DE10033483C1 - Verfahren zur Autofokussierung für Fernrohre von Vermessungsgeräten - Google Patents

Verfahren zur Autofokussierung für Fernrohre von Vermessungsgeräten

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Autofokussierung, insbesondere für Fernrohre von Vermessungsgeräten, die mit Bildsensoren, die das Bildsignal in einzelne Bildelemente (Pixel) auflösen, wie CCD-Zeilen und/oder -Matrizen sowie CMOS-Bildsensoren, ausgerüstet sind. Ausgehend von dem Pixel, das der optischen Achse am nächsten gelegen ist, wird die lokale Signalamplitude aus dem monoton fallenden oder steigenden Signal bis zum nächsten lokalen Maximum und Minimum berechnet. Dabei wird, solange diese lokale Signalamplitude wesentlich kleiner als das maximale Signal ist und sich das Fokussierglied des Fernrohrobjektivs in Fokussierstellung für kurze Zielweiten befindet, dieses Fokussierglied in großen Schritten verschoben. Je nach Größe der lokalen Signalamplitude im Verhältnis zum Maximalsignal und der Lage (Position) des Fokussiergliedes im Bereich größerer Zielweiten wird die Schrittweite verkürzt. Bei einer bestimmten Größe der lokalen Signalamplitude im Verhältnis zum Maximalsignal wird zusätzlich die Kreuzkorrelationsfunktion (KKF) jeweils aus einigen Pixeln des Signals und geeigneten Vergleichsstrukturen gebildet und bei einem bestimmten Verhältnis einer aus der KKF gebildeten Bezugsfunktion zur lokalen Signalamplitude eine mit der optischen Tiefenschärfe vergleichbare Schrittweite gewählt und auf das Maximum der KKF fokussiert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Autofokussierung, insbesondere für Fernrohre von Vermessungsgeräten, und ist für Bildsensoren, die das Bildsignal in einzelne Bildelemente (Pixel) auflösen, wie CCD-Zeilen und Matrizen sowie CMOS- Bildsensoren, geeignet.
Autofokussysteme für Vermessungsgeräte sind bekannt. Die DE-OS 196 14 235 beschreibt einen Autofokus für ein Nivellier. Eine hinter der Bildebene liegende Zusatzoptik dient dabei zur Erfassung der Scharfeinstellung mittels zweier Abbildungsobjektive, die Objektbilder auf zwei Liniensensoren erzeugen. Weiterhin sind Mittel zur Erfassung der Fokussierlinsenposition erforderlich.
In diesem Zusammenhang ist die DE-OS 195 49 048 zu sehen, die mittels eines Strahlenteilers eine zur Bildebene äquivalente Ebene für das Fokuserfassungssystem erzeugt. Diese Lösung hat den Nachteil, daß sie nicht ohne weiteres auf ein Digitalnivellier übertragbar ist.
Aus der DE-PS 34 24 806 sowie der "Zeitschrift für Vermessungswesen und Raumordnung", April 1995, Seiten 65 bis 78, ist es bekannt, in Digitalnivellieren Strahlenteiler zur Erzeugung einer zweiten Bildebene für die zur Auswertung erforderliche CCD-Zeile zu verwenden. Eine zusätzliche Autofokusoptik würde dann eine dritte äquivalente Bildebene erfordern, wenn weiterhin mit dem Fernrohr visuell beobachtet werden soll.
Aus der EP 576 004 ist ein Digitalnivellier mit Autofokus bekannt, bei dem auf eine maximale gemessene oder durch lineare Interpolation errechnete Amplitude der Fouriertransformierten des Detektorsignals in einem Grob- und Feinschrittraster fokussiert wird. Auch diese Lösung ist problematisch. Die Fouriertransformation eines Meßbildes kann je nach Zielweite zu unterschiedlichen Ergebnissen führen, wenn, wie bei Digitalnivellieren erforderlich, das Abtasttheorem nicht für alle vorkommenden Lattenstriche über den gesamten Zielweitenbereich eingehalten werden kann.
Die JP-OS 4-93 711 beinhaltet einen Autofokus für eine an ein Tachymeterfernrohr über einen Strahlenteiler angeschlossene CCD-Kamera. Eine Fokussierlinse wird motorisch so eingestellt, daß die Bildgröße des abgebildeten Objekts minimal ist. Auch diese Lösung sichert nicht unbedingt optimale Bildschärfe, da das Minimum relativ breit sein kann und deshalb schwer erfaßbar ist.
