17A benutzt ist, zum Erzeugen mehrfacher Entfernungsfenster gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen:
Es wird nun auf 1 Bezug genommen, die eine optische Entfernungsmessungskamera 20 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, wie in der oben genannten, zweiten PCT-Patentanmeldung beschrieben, die zum selben Datum eingereicht wurde und hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Die Kamera 20 weist ein Detektor Array 22 auf, vorzugsweise ein CCD-Array, wie etwa das KAF 0400 CCD-Array, hergestellt von Eastman Kodak, Rochester, New York, USA, oder das HS 0512J CCD-Array, hergestellt von EG&G Reticon, Sunnyvale, Kalifornien, USA. Von dem CCD erzeugte Signale werden von einem Videoprozessor 24 verarbeitet, der vorzugsweise ein dreidimensionales digitales Bild eines Ortes 26, der von der Kamera abgebildet ist, oder alternativ ein zweidimensionales Videobild erzeugt, in dem Entfernungen zu interessierenden Orten angezeigt sind, wie im Folgenden beschrieben.
Die Kamera 20 enthält ferner eine optische Baugruppe 28, die von dem Ort 26 reflektiertes Licht empfängt. Die Baugruppe 28 weist eine Eingangsblende 30, eine Sammellinse 32, einen optischen Modulator 34, eine Fokussierungslinse 36 und eine Ausgangsblende 38 auf. Vorzugsweise bilden die Blende 30 und die Sammellinse 32 ein telezentrisches optisches System, wobei die Linse 32 das von dem Ort 26 empfangene Licht auf den Modulator 34 parallel richtet. Der optische Modulator 34 weist vorzugsweise einen elektrooptischen Modulator auf, wie etwa ein Kristall aus KDP oder anderem geeigneten, in der Technik bekannten Material, kann jedoch alternativ Lichtmodulatoren anderer, in der Technik bekannter Arten aufweisen, wie etwa akustooptische Modulatoren, Flüssigkristallblenden oder mechanische Hochgeschwindigkeitsblenden. Es versteht sich, dass die Baugruppe 28 zur Vereinfachung der Erläuterung hier nur schematisch gezeigt ist, und dass die Kamera 20 in der Praxis im Allgemeinen zusätzliche Linsen und/oder andere optische Elemente enthält, die in der Technik bekannt sind.
Die Kamera 20 enthält außerdem eine Lichtquelle 40, die vorzugsweise eine Hochleistungslaserdiode wie die OPC-1003-813 Laserdiode, hergestellt von Opto Power Corporation, City of Industry, Kalifornien, USA, und geeignete Optik, wie in der Technik bekannt, zum Bereitstellen einer im Allgemeinen einheitlichen Beleuchtung des Ortes 26 durch die Laserdiode. Alternativ kann die Lichtquelle 40 beispielsweise einen Laser jeglicher anderer, geeigneter Art oder eine inkohärente Lichtquelle, wie etwa eine Stroboskoplampe, aufweisen. Ein Lichtmodulator 44, der von derselben Art wie der Modulator 34 sein kann, ist der Lichtquelle 40 zum Modulieren der Beleuchtung des Ortes 26 zugeordnet. Als weitere Alternative können Antriebsschaltungen 42 eine sachgemäß modulierte Eingangsleistung für die Lichtquelle vorsehen, um die Beleuchtung des Ortes ohne das Erfordernis des zusätzlichen Modulators 44 zu modulieren.
Eine Steuereinheit 46 reguliert die Modulation der Beleuchtung des Ortes 26 durch Steuern des Modulators 44 und/oder der Schaltung 42 sowie Steuern des Modulators 34 zum Modulieren der Strahlung, die von dem Ort reflektiert wird und auf das Array 22 einfällt. Vorzugsweise kommuniziert die Steuereinheit 46 mit dem Videoprozessor 24, so dass die Modulation der Beleuchtung und reflektierten Strahlung adaptiv geändert werden kann, wie im Folgenden beschrieben.
2A zeigt eine alternative bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine telezentrische optische Entfernungsmessungskamera 50 enthält, wie in der zweiten PCT-Patentanmeldung beschrieben, die zum selben Datum eingereicht wurde und hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Die Kamera 50 weist ein Detektor Array 22, eine optische Baugruppe 28 und eine Lichtquelle 40 auf. Die Kamera 50 gleicht im Allgemeinen der Kamera 20, unterscheidet sich jedoch hauptsächlich darin von jener, dass bei der Kamera 50 ein gemeinsamer Modulator 52 sowohl die Beleuchtung von der Quelle 40 als auch die Strahlung moduliert, die von dem Ort 26 zum Array 22 reflektiert ist. Der Modulator 52 weist vorzugsweise ein KDP-Kristall oder alternativ jede andere geeignete Art von Modulator auf, wie oben beschrieben. Die Beleuchtung von der Quelle 40 wird im Wesentlichen durch eine Projektionslinse 54 parallel gerichtet und unter Benutzung eines Strahlenkombinators 58 auf die optischen Achse 56 ausgerichtet.
Der Modulator 52 kann zum Anwenden einer gemeinsamen Wellenform auf die Beleuchtung sowie die reflektierte Strahlung benutzt werden. In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird der Modulator 52 jedoch von der Steuereinheit 46 zum Anwenden mehrfacher Wellenformen betrieben, vorzugsweise einer ersten Wellenform, die auf die Beleuchtung angewendet wird, und einer zweiten Wellenform, die auf die reflektierte Strahlung angewendet wird, wie im Folgenden beschrieben.
Es versteht sich, dass der Modulator 52, während die erste und die zweite Wellenform jeweils angewendet werden, im Allgemeinen sowohl die Beleuchtung als auch die reflektierte Strahlung willkürlich überträgt. Vorzugsweise steuert dazu der Videoprozessor 24 das Array 22, so dass das Array nur in Reaktion auf Strahlung, die aufgrund der zweiten Wellenform durch den Modulator 52 übertragen wird, Signale erzeugt. Daher aktiviert beispielsweise in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, in denen das Array 22 ein CCD-Array aufweist, wie oben beschrieben, der Videoprozessor 24 vorzugsweise die elektronische Blende des Array, wie in der Technik bekannt, synchron mit der zweiten Wellenform. Gleichermaßen steuert die Antriebsschaltung 42 die Lichtquelle 40 synchron mit der ersten Wellenform.
2B zeigt wiederum eine andere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine telezentrische optische Entfernungsmessungskamera 59 enthält. Die Kamera 59 gleicht der Kamera 50, die in 2A gezeigt ist, außer dass die Kamera 59 den Modulator 44 zum Modulieren der Beleuchtung des Ortes 26 unabhängig vom Modulator 52 aufweist, der die reflektierte Strahlung moduliert. Daher können die Modulationswellenformen, die auf die Kamera 20 angewendet sind, gleichermaßen mit ähnlichen Ergebnissen auf die Kamera 59 angewendet sein, wie im Folgenden beschrieben.
2C zeigt wieder eine andere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine telezentrische optische Entfernungsmessungskamera 64 mit zwei Detektor Arrays 22 und 65 enthält. Das Detektor Array 22 empfängt Strahlung, die von dem Ort 26 reflektiert und durch den Modulator 52 moduliert wurde, im Wesentlichen wie bezüglich des Detektor Arrays in 2B und in den oben beschriebenen, anderen bevorzugten Ausführungsformen beschrieben. Das Array 65 empfängt jedoch Strahlung von dem Ort 26, die nach der Reflexion von dem Ort nicht moduliert ist. Das Array 65 ist mit Hilfe eines Strahlteilers 66 mit dem Array 22 ausgerichtet. Eine Abbildungslinse 67 und eine Ausgangsblende 68 erzeugen daher ein nicht moduliertes Bild des Ortes 26 auf dem Array 65, wobei das Bild vorzugsweise im Wesentlichen mit dem (modulierten) Bild registriert ist, das auf dem Array 22 erzeugt ist.
Wie oben bezüglich der Kamera 59 angegeben, können die Modulationswellenformen, die auf die Kamera 20 angewendet sind, wie im Folgenden beschrieben, gleichermaßen auf die Kamera 64 angewendet werden, mit ähnlichen Ergebnissen bezüglich der Bilder, die vom Array 22 empfangen werden. Die Zweckmäßigkeit der vom Array 65 empfangenen, nicht modulierten Bilder wird ebenfalls im Folgenden beschrieben.
Obgleich die in 1, 2A, 2B und 2C dargestellten bevorzugten Ausführungsformen telezentrische Abbildungselemente aufweisen, versteht es sich, dass die Prinzipien der vorliegenden Erfindung gleichermaßen zum Hervorbringen nicht telezentrischer, optischer Entfernungsmessungskameras angewendet sein können, wie etwa in der oben genannten, ersten PCT-Patentanmeldung gezeigt und beschrieben.
3 stellt schematisch Wellenformen 60 und 62 dar, die zum Betreiben der Modulatoren 44 und 34, die in 1 gezeigt sind, benutzt werden, um die Beleuchtung des Ortes 26 bzw. die davon reflektierte Strahlung zu modulieren. Wie gezeigt, weisen beide Wellenformen vorzugsweise rechteckige Impulsformen auf. Wenn sich jede der Wellenformen auf ihrem High Wert befindet, ermöglicht der jeweilige Modulator, dass Licht hindurchdringt. Wenn sich die Wellenform auf ihrem Low Wert befindet, blockiert der Modulator das Licht. Vorzugsweise behalten beide Wellenformen 60 und 62 ihren High Wert, Öffnung der jeweiligen Modulatoren, für eine Periode T bei, wobei das Öffnen des Modulators 34 durch eine Zeit τ bezüglich des Modulators 44 verzögert ist.
