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ERKLÄRUNG ZU DEN REGIERUNGSRECHTEN
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Diese Erfindung wurde mit Unterstützung der Regierung unter der Vertragsnummer HR0011-13-C-0068 gemacht, die von der Defense Advanced Research Projects Agency vergeben wurde. Die Regierung hat bestimmte Rechte an der Erfindung.
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Die vorliegende Offenlegung bezieht sich auf Optik und genauer auf die Bestimmung der Objektivposition in einer Kamera.
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Eine Vielzahl von Systemen kann zur Bestimmung der Position eines Objektivs in einem optischen System genutzt werden. Zum Beispiel kann in einer typischen Verbraucherkamera mit Autofocus ein Elektromotor genutzt werden, um eine Linse zu bewegen und die Steuersignale an den Motor können genutzt werden, um auf die Endposition der Linse zu schließen. Autofocus-Systeme wie diese können jedoch relativ viel Energie verbrauchen und begrenzte Genauigkeit aufweisen.
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Die Position einer Linse in einem optischen System zu kennen, kann bei der Bestimmung des Abstands zu einem Objekt, das abgebildet wird, wichtig sein. Ein Beispiel für die Verwendung zur Bestimmung des Abstands zum Objekt sind Parallaxe korrigierende Bilder, die aus verschiedenen Perspektiven aufgenommen wurden.
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Solche konventionelle Verfahren und Systeme wurden allgemein als ausreichend für deren beabsichtigten Zweck betrachtet. Dennoch besteht ein Bedarf an verbesserten Systemen und Verfahren zur Bestimmung der Objektivposition in dem Fachbereich. The vorliegende Offenbarung bietet eine Lösung für diesen Bedarf.
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Ein System zur Bestimmung einer Objektivposition beinhaltet eine erste Kondensatorplatte, die an einem festen Gehäuse der Kamera angeordnet ist. Eine zweite Kondensatorplatte ist an einer rotierenden Objektivkomponente der Kamera angeordnet. Ein Prozessor ist operativ an die erste und zweite Kondensatorplatte angeschlossen, um die Position der rotierenden Objektivkomponente der Kamera auf Grundlage der Kapazität zwischen der ersten und zweiten Kondensatorplatte zu identifizieren. In bestimmten Ausführungsformen kann das System eine zweite Kamera beinhalten, die operativ an den Prozessor angeschlossen ist, sodass die erste Kamera eine Langwellen-Infrarot-Kamera sein kann und die zweite Kamera eine Kurzwellen-Infrarot-Kamera sein kann.
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Das System kann außerdem einen Speicher beinhalten, der operativ an den Prozessor angeschlossen ist. Der Speicher kann Programmanweisungen beinhalten, um den Abstand zu einem Fokuspunkt der Kamera zu berechnen auf Grundlage einer Position der rotierenden Objektivkomponente mithilfe eines Überschneidungsbereichs zwischen der ersten und zweiten Kondensatorplatte. Der Speicher kann auf ihm gespeicherte Anweisungen beinhalten, die, wenn sie vom Prozessor gelesen werden, den Prozessor dazu bringen, eine Parallaxkorrektur an einem Bild von der zweiten Kamera vorzunehmen auf Grundlage des Abstands zwischen dem Fokuspunkt zur Fokusebene der Kamera und dem Überschneidungsbereich zwischen der ersten und zweiten Kondensatorplatte.
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Eine Kamera beinhaltet ein Gehäuse und ein Objektiv, das in Bezug auf das Gehäuse rotierbar ist. Eine erste Kondensatorplatte ist am Gehäuse angeordnet. Eine zweite Kondensatorplatte ist an der rotierenden Objektivkomponente angeordnet. Ein Prozessor ist operativ an die erste und zweite Kondensatorplatte angeschlossen, um die Position der rotierenden Objektivkomponente der Kamera auf Grundlage der Kapazität zwischen der ersten und zweiten Kondensatorplatte zu identifizieren.