Die US 54 81 329 beschreibt eine Autofokuseinrichtung mit einer Zusatzabbildung nach der Bildebene auf vier Sensoren und Korrelation der gegenüberliegenden, entstandenen Bilder. Als Kontrastwert wird die Summe aus der Differenz jeweils benachbarter Pixel genommen. Je nach Erfolg stehen weitere Filter für andere Ortsfrequenzen zur Verfügung. Je nachdem, ob ein Objekt ein kontrastreiches oder kontrastarmes Bild erzeugt, wird der Gleichlichtanteil vollständig oder unvollständig entfernt. Nachteilig und aufwendig an dieser Einrichtung ist die erforderliche Zusatzoptik.
Aus der US 57 15 483 ist bekannt, zunächst Messungen in großen Schrittweiten über den gesamten Fokussierbereich durchzuführen, wobei das Maximum des Ausgangssignals eines Breitbandfilters als Kriterium genutzt wird. In einem zweiten Schritt wird dann in einem kleineren Bereich um den Wert des Maximums mit kleineren Schritten mit einem Hochpaßfilter als Kriterium gesucht. Damit will man vermeiden, daß Nebenmaxima einer für den Autofokus relevanten Funktion zu einer falschen Fokuseinstellung führen. Auch dieser Lösung haften Nachteile an. So muß zunächst über den gesamten Bereich fokussiert werden, um mit einem Breitbandfilter ein Maximum zu finden. Wenn so kein Maximum gefunden werden kann, muß im zweiten Schritt ein Tiefpaßfilter anstelle eines Hochpaßfilters verwendet werden. Die ganze Verfahrensweise ist umständlich und aufwendig.
Es ist allgemein bekannt, daß bei optimaler Fokussierung der Bildkontrast maximal ist. Aus der DE 195 00 817 ist weiterhin bekannt, Kanten als Objekte größten Kontrastes im Bild als lokales Maximum oder Minimum der Kreuzkorrelationsfunktion (KKF) einiger Pixel des Bildinhaltes mit einer Idealkante zu finden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik weitestgehend zu beseitigen, ein Autofokussteuersignal zu gewinnen, und den Punkt (Zustand) optimaler Fokussierung des Fernrohres zu bestimmen, ohne zusätzliche optische Mittel einzusetzen und ohne notwendigerweise den Fokussierbereich vollständig überfahren zu müssen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den im ersten Patentanspruch angegebenen Mitteln gelöst. In den Unteransprüchen sind Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung dargelegt.
So ist es für Bilder von zweidimensionalen Bildempfängern vorteilhaft, die Berechnungen in Richtung der Zeilen, der Spalten oder gleichzeitig in beiden Richtungen durchzuführen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Fokussierweg bis zur nächsten Messung als Produkt aus dem Verhältnis des maximalen Signals zur lokalen Signalamplitude, der Fokusstellung in Bezug auf die Stellung bei Fokussierung auf unendlich und einer Konstante ermittelt wird.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn als Vergleichsstruktur für die KKF eine ideale Kante vorgesehen ist. Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Bezugsfunktion das Maximum der KKF ist.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 die Signaldarstellung einer CCD-Zeile bei völlig defokussiertem Bild,
Fig. 2 die Signaldarstellung einer CCD-Zeile bei defokussiertem Bild, jedoch mit schon erkennbarem Bildinhalt,
Fig. 3 die Signaldarstellung einer CCD-Zeile bei fokussiertem Bild,
Fig. 4 ein Flußdiagramm für den ersten Teil des im Beispiel beschriebenen Autofokusalgorithmus und
Fig. 5 ein Flußdiagramm für den zweiten Teil des im Beispiel beschriebenen Autofokusalgorithmus.
Die Fig. 1 zeigt das Meßbild der CCD-Zeile eines Digitalnivelliers bei völliger Defokussierung. Die x-Achse 1 zeigt fortlaufend die Pixelnummer i von 0 bis 1799. Auf der y-Achse 2 ist die Helligkeit des jeweiligen Pixels Yi in willkürlichen Einheiten aufgetragen. Der Wert 255 bedeutet kein Signal (schwarz), der Wert 0 bedeutet maximales Signal (weiß), womit sich eine Negativdarstellung ergibt. Die eigentliche Meßkurve 3 zeigt somit die Helligkeit als Funktion der Pixelnummer Yi = f(i).
Aufgrund der Defokussierung sind in Fig. 1 nur zwei wesentliche Merkmale zu erkennen. Die Funktionswerte am Zeilenanfang 4 und am Zeilenende 6 werden hier näherungsweise als Dunkelsignal YD gewertet (Y1 bzw. Y1799 = YD).