Obgleich die Wellenformen in 3 rechteckige Impulsformen aufweisen, können außerdem andere Wellenformen benutzt sein, von denen einige Beispiele nachfolgend beschrieben werden. Es versteht sich, dass die Impulsformen in 3 der Einfachheit halber in der folgenden Erläuterung idealisiert sind, wobei jedoch derartige ideale Wellenformen für die Wirkung der vorliegenden Erfindung nicht notwendig sind.
4 ist eine schematische Darstellung eines Ortes 70, der durch die Kamera 20, wie in 1 gezeigt, abgebildet ist, wobei die Kamera gemäß der in 3 gezeigten Wellenformen gesteuert ist. Der Ort 70 enthält mehrere Objekte, einschließlich eines ersten Objekts 72, eines zweiten Objekts 74 und eines dritten Objekts 76, die jeweils in Entfernungen D₁, D₂ und D₃ von der Kamera 20 angeordnet sind. Wenn die Objekte 72, 74 und 76 von der Lichtquelle 40 beleuchtet werden, die in der Kamera 20 enthalten ist, reflektieren sie im Allgemeinen Licht zur Kamera, wobei dieses Licht durch die optische Baugruppe 28 gesammelt und auf das Detektor Array 22 fokussiert wird. Wenn wir für den Moment annehmen, dass die Modulatoren 34 und 44 in einem Dauerstrichbetrieb (CW mode) betrieben sind, d.h. konstant geöffnet sind, erzeugt das von jedem der Objekte reflektierte Licht eine jeweilige konstante Bestrahlungsstärke an einen oder mehreren Elementen des Detektor Arrays, auf die das Bild des jeweiligen Objekts fokussiert ist. Die Höhe der Bestrahlungsstärke ist eine Funktion von unter anderem der Entfernung des jeweiligen Objekts von der Kamera und des spektralen Emissionsgrads des Objekts. Diesen im Wesentlichen konstanten Bestrahlungsstärken entsprechend erzeugen die Elemente des Detektor Array 22 jeweils Basissignalpegel S₁, S₂ und S₃.
Wenn die Modulatoren 34 und 44 jeweils durch die Wellenformen 62 und 60 gesteuert sind, weichen die Signale, die durch das Array 22 entsprechend dem von den Objekten 72, 74 und 76 reflektierten Licht erzeugt sind, jedoch aufgrund der, von dem Licht, das von der Lichtquelle 40 ausgesendet wird, benötigen Laufszeit zum Erreichen jedes der Objekte und Zurückkehren zur Kamera 20, von den Basissignalen ab. Diese Laufszeit kann im Allgemeinen durch t_i = 2D_i/c ausgedrückt werden, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist und sich der Index i auf das i-te Objekt an dem Ort 70 bezieht. Die Wahl der Werte T und τ, wie in 3 gezeigt, definiert ein Entfernungsfenster 78, das durch Mindest- und Höchstentfernungen D_min bzw. D_max begrenzt ist, wobei D_min = (τ – T)c/2 und D_max = (τ + T)c/2, außer wenn τ < T ist, in welchem Falle D_min = 0 ist. Wenn die Modulatoren 34 und 44 wie angegeben arbeiten, wird Licht von Objekten außerhalb des Fensters 78, wie etwa Objekt 76, für das D3 > D_min ist, vom Modulator 34 zurückgewiesen, und daher erzeugt das Array 22 keine wirklichen Signale, die derartigen Objekten entsprechen.
Ferner ist, wie in 5 dargestellt, die Stärke des Signals I_i, das vom Array 22 entsprechend einem Objekt innerhalb des Fensters 78 erzeugt wird, wie etwa dem Objekt 72 oder 74, im Wesentlichen linear abhängig von der Entfernung des Objekts von der Kamera. Die Signale I ₁ und I ₂, die dem Objekt 72 bzw. 74 entsprechen, werden im Allgemeinen gemäß der Formel I i = Ii/Siτf (1)normiert, wobei I_i das nicht normierte Signal aufgrund des i-ten Objekts und f die entsprechende Rasterfrequenz oder Bildfrequenz ist, mit der das Array 22 gesampelt ist.
Die Basissignalpegel S_i können von dem Detektor Array 22 erfaßt werden, während die Modulatoren 34 und 44 vorübergehend offen gehalten werden, wie oben beschrieben. Alternativ kann, wie in 2C gezeigt, das Detektor Array 65 in der Kamera 64 zum Zweck des Erfassens dieser Basissignale benutzt werden. Das Licht, das auf das Array 22 auftrifft, wird, wie oben beschrieben, zum Zweck des Erfassens von Entfernungsinformation moduliert, während das Licht, das auf das Array 65 auftrifft, im Wesentlichen unmoduliert ist (außer in dem Umfang, dass die Lichtquelle 40 moduliert wird). Daher werden das der Entfernung entsprechende Signal I_i und die Basissignale S_i gleichzeitig erhalten.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei denen T und τ so gewählt sind, dass sie im Wesentlichen kleiner als die Rasterfrequenz oder Bildfrequenz sind, können die Wellenformen, die in 3 gezeigt sind, jedoch mehrmals in Folge während eines einzelnen Rasters oder Bilds wiederholt werden. In diesem Falle wird das nicht normierte Signal I_i im Allgemeinen proportional zur Anzahl der Male, die die Wellenformen während jeden Rasters oder Bildes wiederholt werden, erhöht, wobei diese Erhöhung typischerweise das Signal-Rausch-Verhältnis in Bildern, die von der Kamera erfasst werden, verbessert. Wie in der Technik bekannt, ist die Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses typischerweise im Bereich zwischen der Quadratwurzel von N und N, wenn N die Anzahl ist, die die Wellenformen während eines einzelnen Rasters wiederholt werden, abhängig davon, ob das Rauschen quelldominiert oder schaltungsdominiert ist. Da T und τ beide typischerweise weniger als eine Mikrosekunde betragen, können die Wellenformen vorzugsweise tausend Mal (oder mehr) während eines einzelnen Viedeorasters von ungefähr 16 ms Dauer wiederholt werden, was eine Signal-Rausch-Verbesserung von einem Faktor von 30 oder mehr zur Folge hat.
Die lineare Funktionsabhängigkeit des normierten Signals von der Entfernung von der Kamera 20 ist das Ergebnis der variierenden Überlappung der Beleuchtungswellenform 60 mit der reflektierten Strahlungsmodulationswellenform 62, nachdem die Wellenform 60 wirksam durch die Zeit 2D_i/c verzögert wurde, die erforderlich ist, damit das von der Beleuchtungsquelle 40 ausgesendete Licht das jeweilige Objekt erreicht und zur Kamera zurückkehrt. Diese Funktion weist einen Höchstwert auf, wenn das Objekt in einer Entfernung von D_i = τc/2 und einer Breite (D_max – D_min) angeordnet ist, die proportional zu T ist. Die Entfernung von der Kamera 20 zu einem Objekt innerhalb des Fensters 78 kann daher aus dem normierten Signal bestimmt sein, das entsprechend dem Objekt erzeugt ist. Das normierte Signal I ₁ aufgrund des Objekts 72, das in der Nähe der Mitte des Fensters angeordnet ist, ist beispielsweise größer als I ₂ aufgrund des Objekts 74, das in einer größeren Entfernung zur Kamera angeordnet ist.
Obgleich die Wellenformen 60 und 62 oben so beschrieben wurden, dass sie eine gleiche Dauer T aufweisen, können diese Wellenformen alternativ eine unterschiedliche Dauer T₆₀ bzw. T₆₂ aufweisen. Beispielsweise können T₆₀ und T₆₂ erweitert werden, um stärkere Signale I₁ und I₂ zu liefern. Infolgedessen weist die Funktionsabhängigkeit der normierten Signale von der Objektentfernung jedoch nicht mehr die in 5 gezeigte Dreiecksform auf, sondern ist trapezförmig, so dass die Entfernungsunterschiede in einem mittleren Abschnitt des Fensters nicht aufgelöst sind. Daher ist in bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Dauer der Wellenformen 60 und 62 gleich. Dieses Verfahren zum Bestimmen von Objektentfernungen ist ferner in den oben genannten PCT-Patentanmeldungen beschrieben, die hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind. Wie in diesen PCT-Patentanmeldungen beschrieben, können andere Modulationswellenformen gleichermaßen zum Betreiben der Modulatoren 34 und 44 benutzt sein, aber die generelle Abhängigkeit der normierten Signale von Objektentfernung und die Anwendungen der Kamera 20 wie hierin beschrieben kann sehr leicht unter Bezugnahme auf die rechteckigen Impulswellenformen, die in 3 gezeigt sind, erläutert werden.