Die Meßbilder gemäß den Fig. 1 bis 3 wurden mit einem Digitalnivellier aufgenommen, bei dem konstruktionsbedingt nur wenig Licht an den Anfang oder das Ende der CCD-Zeile gelangen kann. Prinzipiell ist es natürlich auch möglich, das Dunkelsignal aus einer separaten Messung zu bestimmen. Das zweite wesentliche Merkmal ist die hellste Stelle 5 im Fig. 1, Y720 = Ymin
Die hellste Stelle ergibt sich in diesem Beispiel etwa am Pixel 720. Das Signal Ymin wird in bekannter Weise zur Belichtungssteuerung verwendet. Ymin muß innerhalb gewisser Grenzen gehalten werde. So darf es zum Beispiel nicht Null werden, da dann die CCD-Zeile überbelichtet wird.
Der erste für die Fokussierung wesentliche Wert, der aus dem Meßbild gewonnen wird, ist das maximale Signal S1:
S1 = YD - Ymin (1)
Aus Fig. 1 kann man daraus ableiten, daß YD = 210 und Ymin = 100 sind. Somit ergibt sich S1 zu 110.
Anhand der Fig. 2 wird nun die Gewinnung des zweiten Wertes aus dem dargestellten Meßbild erläutert. In dieser Fig. 2 wird eine Signaldarstellung einer CCD-Zeile bei defokussiertem Bild gezeigt. Ein gewisser Bildinhalt ist hier bereits erkennbar. Das Pixel 10 auf der Kurve, das der optischen Achse am nächsten kommt, sei das Pixel i = 900. Es wird im folgenden als Mittelpixel (MPX) bezeichnet. Es wird, ausgehend vom MPX, die lokale Signalamplitude 52 aus dem monoton fallenden oder steigenden Signal bis zum nächsten lokalen Maximum YImax und Minimum YImin berechnet. Dazu wird i ausgehend von i = MPX solange verringert, bis sich entweder ein lokales Maximum oder ein lokales Minimum ergibt, so daß folgende Vorschriften oder Regeln vorgesehen werden:
i von i = MPX in Schritten -1 fallend, maximal N Schritte, (2)
solange Yi ≦ Yi + 1, das letzte i ergibt YImin
oder
i von i = MPX in Schritten -1 fallend, maximal N Schritte, (3)
solange Yi ≧ Yi + 1, das letzte i ergibt YImax
Anschließend wird i von MPX aus vergrößert, so daß:
i von i = MPX in Schritten +1 ansteigend, maximal N Schritte (4)
solange Yi+1 ≧ Yi, das letzte i ergibt YImax
oder
i von i = MPX in Schritten +1 ansteigend, maximal N Schritte (5)
solange Yi+1 ≦ Yi, das letzte i ergibt YImin
wobei für die Regeln (4) oder (5) nur das jeweilig umgekehrte Kleiner- oder Größerzeichen ausgewertet wird, wie in der Regel (2) oder (3) realisiert.
Die Zahl N, über die die Regeln (2) bis (5) maximal laufen dürfen, ergibt sich aus der halben Strukturbreite des bei der kürzesten Zielweite zu fokussierenden Gegenstandes. In diesem Beispiel sei N = 180. Dieser Wert ergibt sich aus den Strukturbreiten der abgebildeten Digitalnivelliermeßlatte.
Falls sich jedoch nach den Regeln (2) bis (5) in beiden Richtungen ein Maximum bzw. ein Minimum ergibt, wird YMPX = YImin bzw. YMPX = YImax.
In weiterer Verfeinerung der Regeln (2) bis (5) kann zur Rauschunterdrückung eine lokal von der monotonen Folge abweichend, andere Amplitude von ca. ±3 Amplitudenschritten zugelassen werden.
Die lokale Signalamplitude ergibt sich somit zu:
S2 = YImax - YImin (6)
In Fig. 2 sei ein Pixel 12 dasjenige mit dem lokalen Maximum (Imax) bei i = 800 und ein Pixel 11 dasjenige mit dem lokalen Minimum (Imin) bei 1 = 950. Es gilt:
YImax = Y800 = 140
YImin = Y950 = 80
Somit ergibt sich S2 = Y800 - Y950 = 60.
Die erste Beziehung (Formel) zur Fokussierung lautet wie folgt:
Fokussierweg = (S1/S2) × Fokusstellung × Konstante (7)
Dabei gelten folgende Regeln bzw. Festlegungen:
S1/S2 wird auf einen Maximalwert begrenzt, z. B. 4 Fig. 4). Fokusstellung normiert auf den Fokussierweg = 1; Unendlich hat den niedrigsten Wert (= 0).
In der Fig. 1 ist S1 = 110, S2 = 20. Somit wird S1/S2 = 5.5. Wird als Konstante z. B. 0.05 gewählt, kann mit diesen Werten bei einer Fokusstellung nahe 1 (kürzeste Zielweite) ein Fokussierweg von 0.28 mit dem nächsten Schritt überfahren werden.
In Fig. 2 ist S1 = 150, S2 = 60 und S1/S2 = 2.5. Mit der Konstante 0.05 ergibt sich bei einer Fokusstellung nahe 1 (kürzeste Zielweite) ein Fokussierweg von 0.12, der mit dem nächsten Schritt überfahren werden kann.
Bei einer Fokusstellung nahe 0 (Unendlich) ergibt sich trotz extremer Defokussierung nur ein kleiner möglicher Betrag für den Fokussierweg. Hierbei hat es sich nämlich gezeigt, daß mit Hilfe des Kriteriums S1/S2 zielweitenabhängig entschieden werden kann, ob bis zur nächsten Messung ein großer oder ein kleiner Fokussierweg zurückgelegt werden kann, ohne den Fokus dabei zu überfahren. Das Flußdiagramm dazu ist in Fig. 4 dargestellt.
Die Tatsache, daß in die Regel (7) nicht die Signalamplitude, sondern das Verhältnis S1/S2 eingeht, hat den Vorteil, daß die Regel (7) amplitudenunabhängig ist. Daher kann sie schon angewendet werden, bevor eine optimale Belichtungsregelung erfolgt ist. Somit können die Berechnungen und Fokussierstellungsänderungen der Glieder für den Autofokus schon während der Belichtungsregelung erfolgen.
Das für die nachfolgende Feinfokussierung erforderliche Verfahren und ein weiterer, dabei benutzter Rechenwert werden anhand der Fig. 3 erläutert, welche wiederum dasselbe Objekt wie in Fig. 1 und 2, aber in fokussiertem Zustand, zeigt. Die Meßkurve 20 enthält dunkle Bereiche 21 und helle Bereiche 22, die durch Kanten 23 getrennt sind. Die Kanten erstrecken sich nur über wenige Pixel des Bildes. Die Pixel 24, 25, 26 und 27 der Kante 23 sind in Fig. 3 eingezeichnet.
Die Pixel 24 bis 27 haben in dieser Reihenfolge die Signale:
24: Y860 = 189; 25: Y861 = 170; 26: Y862 = 135 und 27: Y863 = 115.
Die dritte, für den Fokussiervorgang wesentliche Funktion sei die Kreuzkorrelationsfunktion (KKF) aus jeweils vier Pixeln und einer idealen Dunkel- Hell-Kante mit den Signalen (+1; +1; -1; -1; -1).
Sie wird nach folgender Gleichung gebildet:
KKF(i) = Yi + Yi+1 - Yi+2 - Yi+3 (8)
Im Beispiel der Kante 23 ergibt sich für KKF(860) = 109. In der aus der DE 195 00 817 bekannten Weise wird die KKF pixelweise gebildet. An Stellen eines lokalen Maximums dieser Funktion ergeben sich Kanten im Meßbild, die jeweils im Bereich der Pixel Yi+1 und Yi+2 liegen. Die genaue Lage wird anschließend durch Interpolation ermittelt.
Für den Vorgang der Fokussierung ist wesentlich, daß die KKF ein Maß für den Bildkontrast ist. Aus den KKF-Maxima kann eine Bezugsfunktion gebildet werden, die es gestattet, Aussagen über den Fokussierzustand zu machen. Es ist zweckmäßig und am einfachsten, als Bezugsfunktion den Maximalwert der KKF im ganzen Bildfeld zu verwenden. Mit etwas größerem Aufwand könnte ebenfalls als Bezugsfunktion der Mittelwert aus den lokalen Maxima der KKF verwendet werden. Im folgenden wird die so gebildete Bezugsfunktion als KKFMAX bezeichnet.
Der weitere Fokussiervorgang besteht darin, die Funktion KKFMAX/S2 zu maximieren. Es ist zweckmäßig, abhängig von der Größe der Funktion KKFMAX/S2 den Fokussierweg entweder auf die doppelte Tiefenschärfe einzustellen, solange KKFMAX/S2 < 0.5 ist. Bei Überschreiten des Wertes 0.5 wird dann der Fokussierweg bis zur nächsten Messung auf die Tiefenschärfe begrenzt. Der Ablauf des Fokussiervorganges ist als Flußdiagramm in Fig. 5 dargestellt.