Ferner versteht es sich, dass, obgleich die Wellenformen 60 und 62 idealerweise rechteckig gezeigt sind, die Wellenformen, die durch die Modulatoren 34 bzw. 44 auf die Quelle und reflektierte Strahlung angewendet sind, in Wirklichkeit allgemein finite Anstiegs- und Abfallzeiten aufweisen, wie beispielsweise in 6A unten dargestellt. Infolgedessen sind die Ecken der Antwortfunktion gerundet statt scharf, wie in 5 gezeigt. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung sind jedoch gleichermaßen anwendbar, wenn andere, nicht ideale Wellenformen benutzt werden.
Es versteht sich außerdem aus der obigen Besprechung, dass die Mittellage des Fensters 78 durch Ändern von τ und die Breite des Fensters durch Ändern von T gesteuert sein kann. Vorzugsweise wird, wenn ein interessierendes Objekt an einem Ort identifiziert ist, τ derart adaptiv durch die Steuereinheit 46 gesteuert, entweder automatisch oder unter dem Befehl eines Kamerabetreibers, dass das interessierende Objekt in der Nähe der Mitte des Fensters gehalten ist, wo das normierte Signal aufgrund des Objekts am größten ist.
Vorzugsweise wird ferner T durch die Steuereinheit 46 derart gesteuert, dass die Breite des Fensters begrenzt ist, um nur einen Bereich von Objektentfernungen von der Kamera zu enthalten, in dem interessierende Objekte aufgefunden sind. Diese Begrenzung von T ist nützlich beim Verbessern der Genauigkeit der Objektentfernungsbestimmung, durch Steigern des Richtungskoeffizienten der Abhängigkeit des normierten Signals von der Entfernung, wie in 5 gezeigt, sodass die Unterschiede normierter Signale zwischen Objekten in unterschiedlichen Entfernungen größer sind. Das Begrenzen von T ist ferner nützlich beim Reduzieren von Bild-„Störzeichen", durch Beseitigen von Objekten aus dem vom Array 22 beschafften Bild, die nicht interessieren, beispielsweise Objekt 76 in 4.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind τ und T derart durch die Steuereinheit 46 gesteuert, dass der dynamische Objekt- und Ent fernungserfassungsbereich durch die Kamera 20 optimiert ist. Wenn beispielsweise ein Ort mehrere interessierende Objekte in unterschiedlichen Entfernungen von der Kamera enthält, können τ und T zum Verschieben der Mitte des Fensters ungefähr in die Entfernung des Objekts gesteuert werden, das am weitesten von der Kamera entfernt ist. Wie in der Technik bekannt, nimmt die Bestrahlungsstärke, die am Array 22 durch von einem Objekt reflektiertes Licht erzeugt ist, als dritte bis vierte Potenz des Abstandes von der Kamera ab. Daher ist das (nicht normierte) Signal, das entsprechend dem am weitesten entfernten Objekt erzeugt ist, im Allgemeinen das schwächste der Signale, und das Verschieben der Mitte des Fensters zur Entfernung des am weitesten entfernten Objekts hilft, den Dynamikbereich dieses Signals zu maximieren. Wenn eines der Objekte einen wesentlich niedrigeren Reflexionsgrad als ein anderes oder andere Objekte aufweist, kann das Fenster gleichermaßen auf das Objekt mit dem niedrigen Reflexionsgrad zentriert werden, um den Dynamikbereich von dessen Signal zu steigern.
6A ist ein Timing-Diagramm, das eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, in dem die Wellenform 60, die zum Modulieren der Beleuchtung angewendet wird, und die Wellenform 62, die zum Modulieren der reflektierten Strahlung angewendet wird, im Allgemeinen trapezförmige Impulsformen aufweisen, die sich tatsächlichen Wellenformen stärker annähern als die idealisierten Rechteckimpulse von 3. Ferner ist die Dauer T₆₀ der Wellenform 60 im Wesentlichen länger als die Dauer T₆₂ der Wellenform 62.
6B stellt schematisch die normierten Signalstärken I _i dar, die von den Objekten 72, 74 und 76 empfangen werden, wie in 4 gezeigt, wenn die Kamera 20 gemäß den Wellenformen von 6A arbeitet. Das normierte Signal für Objekte in Entfernungen, die unter D_min liegen, ist im Wesentlichen gleich null, wie oben beschrieben. Für Objekte in Entfernungen, die größer als D_mid und bis zu D_max sind, wie etwa Objekt 76 in der Entfernung D₃, ist das normierte Signal im Wesentlichen gleich eins. D_mid ist stark von T₆₂ und der Anstiegszeit der Wellenformen 60 und 62 abhängig. D_max ist stark von der Summe der Zeiten τ und T₆₀ abhängig. Vorzugsweise wird D_max größer gewählt als die Entfernung des am weitesten von der Kamera entfernten interessierenden Objekts in dem Bild. Alternativ oder zusätzlich kann D_max so gewählt sein, dass D_max > c/f ist, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist und f die Raster- oder Bildfrequenz der Kamera 20, wie bereits vorstehend angegeben, so dass alle Objekte in Entfernungen, die größer als D_mid sind, normierte Signale von im Wesentlichen gleich eins geben.
Daher ist das normierte Signal innerhalb eines interessierenden Entfernungsbereichs zwischen D_min und D_mid eine monoton ansteigende Funktion, auf deren Grundlage die jeweiligen Entfernungen D₁ und D₂ der Objekte 72 und 74 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung bestimmt werden. Objekte in Entfernungen, die außerhalb dieses Bereichs liegen, werden vorzugsweise ignoriert. Der Bereich kann durch Ändern von T₆₂ vergrößert oder vermindert sein. Es versteht sich, dass für Objekte innerhalb des interessierenden Bereichs jeder Wert des normierten Signals einer eindeutigen Entfernung entspricht, ungleich der in 5 gezeigten Funktion, bei der ein gegebener Wert des normierten Signals zwischen 0 und 1 zwei verschiedenen Objektentfernungen entspricht. In dem Schema von 5 müssen diese Entfernungen dann im Allgemeinen durch andere Mittel voneinander unterschieden werden, beispielsweise durch Vergleichen von Ergebnissen, die unter Verwendung verschiedener Entfernungsfenster erhalten sind.
7 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der die Kamera 20 dreidimensionale Bildinformation vom Entfernungsfenster 78 an dem Ort 70 beschafft, wobei die Mittenentfernung und die Breite des Fensters anpassungsfähig gesteuert sind. Vorzugsweise empfängt die Kamera 20 anfänglich zweidimensionale Bilddaten, während die Modulatoren 34 und 44 im Dauerstrichbetrieb arbeiten, wie oben beschrieben. Die Bilddaten werden von einem Bildanalysierer 80 empfangen, der Objekte an dem Ort 70 identifiziert und dem Bediener ein Videobild über eine Bedienerkonsole 82 und ein zugehöriges Videodisplay 84 präsentiert. Der Videoanalysierer 80 und die Bedienerkonsole 82 weisen vorzugsweise einen oder mehrere digitale Computer auf, die zur Bildverarbeitung geeignet sind, wie in der Technik bekannt. Der Bediener identifiziert wenigstens ein interessierendes Objekt, wie etwa Objekt 72, an dem Ort 70, vorzugsweise unter Benutzung eines Trackballs, einer Maus oder einem anderen, in der Technik bekannten Eingabezeigegerät, das der Bedienerkonsole 82 zugeordnet ist, um auf das Objekt zu zeigen und es dem Bildanalysierer 80 und/oder einer separaten Systemsteuerung 86 anzuzeigen.
Wenn das interessierende Objekt identifiziert ist, beschafft die Systemsteuerung eine anfängliche Entfernungsanzeige bezüglich des Objekts 72. Wie in 7 gezeigt, kann diese anfängliche Entfernungsanzeige durch Richten eines Entfernungsmessers 88, der in der Technik bekannt ist, wie beispielsweise ein Laserentfernungsmesser, auf das Objekt 72 und Empfangen einer Entfernungsanzeige davon gewonnen sein. Die anfängliche Entfernungsanzeige wird von der Systemsteuerung 86 zum Bestimmen angemessener Werte von τ und T zum Erzeugen des gewünschten Entfernungsfensters benutzt, welches vorzugsweise in der Entfernung des Objekts 72 zentriert ist.
In alternativen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschafft die Systemsteuerung 86 eine anfängliche Entfernungsanzeige ohne Benutzung des Entfernungsmessers 88. Vorzugsweise werden die Modulatoren 34 und 44 mit Hilfe der Steuereinheit 46 zum Bereitstellen eines breiten Fensters unter Benutzung eines verhältnismäßig großen T-Werts gesteuert, das in einer geschätzten Entfernung des Objekts 72 zentriert ist. Wenn die Entfernung des Objekts 72 nicht sachgemäß geschätzt werden kann, kann τ über einen Bereich von Werten zum Erzeugen mehrerer Entfernungsfenster in verschiedenen Entfernungen bewegt werden, bis der anfängliche Bereich gefunden ist. Danach wird T vorzugsweise vermindert, sodass das Fenster enger auf einen Entfernungsbereich begrenzt ist, der das Objekt 72 und jegliche andere interessierende Objekte enthält, so dass die Entfernungen zu diesen Objekten mit optimaler Genauigkeit und reduzierten Bildstörzeichen bestimmt werden können, wie oben beschrieben.
Obgleich in den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen die interessierenden Objekte anfänglich interaktiv von dem Bediener identifiziert werden, kann in anderen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung der Bildanalysierer 80 interessierende Objekte autonom auf Grundlage vorprogrammierter Bildattribute identifizieren. Der Bildanalysierer kann beispielsweise unter Nutzung von in der Technik bekannten Bildanalyseverfahren und/oder automatischer Zielerkennungsverfahren zum Identifizieren von Fahrzeugen, Personen oder Strukturen programmiert sein. Diese Identifizierungen werden zur Systemsteuerung 86 geleitet, die dann den Entfernungsmesser 88 und/oder die Kamera 20 zum Verfolgen und Bestimmen von Entfernungen zu den identifizierten Objekten steuert.
Nachdem das wenigstens eine interessierende Objekt wie auch immer identifiziert und sein anfänglicher Entfernungsbereich gefunden ist, verfolgt danach der Bildanalysierer 80 vorzugsweise das Objekt und seine Entfernung von der Kamera 20. Die Systemsteuerung 86 ändert anpassungsfähig τ und T, um das Entfernungsfenster 78 auf der gewünschten Breite zu halten, im Wesentlichen zentriert auf das Objekt.
8A und 8B stellt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, in der die Kamera 20 in Verbindung mit einem in der Technik bekannten Bildprozessor zum Erzeugen eines gewünschten Mischbildes benutzt wird.
Mischbilder werden gewöhnlich in der Unterhaltung benutzt, beispielsweise in Nachrichtensendungen zum künstlichen Einfügen eines interessierenden Objekts, typischerweise einer Person, deren Bild von einer Videokamera erfaßt ist, vor einen separat erfaßten Hintergrund. Ein Bild der Person oder eines anderen interessierenden Objekts muss im Allgemeinen vor einen Hintergrund einer bekannten, vorgegebenen Farbe, typischerweise Blau, erfaßt sein. Nach der Erfassung des Bildes der Person oder eines anderen interessierenden Objekts wird es durch Chroma Key bearbeitet, d.h. alle Pixel mit der vorgegebenen Farbe in dem Bild werden identifiziert, und das separat erfaßte Hintergrundbild wird Pixel für Pixel an den farbidentifizierten Pixeln ersetzt. Dieses Chroma-Key-Verfahren erfordert, dass eine Kulisse der vorgegebenen Farbe hinter der Person oder anderen interessierenden Objekten festgelegt ist, und dass die Person oder anderen interessierenden Objekte im Wesentlichen nichts von der vorgegebenen Farbe aufweisen.
Wie in 8A gezeigt, ist die Kamera 20 jedoch imstande, Bilder von Personen 92 und 94 selektiv innerhalb eines Fensters 96 zu erfassen, während ein weiter entfernt gelegenes Gebäude aus dem erfaßten Bild ausgeschlossen ist. Vorzugsweise sind τ und T derart eingestellt, dass die normierten Signale, die durch das Array 22 entsprechend den Bildern der Personen 92 und 94 erzeugt sind, im Wesentlichen gleich sind, Trotz der Tatsache, dass die Person 94 von der Kamera 20 weiter weg ist als die Person 92. Eine derartige Angleichung der normierten Signale ist beim Ausführen einer genaueren Bestimmung der Entfernung zur Person 94 hilfreich und kann außerdem beim Erzeugen eines Bildes nützlich sein, das für das Auge angenehmer ist, aufgrund einer klareren Wiedergabe beider Personen 92 und 94.
Wie in 8B dargestellt, empfängt der Bildprozessor 90 das selektiv erfaßte Bild von der Kamera 20 und mischt es mit einem Hintergrund zum Erzeugen eines gewünschten, kombinierten Videobildes auf dem Monitor 102 oder gleichermaßen zum Aufnehmen und/oder Senden eines derartigen kombinierten Videobildes. Es ist keine festgelegte Kulisse oder Chroma-Key-Bearbeitung erforderlich. Der Hintergrund 100 kann ein echtes, selektiv erfaßtes Bild oder alternativ ein synthetisches, computererzeugtes Bild oder eine Kombination echter und synthetischer Bilder sein.
9 stellt schematisch eine andere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, in der die Kamera 20 und der Bildprozessor 90 in Verbindung mit einer Reklamewand 104 zum Erzeugen eines Mischbildes benutzt sind, in dem ein gewünschtes Bild, beispielsweise eine Werbebotschaft, künstlich in das Bild der Reklamewand angeordnet ist. Derartige bevorzugte Ausführungsformen könnten vorzugsweise z.B. bei internationalen Sportsendungen zum Einführen publikumsspezifischer Reklame in verschiedenen Ländern benutzt werden.
Daher erfaßt die Kamera 20 wie in der Figur dargestellt ein Bild, das eine Person 106 und eine Reklamewand 104 enthält, und bestimmt die jeweilige Entfernung zu der Person und der Reklamewand, wie oben beschrieben. Der Bildprozessor 90 identifiziert zusätzlich die Begrenzung 108 der Reklamewand und bestimmt die Position und Ausrichtung der Reklamewand bezüglich der Kamera 20 unter Benutzung von in der Technik bekannten Bildanalyseverfahren. Die Begrenzung 108 enthält vorzugsweise ein leicht identifizierbares Merkmal, beispielsweise einen reflektierenden Streifen, einen Streifen aus Infrarot reflektierendem Material oder einer Reihe Infrarot-LEDs oder anderer Leuchten. Alternativ kann die Reklamewand 104 durch Chroma Key bearbeitet sein, um den Bildprozessor 90 beim genauen Bestimmen der Position und Ausrichtung zu unterstützen. Der Bildprozessor 90 setzt dann ein gewünschtes Bild oder eine gewünschte Botschaft in die Reklamewand 104 in dem von der Kamera 20 empfangenen Bild ein, nachdem geeigneten Einstellen der Größe und des virtuellen Blickwinkels des Bildes oder der Botschaft. Das Bild der Person 106 wird dem Bild oder der Botschaft auf der Reklamewand überlagert.
10 ist eine schematische Darstellung einer linienabbildenden Entfernungsmessungskamera 110 gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Kamera 1l0 kann auf analoge Art und Weise zu in der Technik bekannten linearen Array-Abbildungsgeräten benutzt werden, wie etwa lineare Array-CCD-Kameras und -Scanner. Ein derartiges Gerät erzeugt im Allgemeinen ein Bild (ohne Tiefeninformation) eines schmalen, linearen Anteils eines Objekts oder Ortes. Das Gesichtsfeld des Geräts wird dann optisch oder mechanisch über das Objekt oder den Ort bewegt, und die dadurch erzeugten mehrfachen Bilder werden zu einem einzelnen, zweidimensionalen Bild kombiniert. Wie im Folgenden beschrieben, wird das Gesichtsfeld der linienabbildenden Entfernungsmessungskamera 110 vorzugsweise gleichermaßen zum Erzeugen eines Bildes mit dreidimensionaler Information über ein Objekt oder einen Ort bewegt.
Wie in 10 gezeigt, weist die Kamera 110 ein Detektor Matrix-Array 112 auf, das vorzugsweise ein CCD-Array ist, das dem Array 22 in Kamera 20 ähnelt. Das Array 112 weist mehrere parallele Reihen 114 von Detektorelementen auf. Ein Videoprozessor 116 betreibt das Array 112 mit Antriebssignalen und empfängt bildentsprechende Videosignale davon. Wie die Kamera 20 wird die linienabbildende Kamera 110 beim Erzeugen eines Bildes des Ortes 26 gezeigt, der von der Lichtquelle 40 beleuchtet ist, betrieben durch die Antriebsschaltungen 42 über den Modulator 44.
Die optische Baugruppe 118 in der Kamera 110 weist eine Sammellinse 120, ein lineares Blenden-Array 122 und eine Abbildungslinse 124 auf. Das Blenden-Array 122 weist mehrere lange, schmale Blendenelemente 130, 132, 134, ..., 136 auf und ist vorzugsweise in einer Ebene angeordnet, die im Wesentlichen parallel zur Ebene des Detektor Array 112 liegt, wobei die Elemente 130 bis 136 in einer im Wesentlichen parallel zu den Reihen 114 verlaufenden Richtung ausgerichtet sind. Eine Steuereinheit 126 steuert das lineare Blenden-Array 112 mit Hilfe eines integralen Schaltnetzwerks 128, das vorzugsweise durch die Steuereinheit 126 zum Öffnen jedes der Blendenelemente 130 bis 136 gemäß einer gewünschten Abfolge gesteuert ist. Die Steuereinheit 126 steuert zudem die Antriebsschaltungen 42 und den Modulator 44, wie oben bezüglich der Steuereinheit 46 in der Kamera 20 beschrieben, und steuert und empfängt Daten vom Videoprozessor 116.
Vorzugsweise ist das Blenden-Array 122 ein Flüssigkristallblenden-Array oder alternativ ein Array torgesteuerter Mikrokanalelemente oder elektrooptischer oder akustooptischer Modulatorelemente.