Der Fokussierweg kann dabei gemessen werden oder auch durch eine geeignete Steuerung des Fokussiermotors, z. B. eines Schrittmotors, ohne Messung mit hinreichender Genauigkeit eingestellt werden.
Um das Maximum von KKFMAX/S2 zu finden, sind dann, wenn es einmal überfahren wurde, im allgemeinen drei Messungen in der Nähe des Maximums ausreichend. Im einfachsten Fall ist das Maximum der größte Wert von KKFMAX/S2 dieser drei Messungen. Mit etwas erhöhtem Aufwand kann ein die Lage des Maximums auch mit höherer Auflösung zum Beispiel durch parabolische Interpolation aus den drei Meßwerten berechnet werden. Derartige Verfahren sind bekannt und daher nicht näher beschrieben.
Die bezüglich der Fokussierung lautenden Regeln sind zusammenfassend in Fig. 4 und 5 dargestellt. Fig. 4 zeigt, daß die Regel (7) angewendet wird, bis entweder die Fokusstellung < 0.1 ist, oder S1/S2 einen Wert von 1.4 unterschreitet.
Fig. 5 zeigt, daß, wenn eine der obigen Bedingungen erfüllt ist, KKFMAX/S2 gebildet wird. Die Schrittweite wird auf die Tiefenschärfe begrenzt, sobald KKFMAX/S2 < 0.5. Anschließend erfolgt das Einfahren bis zum Maximum KKFMAX/S2.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehende Beispiel begrenzt. Die für Entscheidungen gewählten Konstanten können andere Werte annehmen, die optimal an das jeweilige optische System angepaßt sind. Die in der Fig. 5 angegebenen Schrittweiten für die Fokussierung können auch andere Werte annehmen, so die ganze und halbe Tiefenschärfe. Anstelle der KKF kann auch eine andere stark kontrastabhängige Funktion verwendet werden. Es ist auch möglich anstelle von KKFMAX/S2 als Entscheidungskriterium die Funktion KKFMAX zu verwenden, nur muß dann gesichert sein, daß sich die Belichtung während des Fokussiervorgangs nicht mehr ändert.

Claims (5)

1. Verfahren zur Autofokussierung, insbesondere für Fernrohre von Vermessungsgeräten, mit Bildsensoren, die das Bildsignal in einzelne Bildelemente (Pixel) auflösen, wie CCD-Zeilen und/oder -Matrizen sowie CMOS-Bildsensoren,
dadurch gekennzeichnet,
daß ausgehend von dem Pixel, das der optischen Achse am nächsten gelegen ist, die lokale Signalamplitude aus dem monoton fallenden oder steigenden Signal bis zum nächsten lokalen Maximum und Minimum berechnet wird,
daß solange diese lokale Signalamplitude wesentlich kleiner ist, als das maximale Signal und sich das Fokussierglied des Fernrohrobjektives in Fokussierstellung für kurze Zielweiten befindet, dieses Fokussierglied in großen Schritten verschoben wird,
daß je nach Größe der lokalen Signalamplitude im Verhältnis zum Maximalsignal und der Lage (Position) des Fokussiergliedes im Bereich größerer Zielweiten die Schrittweite verkürzt wird,
daß bei einer bestimmten Größe der lokalen Signalamplitude im Verhältnis zum Maximalsignal zusätzlich die Kreuzkorrelationsfunktionen (KKF) jeweils aus einigen Pixeln des Signals und geeigneten Vergleichsstrukturen gebildet werden
und daß bei einem bestimmten Verhältnis einer aus der KKF gebildeten Bezugsfunktion zur lokalen Signalamplitude eine mit der optischen Tiefenschärfe vergleichbare Schrittweite gewählt und auf das Maximum der KKF fokussiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für Bilder von zweidimensionalen Bildempfängern die Berechnungen in Richtung der Zeilen, der Spalten oder gleichzeitig in beiden Richtungen durchgeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fokussierweg bis zur nächsten Messung als Produkt aus dem Verhältnis des maximalen Signals zur lokalen Signalamplitude, der Fokusstellung in Bezug auf die Stellung bei Fokussierung auf unendlich und einer Konstante ermittelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Vergleichsstruktur für die KKF eine ideale Kante vorgesehen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Bezugsfunktion das Maximum der KKF verwendet wird.
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