11 beispielsweise stellt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, wobei das Blenden-Array 122 ein torgesteuertes Mikrokanal-Array aufweist, das in teilweise Explosions-Schnittansicht gezeigt ist. Das Array 122 weist eine Fotoanode 137, die auf eine erste Glasplatte 138 geschichtet ist, eine Mikrokanalplatte 139 und eine Fotokathode 143 auf, die auf eine zweite Glasplatte 145 geschichtet ist, wobei ein integrales Schaltnetzwerk 128 darüber gelagert ist. Die Fotoanode 137 und die Fotokathode 143 können jedes geeignete Material aufweisen, das in der Technik bekannt ist, beispielsweise Phosphor. Das Schaltnetzwerk 128 weist vorzugsweise mehrere leitfähige transparente Elektroden auf, beispielsweise ITO-Streifen (Indiumzinnoxid), die auf die Oberfläche der Fotokathode 143 geschichtet sind. Es versteht sich, dass die Glasplatten 138 und 145 und die Mikrokanalplatte 139, obgleich sie aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Figur getrennt gezeigt sind, im praktischen Gebrauch im Allgemeinen in einem evakuierten Gehäuse eng zusammengehalten sind, wie in der Technik bekannt.
Die Mikrokanalplatte 139 gleicht vorzugsweise den herkömmlichen, in der Technik bekannten Mikrokanalplatten, unterscheidet sich jedoch darin, dass verschiedene Mikrokanalgruppen in der Platte, die die Blendenelemente 130, 132, 134, ..., 136 bilden, durch entsprechende Elektroden 141 individuell geschaltet oder torgesteuert sind. Die Elektroden sind individuell über das Netzwerk 128 schaltbar an eine negative Hochspannungsquelle angeschlossen, wie in der Technik bekannt, vorzugsweise im Bereich von –200 Volt Gleichspannung.
Der Betrieb des Blenden-Arrays 122, wie in 11 gezeigt, wird aus dem folgenden Beispiel verständlich. Photonen, die auf die Fotoanode 137 treffen, erzeugen der Fotoelektronen benachbart zur Mikroplatte 139. Wenn eine der Elektroden 147, die dem Element 130 entspricht, an die negative Hochspannung angeschlossen ist, werden Fotoelektronen, die in dem dem Element 130 benachbarten Bereich erzeugt sind, über die Mikrokanäle in der Platte 139 beschleunigt, die das Element 130 bilden, und erzeugen ferner sekundäre Elektronen in den Mikrokanälen, wie in der Technik bekannt. Diese Elektroden durchlaufen die Elektrode 147 und treffen auf die Fotokathode 143, wodurch Photonen in dem Bereich der Kathode erzeugt werden, der dem Element 130 benachbart ist. Unter der Annahme, dass die restlichen Elektroden 141 nicht an die negative Hochspannung angeschlossen sind, findet dieser Prozess im Wesentlichen an keinem der anderen Elemente 132, 134, ..., 136 statt. Daher ist das Blendenelement 130 effektiv offen, während die restlichen Blendenelemente effektiv geschlossen sind. Die Blendenelemente 132, 134, ..., 136 werden vorzugsweise nacheinander in gleicher Weise nach dem Element 130 geöffnet.
Die Sammellinse 120 bildet Licht, das von dem Ort 26 reflektiert wird, auf das Blenden-Array 122 ab, welches das Licht wie im Folgenden beschrieben moduliert. Das modulierte Licht von dem Blenden-Array wird dann durch die Abbildungslinse 124 auf das Detektor Array 112 abgebildet. Vorzugsweise ist die optische Baugruppe 118 derart gebaut und ausgerichtet, dass jedes Element 130 bis 136 im Blenden-Array 122 auf eine Reihe 114 des Detektor Array 112 abgebildet ist, oder alternativ auf eine Gruppe benachbarter Reihen 114, abhängig von der Anzahl und Größe der Elemente 130 bis 136 im Vergleich zur Anzahl und Größe der Reihen 114. Obwohl in 10 die Abbildungslinse 124 so dargestellt ist, dass die Abbilden des Blenden-Array 122 auf das Detektor Array 112 mit ungefähr einfacher Vergrößerung erfolgt, versteht es sich, dass jegliche geeignete Vergrößerung durch angemessene Auswahl und Ausrichtung der Abbildungslinse 124 gewählt sein kann, abhängig von den jeweiligen Dimensionen des Blenden-Arrays 122 und des Detektor Arrays 112 und von deren jeweiligen Elementen 130 bis 136 und Reihen 114. Zudem kann, wenn die Abmessungen des Blenden-Arrays 122 und der Blendenelemente 130 bis 136 so klein gemacht werden können, dass sie mit den Abmessungen des Detektor Arrays 112 und der Reihen 114 übereinstimmen, das Blenden-Array 122 dem Detektor Array 112 direkt benachbart angeordnet und durch direkten Kontakt daran gekoppelt sein, womit das Erfordernis des Eingreifens der Abbildungslinse 124 vermieden und die optische Baugruppe 118 vereinfacht ist.
12A ist ein Zeit-Diagramm, das Schalt- und Modulationsimpulse 140 schematisch darstellt, die auf den Modulator 44 und das Blenden-Array 122 in der Kamera 110 angewendet werden, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Modulator 44 und die Blendenelemente 130 werden anfänglich durch eine rechteckige Impulswellenform mit einer Dauer T geöffnet, wodurch ermöglicht wird, dass Licht hindurch tritt. Wenn sich der Modulator 44 und das Element 130 schließen, wird eine im Wesentlichen identische Modulationswellenform auf das Element 132 angewendet. Wenn sich das Element 132 schließt, öffnet sich das Element 134 und so weiter in Folge das Array 122 hinunter, bis das letzte Element 136 geöffnet wird. Wie oben angegeben, wird, wenn sich jedes der Blendenelemente 130 bis 136 öffnet, eine entsprechende Reihe 114 oder Reihengruppe des Detektor Array 122 dem von dem Ort 26 reflektierten Licht ausgesetzt.
Wie in 12B dargestellt, bewirken das in 12A gezeigte Modulationsmuster 140 eine Reihe aufeinander folgender überlappender Entfernungsfenster 142, die durch die Blendenelemente 130 bis 136 definiert sind. Jede Reihe 114 oder Reihengruppe des Detektor Arrays 112 empfängt Licht nur von Objekten an dem Ort 26, die innerhalb des Fensters angeordnet sind, welches durch sein entsprechendes Blendenelement 130 bis 136 definiert ist. Die Breite der Fenster 142 und ihre jeweilige Mittelentfernung sowie die normierte Signalstärke ist wie oben unter Bezugnahme auf 3, 4 und 5 oder alternativ 6A und 6B bestimmt. Die gegenseitige Überlappung der Entfernungsfenster 142 kann zum Lösen des Problems der Entfernungsmehrdeutigkeit benutzt werden, das anzutreffen ist, wenn ein interessierendes Objekt nur in einem einzigen Fenster enthalten ist, beispielsweise gemäß dem Schema von 5.
Es versteht sich, dass das Modulationsmuster 140 und die resultierenden Fenster 142 hier als Beispiel gezeigt sind und jegliches andere, geeignete Modulationsmuster gleichermaßen benutzt werden kann. Beispielsweise können die Modulationswellenformen, die auf den Modulator 44 angewandt werden, der Wellenform gleichen, die in 6A gezeigt und oben unter Bezugnahme auf die Figur beschrieben ist. Die auf die Blendenelemente 130 bis 136 angewandten Wellenformen können in der Form der Wellenform 62 in 6A gleichen und aufeinander folgend angewandt werden, wie im Allgemeinen in 12A gezeigt. In diesem Fall ist eine Reihe überlappender Entfernungsfenster definiert, die in der Form denen gleichen, die in 6B gezeigt sind.
Ferner versteht es sich, dass die Modulationsimpulse, die auf die aufeinander folgenden Blendenelemente 130 bis 136 angewendet werden, derart zum Überlappen getimt sein können, dass die entsprechenden Entfernungsfenster eine größere Überlap pung mit ihren jeweiligen Nachbarn aufweisen. Alternativ kann eine Verzögerung zwischen die Modulationsimpulse eingeführt sein, um die Entfernungsfenster auseinander zu spreizen. Zudem müssen die Wellenformen, die auf die aufeinander folgenden Blendenelemente 130 bis 136 angewendet werden, nicht alle gleiche Zeitdauern aufweisen, können aber beispielsweise Perioden aufweisen, die sich von Element zu Element erhöhen, bei einer Bewegung das Array abwärts, so dass in größerer Entfernung von der Kamera 110 die Entfernungsfenster breiter sind.
Es versteht sich, dass jeder Bildrahmen, der von der linienabbildenden Kamera 110 erfasst wird, ein Array von Bildscheiben aufweist. Jede Bildscheibe ist seitlich im Wesentlichen an ihre Nachbarn angrenzend, erfasst jedoch Objekte in einem anderen Entfernungsfenster. Daher weist ein Objekt, das sich an der Grenze zwischen zwei Bildscheiben befindet, im Allgemeinen andere Pegel normierter Intensität in den zwei Scheiben auf, oder es kann teilweise in einer der zwei Scheiben erscheinen, in der anderen jedoch nicht. Daher werden, wie bereits oben durch Analogie mit herkömmlichen, in der Technik bekannten Array-Abbildungsgeräten angegeben, in bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Bildscheiben optisch oder mechanisch über einen Ort bewegt, sodass jedes interessierende Objekt an dem Ort in wenigstens einer Bildscheibe erfasst wird, die ein Entfernungsfenster aufweist, in dem das interessierende Objekt enthalten ist.
13 stellt den Gebrauch der linienabbildenden Kamera 110 schematisch in einem Luftfahrtsystem 146 für dreidimensionale Aufklärungsabbildung dar. Das System 146 weist eine Kamera 110 auf, die an einem Flugzeug 148 nach unten gerichtet angebracht und so ausgerichtet ist, dass die Längendimension der Blendenelemente 130 bis 136 im Wesentlichen senkrecht zur Flugrichtung des Flugzeugs ist. Die Kamera 110 erfasst Bilder eines Ortes 150, die typischerweise Gebäude 152 und 154, Vegetation 156 und ein topographisches Merkmal 158 enthalten können.
Wie in 13 dargestellt definiert jedes Blendenelement 130, 132, 134, ..., 136 im Array 122 eine jeweilige Bildscheibe 160, 162, 164, ..., 166. Die Scheiben weisen vorzugsweise im Wesentlichen gleiche Winkelbeträge, oder Scheibendicken, die durch Höhen der Blendenelemente im Array 122 definiert sind, und Entfernungsfenster mit im Wesentlichen gleicher Tiefe auf, wie beispielsweise in 12B gezeigt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit beinhaltet 13 nur eine kleine Anzahl Scheiben, obwohl in der Praxis jede Anzahl von Scheiben, bis zur Anzahl von Reihen 114 in dem Array 122, benutzt werden könnte.
Wenn das Flugzeug 148 den Ort 150 überfliegt, bewegen sich die Scheiben 160 bis 166 auf "Pushbroom"-Weise über den Ort, so dass jede Scheibe Linie für Linie ein vollständiges zweidimensionales Bild von Objekten an dem Ort erfaßt, die sich innerhalb ihres jeweiligen Entfernungsfenster befinden. Die Entfernung von der Kamera 110 zu jedem Objekt innerhalb des Fensters jeder der Scheiben, beispielsweise das Gebäude 152 in der Scheibe 166, wird präzise aus ihrer normierten Signalstärke bestimmt, wie oben beschrieben. Auf Wunsch können die Entfernungsfenster adaptiv eingestellt werden, um Erhebungsunterschiede an dem Ort aufzunehmen, wie etwa das Gefälle des topographischen Merkmals 158. Vorzugsweise sind die Höhe und die Geschwindigkeit über Grund des Flugzeug 148 bekannt und gesteuert, insbesondere konstant, so dass ein Bildprozessor 170, der die Linienbilder von der Kamera 110 empfängt, die Linienbilder und Entfernungsinformation zu einem vollständigen, dreidimensionalen Bild des Ortes 150 zusammenfügen kann.
Ferner wird der Detektor Array 112 vorzugsweise in einem Verhältnis bewegt, das mit der Geschwindigkeit über Grund synchronisiert ist, so dass beispielsweise ein Bereich des Ortes, der in der Scheibe 160 in einem von der Kamera 110 beschafften Raster oder Rahmen erfaßt ist, durch die Scheibe 162 im folgenden Raster oder Rahmen erfaßt wird. Daher kann der Videoprozessor 194 oder ein zugeordnetes Bildbeschaffungssystem bequem und genau die mehrfachen Scheiben und entsprechenden Tiefenfenster registrieren.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden die Linienbilder und Entfernungsinformation, die durch die Kamera 110 erfaßt werden, in dreidimensionaler Bildmessung zum Bestimmen der Seitendimensionen und Erhöhungen der Bildmerkmale benutzt, wie etwa das Gebäude 152 und 154 und das topographische Merkmal 158. Diese Dimensionen und Erhöhungen können dann beispielsweise in genaue topographische Karten und Landvermessungen eingegliedert sein. Sie können gleichermaßen zum Berechnen des Volumens eines Merkmals, wie zum Beispiel des Gebäudes 152, benutzt werden, das normalerweise schwer von herkömmlichen Fotos oder Videobildern mit Genauigkeit abzuleiten ist.
Es versteht sich, dass, obgleich 13 die Kamera 110 an einem Flugzeug 148 angebracht zeigt, andere, gleichermaßen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben werden können, in denen die Kamera an anderen Luftplattformarten oder alternativ Raum- oder Seeplattformen angebracht sein kann. Beispielsweise kann die Kamera an einem Überwasserseefahrzeug oder einem Unterseefahrzeug zum Kartieren von Unterwasser- oder Meeresgrundmerkmalen angebracht sein.
14 zeigt schematisch eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der die Kamera 110 ortsfest angebracht ist und mehrfache Linienbildscheiben 160 bis 166 eines Ortes 172 einschließlich Entfernungsinformation bezüglich der Objekte 174, 176 und 178 erzeugt. Ein Spiegel 180, der auf einer Drehwelle 182 angebracht ist, bewegt die Linienbilder über den Ort 172, so dass der Bildprozessor 170 auf eine Art und Weise, die der oben bezüglich 13 beschriebenen gleicht, ein vollständiges, dreidimensionales Bild des Ortes erfassen kann. Die Welle 182 wird vorzugsweise durch einen Galvanometer, einen Polygonscanner oder andere, in der Technik bekannte Mittel gedreht.
15 zeigt wiederum eine andere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der eine linienabbildende Kamera 190 rasch dreidimensionale Bilder des Ortes 26 erfaßt. Die Kamera 190 weist ein Detektor Array 192, vorzugsweise ein CCD-Array, das mehrere Reihen 193 aufweist, wie das Array 112 in der Kamera 110, und einen Videoprozessor 194 auf, der an das Array 192 gekoppelt ist, ähnlich wie der Bildprozessor 116.
Wie in oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ist die Lichtquelle 40 durch Antriebsschaltungen 42 zum Beleuchten des Ortes 26 gesteuert, während der Modulator 44 den Beleuchtungsstrahlenweg 196 gemäß einer gewünschten Wellenform öffnet und schließt. Die zylindrische Linse 198 fokussiert den Strahl 196, um eine schmale Beleuchtungslinie 200 an dem Ort 26 zu erzeugen, wobei die Längsachse der Beleuchtungslinie 200 senkrecht zur Ebene von 15 und im Wesentlichen parallel zu den Reihen 193 des Array 192 verläuft. Ein Scanspiegel wird durch einen Scanmotor 204, beispielsweise ein in der Technik bekanntes Galvanometergerät, zum Bewegen der Linie 200 vertikal über die Ausdehnung des Ortes 26 gedreht. Ein derartiges Scannen kann gleichermaßen unter Benutzung eines Polygonspiegels ausgeführt sein, welcher sachgemäß beispielsweise durch einen Stellmotor gedreht wird.
Von dem Ort 26 reflektiertes Licht wird durch eine optische Baugruppe 210 gesammelt, gescannt und auf das Array 192 fokussiert. Die Baugruppe 210 weist eine Eingangsblende 212, eine Sammellinse 214, einen optischen Modulator 216, eine Fokussierlinse 218 und eine Ausgangsblende 220 auf. Der Modulator 216 weist vorzugsweise ein akustooptisches Kristall auf, das durch eine Steuereinheit 222 zum Ablenken eines von dem Ort 26 empfangenen Bildstrahls 224 gesteuert ist, um den Strahl vertikal über das Array 192 zu bewegen. Es versteht sich, dass der Bildstrahl 224 eine schmale Linie reflektierten Lichtes aufweist, ähnlich wie die Beleuchtungslinie 200.
Die Steuereinheit 222 steuert und empfängt ferner Bilddaten von dem Videoprozessor 194, wie bezüglich der Steuereinheit 126 beschrieben, die in 10 gezeigt ist, und steuert den Antrieb 42, den Modulator 44 und das Galvanometer 204.
Vorzugsweise öffnet und schließt sich der Modulator 44 mehrmals, wenn der Beleuchtungsstrahl 196 vertikal über den Ort 26 bewegt wird, so dass die Beleuchtungslinie 200 eine Abfolge horizontaler Scheiben beleuchtet. Für jede dieser Scheiben bewegt der Modulator 216 den Bildstrahl 224 vorzugsweise über im Wesentlichen alle Reihen 193 des Arrays 192 nacheinander, beginnend mit der obersten Reihe und endend mit der untersten Reihe. Daher verweilt der Bildstrahl 224 auf jeder der Reihen 193 nacheinander für eine im Wesentlichen gleiche Verweildauer, die funktionell äquivalent zu der Dauer T der Modulationswellenformen ist, die in 3 und 12A gezeigt sind. Gleichermaßen wie in 12A, erreicht der Strahl 224 jede der Reihen 193 mit einer Verzögerung bezüglich des Beleuchtungsstrahls 196, d.h. im Wesentlichen entsprechend den kumulativen Verweilperioden der vorhergehenden Reihen des Arrays.
Es versteht sich daher, dass die Kamera 190 für jede Scheibe des Ortes 26, die durch eine Position der Beleuchtungslinie 200 definiert ist, an der sich der Modulator 44 öffnet, ein Linienbild des Ortes erzeugt, das Entfernungsinformation enthält. Die Entfernungsinformation innerhalb der Scheibe wird in einer Abfolge von Entfernungsfenstern erfasst, wobei jedes Fenster einer anderen Reihe 193 des Arrays 192 entspricht. Wenn der Motor 204 und der Spiegel 202 den Strahl 196 über den Ort 26 bewegen, erzeugt die Kamera 190 ein vollständiges, dreidimensionales Bild des gesamten Ortes.
In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Kamera 190 in einem "Pushbroom"-Modus über den Ort bewegt, beispielsweise durch Befestigen der Kamera an dem Flugzeug 148 anstelle der Kamera 110, wie in 13 gezeigt, oder an einer beweglichen Plattform einer anderen, geeigneten Art. In diesem Falle ist der Motor 204 nicht erforderlich, da die Beleuchtungslinie 200 durch die Bewegung des Flugzeugs über den Ort bewegt wird. Da sich alle Entfernungsfenster, die in einem einzelnen Raster oder Rahmen der Kamera 190 erfaßt sind, innerhalb derselben Bildscheibe befinden (nicht wie bei der Kamera 110), ist zudem die Registrierung der individuellen Linienbilder, die von der Kamera 190 erzeugt werden, zu einem kombinierten dreidimensionalen Bild vereinfacht. Der Spiegel 202 kann vorzugsweise durch einen Strahlenkombinator ersetzt sein, wie etwa dem Strahlenkombinator 58, der in 2 gezeigt ist, so dass der Beleuchtungsstrahl 196 und der reflektierte Strahl 224 achsparallel sein können.
Die oben beschriebenen, bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können im Allgemeinen dazu geeignet sein, entweder einfarbige oder Farbbilder zu erzeugen. Einfarbige Bilder können unter Benutzung sichtbarer, Infrarot- oder ultravioletter Strahlung zum Beleuchten eines interessierenden Ortes und geeigneter Optik, Modulatoren und Detektoren zum Steuern und Empfangen der Strahlung erzeugt werden.
Ferner können die Prinzipien der vorliegenden Erfindung gleichermaßen zum Erzeugen dreidimensionaler Bilder unter Benutzung anderer Strahlungsarten angewendet werden. Beispielsweise können akustische Bilder, wie etwa Sonar- oder Ultraschallbilder, unter Benutzung eines Array akustischer Sensoren und/oder Strahler, wie etwa Mikrofone und piezoelektrische Kristalle, wie sie in der Technik bekannt sind, erzeugt werden, und Tiefeninformationen bezüglich der Objekte in den Bildern können gemäß der vorliegenden Erfindung bestimmt werden. Für akustische Unterwasserabbildung können akustische Linsen, wie in der Technik bekannt, anstelle der optischen Linsen 32 und 36, die in 1 und 2A bis 2C gezeigt sind, vorteilhaft benutzt werden.
16 stellt eine Anpassung des Detektor Arrays 112 zum Gebrauch in der Kamera 110 zum Erzeugen von Farbbildern gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Das Array 112 ist mit einem Farbstreifenfilter 230 überzogen, der eine Vielzahl von Streifen 232 aufweist, welche jeweils im Wesentlichen eine einzelne, jeweilige Spalte des Array 112 senkrecht zu den Reihen 114 abdeckt. Die Streifen 232 lassen abwechselnd verschiedene entsprechende Lichtfarben durch, vorzugsweise in der Reihenfolge Rot, Grün, Blau, Grün, Rot, Grün usw., wie in der Technik bekannt. Daher sind benachbarte Pixel innerhalb einer Reihe 114 des Arrays 112 abwechselnd rotem, grünem und blauem Licht ausgesetzt. (Vorzugsweise ist das Licht, das von der Beleuchtungsquelle 40 ausgesendet ist, weißes Licht). Die Signale von benachbarten Pixeln werden vorzugsweise zum Ableiten lokaler Helligkeit- und Farbinformation kombiniert.
Daher enthält jedes der mehrfachen Linienbilder, die von der Kamera 110 erzeugt werden, im Allgemeinen Farbinformation, zusätzlich zu Intensitäts- und Tiefeninformation. Diese Linienfarbbilder werden dann vorzugsweise gescannt und kombiniert, beispielsweise wie unter Bezugnahme auf 13 oder 14 beschrieben, um dreidimensionale Farbbilder zu erzeugen.
Gleichermaßen kann das Detektor Array 22 in Kamera 20, in 1 gezeigt, oder in Kamera 50 in 2A oder Kamera 59 in 2B einen Farbstreifenfilter, wie in 16 gezeigt, oder Farbmosaikfilter, wie in der Technik bekannt, enthalten. Alternativ können drei Detektor Arrays mit geeigneten dichroitischen Filtern, beispielsweise eine dichroitische Prismabaugruppe, die in der Technik bekannt ist, das Array 22 in der Kamera 20, Kamera 50, Kamera 59 oder Kamera 240, die im Folgenden beschrieben ist, ersetzen, um RGBT-Bilder (Rot-Grün-Blau-Tiefe), d.h. Farbbilder, die Tiefeninformation enthalten, zu erzeugen.
Zudem werden in bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dreidimensionale Bildinformation, die durch jede der oben beschriebenen, optischen Entfernungsmessungskameras erzeugt werden, verschmolzen und zum Verbessern der zweidimensionalen Intensitätsbilder benutzt, die durch die Kamera erzeugt werden. Gleichermaßen können die zweidimensionalen Intensitätsbilder zum Verstärken oder anderweitigen Verstärken der dreidimensionalen Bilder benutzt werden. Es versteht sich, dass die zwei- und dreidimensionalen Bilder schon an sich miteinander registriert sind, da sie vom selben Detektor Array stammen. Daher kann unter Nutzung von in der Technik bekannten Bildfilterverfahren die Bildinformation in den zwei- und dreidimensionalen Bildern beispielsweise zum Verstärken und/oder Abmildern von Konturen aufgrund von Kanten in den Bildern und/oder zum Korrigieren von derartigen Kanten benachbarten Bildfarben kombiniert werden.
17A stellt schematisch eine Pixel-Entfernungsmeßkamera gemäß wiederum einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Die Kamera 240 enthält ein Detektor Matrix-Array 241, das mehrere Detektorelemente 242 aufweist, ähnlich wie das in Kamera 110 gezeigte Array 112, wie in 10 dargestellt. Die Kamera 240 enthält außerdem eine optische Baugruppe 243, die ein Flüssigkristallblenden-Array 244 zusammen mit Linsen 120 und 124 enthält, wie in der Kamera 110. Andere Bauteile der Kamera 240, die in 17A gezeigt sind, ähneln im Wesentlichen in Struktur und Funktion jenen in Kamera 110.
Das Blenden-Array 244 weist mehrere Blendenelemente 246 auf. Die Baugruppe 243 ist auf geeignete Art und Weise bezüglich des Detektor Arrays 241 ausgerichtet und angeordnet, so dass jedes Blendenelement 246 das von dem Ort 26 reflektierte Licht, das jedes Detektorelement 242 oder jede Gruppe benachbarter Detektorelemente im Array 241 erreicht, individuell moduliert. Das Blenden-Array 244 ist durch die Steuereinheit 126 derart gesteuert, dass verschiedene Blendenelemente 246 zum Öffnen und Schließen zur selben oder verschiedenen Zeiten moduliert sein können. Daher weist jedes Detektorelement 242 oder jede Gruppe von Elementen sein eigenes, ihm zugehöri ges Entfernungsfenster auf, abhängig von der Modulation des entsprechenden Blendenelements.
Das Blenden-Array 244 kann vorzugsweise adaptiv betrieben sein, so dass jedes Entfernungsfenster die Entfernung zu einem Punkt an dem Ort 26 verfolgt, dessen Bild von einem jeweiligen Detektorelement 242 oder Gruppe von Elementen erfaßt ist. Jedes dieser Entfernungsfenster kann angepaßt werden, um genaue Ablesungen der Entfernung zu dem Punkt zu enthalten und zu gewinnen, sowie Bildstörzeichen zu reduzieren.
Wie schematisch in 17B dargestellt, sind in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die die Kamera 240 benutzen, Gruppen von einander benachbarten Detektorelementen 242 in dem Array 241 zum zusammenwirkenden Betrieb als „Superpixel" 250 organisiert. Jedes dieser Superpixel 250 kann beispielsweise eine Drei-mal-Drei-Gruppe von neun Elementen 242 enthalten, auf die Licht, das von dem Ort 26 reflektiert wird, durch die optische Baugruppe 243 im Wesentlichen entlang einer gemeinsamen Achse abgebildet wird. Das Blenden-Array 244 ist derart betrieben, dass jedes der neun Elemente 242 im Superpixel 250 Licht von einem anderen Entfernungsfenster entlang der gemeinsamen Achse empfängt. Diese Fenster sind in 17B mit W1 bis W9 bezeichnet und können beispielsweise Blendenelementen 246 entsprechen, die den neun Detektorelementen zugehören, welche nacheinander öffnen und schließen, gemäß den in 12A dargestellten Modulationswellenformen.
Auf diese Art und Weise ist ein vollständiges Bild des Ortes in einem einzelnen Raster oder Rahmen der Kamera 240 erfaßt, unter Beinhaltung von Tiefeninformation mit einem gewünschten Entfernungsauflösungsgrad, wenn auch zu Lasten der seitlichen Auflösung. Es können Superpixel jeder gewünschten Größe, beispielsweise 1 × 2 Pixel, 2 × 2 Pixel oder 4 × 4 Pixel, zum Erzielen optimaler Abdeckung von Objektentfernungen an dem Ort benutzt werden.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist eine wie oben beschriebene Entfernungsmessungskamera, beispielsweise Kamera 20, an einem Roboter angebracht oder diesem anderweitig zugeordnet, welcher die dreidimensionale Bildinformation, die von der Kamera bereitgestellt wird, zum Führen seiner Tätigkeiten bei einer gewünschten Aufgabe nutzt.
In anderen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die Kamera 20, 50 oder 110 zur Qualitätssicherung oder Qualitätskontrolle eines Herstellungsvorgangs benutzt, beispielsweise zum Bestimmen mehrfacher Dimensionen ei nes Herstellungsgegenstands und zum Bestätigen, dass er einen Standard erfüllt. Gleichermaßen kann durch Messen von Oberflächenkonturen von Schüttgut das Volumen des Guts bestimmt werden. Das Volumen von Waren, die in einem Behälter gelagert sind, dessen Größe gleichermaßen bekannt oder unter Benutzung der Kamera gemessen wird, kann in gleicher Weise bestimmt werden.
In anderen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Kamera 20, 50 oder 110 in einem Modellscanner zum Beschaffen von dreidimensionalen Bildern eines interessierenden Objekts benutzt. Die Bilder sind vorzugsweise Farbbilder. In einer derartigen bevorzugten Ausführungsform werden diese dreidimensionalen Bilder in Verbindung mit einem System für rasche, dreidimensionale Prototypmodellierung, wie in der Technik bekannt, zum Reproduzieren einer oder mehrerer dreidimensionaler Kopien oder Modelle des interessierenden Objekts unter Beinhaltung von Oberflächenfarbreproduktion benutzt.
In wiederum anderen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist beispielsweise die Kamera 20 auf einem Fahrzeug zum Gebrauch in einem Kollisionsverhütungssystem angebracht. Vorzugsweise ist die Kamera 20 ein Teil eines Bildanalysesystems, das mögliche Gefährdungen identifiziert und den Kameraausgang zum Bestimmen der Entfernung vom Fahrzeug zu den Gefährdungen benutzt.
In anderen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird eine Entfernungsmessungskamera wie oben beschrieben, wie etwa die Kamera 20 oder 50, in Verbindung mit einem Endoskop zum Erzeugen dreidimensionaler Bilder eines interessierenden Bereichs innerhalb des Körpers eines Patienten benutzt.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Kamera 20 oder 50 an eine Sensormatrix zur Benutzung durch eine blinde Person gekoppelt. Die Sensormatrix kann mehrere Stifte aufweisen, die zum Drücken gegen die Haut der blinden Person betätigt werden, beispielsweise auf ihrer Stirn, wobei der Druck, der von jedem Stift auf die Haut ausgeübt wird, proportional zur Entfernung der Person zu einem Objekt an einem entsprechenden Punkt an dem Ort ist, der von der Kamera eingefangen wird. Vorzugsweise steuert die blinde Person das Entfernungsfenster der Kamera derart, dass der Bereich des durch die Stifte ausgeübten Drucks einem gewünschten Entfernungsbereich von der Person entspricht.

Claims

Vorrichtung (50, 59, 64, 110, 190, 240) zum Erzeugen eines Bildes, das Entfernungen zu Punkten in Objekten an einem Ort anzeigt, aufweisend: eine Strahlungsquelle 40, die durch eine erste sich wiederholende pulsförmige Modulationsfunktion moduliert wird, wobei die Quelle die Strahlung derart auf einen Ort richtet, dass ein Anteil der modulierten Strahlung von den Punkten reflektiert wird und die Vorrichtung erreicht; ein Detektor Array (22, 112, 192, 230, 241), welches Strahlung vom Ort erfaßt, die durch eine zweite sich wiederholende pulsförmige Modulationsfunktion, die sich von der ersten Modulationsfunktion unterscheidet, moduliert ist, wobei jedes Element (114, 193, 242) des Arrays einem Flächenelement des Ortes zugeordnet ist und ein Signal mit einer Größe erzeugt, die einer Größe eines Teils des Anteils der Strahlung, welcher die Vorrichtung erreicht, entspricht, wobei die Größe des Teils von der Entfernung des Flächenelements von der Vorrichtung abhängt; und einen Prozessor (24, 90, 116, 170, 194), welcher ein Bild mit einer Intensitätswertverteilung erzeugt, die für die Entfernungen von Flächenelementen an dem Ort von der Vorrichtung kennzeichnend ist, wobei der Prozessor eine Entfernung zu einem Flächenelement bestimmt, entsprechend der Größe des Signals, das von seinem zugehörigen Feldelement geliefert wird, und Entfernungen im Wesentlichen nur für Flächenelemente an dem Ort bestimmt werden, die sich innerhalb eines Fensterbereichs befinden, das durch die erste und die zweite Modulationsfunktion definiert wird; und eine Steuereinheit (46, 126, 222), die wenigstens eine der Modulationsfunktionen einstellt, um die Breite und/oder Lage des Fensterbereichs einzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Modulationsfunktion zeitlich versetzt zueinander sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Fensterbereich einen Mindestbereich aufweist, der größer als null ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche Mittel zum steuerbaren zeitlichen Versetzen der ersten und der zweiten Modulationsfunkti on zueinander aufweist, um die Lage des Fensterbereichs und dadurch den Entfernungsbereich, der durch die Intensitätswertverteilung dargestellt wird, zu ändern.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite Modulationsfunktion verschiedene Formen aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite Modulationsfunktion während einer ersten Periode eine verhältnismäßig hohe Transmission und während einer zweiten, folgenden Periode eine verhältnismäßig niedrige Transmission bereitstellen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei während der jeweiligen zweiten, folgenden Perioden im Wesentlichen die ganze Strahlung blockiert wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bild ein nicht holographisches Bild ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche eine Steuereinheit (46, 126, 222) aufweist, welche wenigstens die erste oder die zweite Modulationsfunktion ändert.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Steuereinheit wenigstens die erste oder die zweite Modulationsfunktion ändert, die auf die Intensitätswertverteilung des Bildes anspricht, das durch den Prozessor erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Steuereinheit eine Zeitverzögerung zwischen der ersten und der zweiten Modulationsfunktion ändert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Steuereinheit die Dauer wenigstens eine der Blockier- und Freigabeperioden wenigstens einer der Modulationsfunktionen ändert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, welche einen Bildanalysator (80) aufweist, welcher ein interessierendes Objekt an dem Ort identifiziert, wobei die Steuereinheit wenigstens eine Modulationsfunktion ändert, die auf die Entfernung des Objekts von der Vorrichtung anspricht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche einen Bildprozessor (90, 170) aufweist, der das Bild von Flächenelementen, die sich im Fensterbereich befinden, mit einem zweiten Bild kombiniert, um ein Mischbild zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das Mischbild Anteile des zweiten Bildes aufweist, welche nicht durch die Flächenelemente belegt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, wobei der Prozessor ein Array von Signalen empfängt, das charakteristisch für den Anteil der Strahlung ist, der die Vorrichtung von den Flächenelementen des Ortes erreicht, und wobei das Bild, das durch den Prozessor erzeugt wird, als Reaktion auf die zweite Gruppe von Signalen normiert wird.
Vorrichtung zum Erzeugen eines Bildes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elemente in dem Detektor Array in mehreren parallelen Reihen (114) von Elementen konfiguriert sind, wobei jede Reihe Strahlung von dem Ort erfaßt, die durch ihre eigene zweite Modulationsfunktion moduliert ist, welche einen Fensterbereich für die Reihe bestimmt, und wobei die Fensterbereiche von wenigstens zwei Reihen verschieden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 17, welche mehrere aufeinander folgende Bilder eines Ortes erzeugt, wobei wenigstens eines der mehreren Bilder eine oder mehr Bereiche des Ortes umfaßt, die in wenigstens einem anderen der Bilder nicht enthalten sind; und ein Bildprozessor (170), welcher die mehreren Bilder kombiniert, um ein erweitertes Bild zu erzeugen, welches Entfernungen zu Objekten an dem Ort anzeigt.
Verfahren zum Bestimmen der Entfernung zu einem Abschnitt eines Ortes, aufweisend: Beleuchten des Ortes mit einer Impulskette von identischen Strahlungsimpulsen, die durch erste Zeitperioden getrennt sind und eine Dauer entsprechend einer zweiten Zeitperiode aufweisen; Verwenden eines Detektors, um Energie abzutasten, die während mehrerer identischer dritter Zeitperioden, die durch vierte Zeitperioden getrennt sind, vom Ort reflektierte werden, wobei sich wenigstens die dritte oder vierte Zeitperiode jeweils von der zweiten und ersten Zeitperiode unterscheidet; Einstellen wenigstens einer der Zeitperioden, um ein Fensterbereich zu bestimmen, in dem sich der Abschnitt des Ortes befindet, wobei der Fensterbereich eine Mindest- und eine Höchstentfernung vom Detektor aufweist; und Ermitteln der Entfernung zu dem Abschnitt des Ortes, der der Größe der Energie entspricht, die während der dritten Zeitperioden abgetastet wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Mindestentfernung größer als null ist.
Verfahren zum Erzeugen eines Mischbildes, das einen ersten Bildabschnitt, der Elemente aufweist, welche innerhalb eines bestimmten Entfernungsbereichs sind, und ein Hintergrundbild in Abschnitten des Mischbildes, welche die Elemente nicht enthalten, aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Bestimmen von Elementen innerhalb eines Entfernungsbereichs unter Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 19 oder 20; Erzeugen eines Bildes der Elemente; und Kombinieren des Bildes der Elemente und des Hintergrundbildes, um das Mischbild zu erzeugen.