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Jegliche hierin offenbarten Merkmale in Bezug auf das System können auch analog verwendet und kombiniert werden mit einer Kamera wie hierin offenbart und andersherum.
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Diese und andere Merkmale der Systeme und Verfahren der Gegenstandsoffenbarung werden dem Fachmann leichter erkennbar aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen, die in Verbindung mit den Zeichnungen geliefert wird.
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Damit Fachleute, auf welche die Gegenstandsoffenbarung zutrifft, leicht verstehen wie die Vorrichtung und Verfahren der Gegenstandsoffenbarung ohne überflüssige Versuche herzustellen und zu verwenden sind, werden deren bevorzugte Ausführungsformen im Detail unten stehend in Bezug auf bestimmte Figuren beschrieben, wobei:
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1 eine Skizze einer exemplarischen Ausführungsform eines Systems zur Bestimmung der Objektivposition ist, die gemäß der vorliegenden Offenbarung konstruiert wurde, die die erste und zweite Kamera zeigt;
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2 ist ein schematischer Aufbau der Bilder, die aus der ersten und zweiten Kamera aus 1 stammen, die Parallaxe zeigen;
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3 ist eine Perspektivschnittansicht eines Teils des Systems aus 1, die Sensorkomponenten zeigt, die an der ersten Kamera angeordnet sind;
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4 ist eine Perspektivschnittansicht einer anderen exemplarischen Ausführungsform einer ersten Kamera, die Sensorkomponenten zeigt die Kondensatorplatten hat, die in der ersten Kamera angeordnet sind, um einen variablen Kondensator zu bilden; und
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5 ist eine schematische axiale Stirnansicht einer exemplarischen Ausführungsform eines Objektivpositionssensors, der ein System mit vier Kondensatorplatten zeigt.
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Nun wird Bezug genommen auf Zeichnungen, in denen gleiche Referenznummern ähnliche strukturelle Merkmale oder Aspekte der Gegenstandsoffenbarung kennzeichnen. Zum Zwecke der Erläuterung und Illustration, aber nicht der Begrenzung, ist eine Teilansicht einer exemplarischen Ausführungsform eines Systems zur Identifizierung der Objektivposition gemäß der Offenbarung in 1 gezeigt und wird allgemein mit der Referenznummer 100 bezeichnet. Andere Ausführungsformen von Systemen gemäß dieser Offenbarung oder Aspekte davon sind in den 2–5 dargestellt, wie beschrieben werden wird.
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Mit Verweis auf 1 wird ein System 100 gezeigt, das die Objektivposition einer ersten Kamera bestimmen kann und den Abstand zu einem Fokuspunkt elektronisch bestimmen kann, um die Parallaxe zwischen mehreren Kameras zu korrigieren. Der Fokuspunkt eines Objektivsystems wird durch das Bewegen eines Objektivelements oder -komponente in Relation zur Bildebenenlage gesteuert mithilfe entweder eines Gewindegehäuses, das das Objektivsystem beinhaltet, oder einer Nockenfläche und eines Stößels oder dergleichen. Die Rotation des Objektivsystems wird direkt in lineare Bewegung der Objektivkomponente entlang der optischen Achse in Bezug auf die Bildebene übersetzt.
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1 illustriert sich überschneidende Bildausschnitte 106, 108 der ersten und zweiten Kamera 102, 104, die seitlich einen konstanten Abstand voneinander haben. Die erste und zweite Kamera 102, 104 sind entlang einer gemeinsamen Ebene beabstandet. Der Fachmann versteht, dass die erste und zweite Kamera 102, 104 in Bezug aufeinander in jeder anderen geeigneten Weise positioniert werden können. Die erste und zweite Kamera 102, 104 können jeweils zur Abbildung auf einem Bildschirm, zum Beispiel ein Head-up-Display, auf Objekte 110, 112 und einen Abstand d1, d2 fokussieren. Die erste Kamera 102 kann eine Langwellen-Infrarot-Kamera (LWIR) sein. Die zweite Kamera 104 kann eine Kurzwellen-Infrarot-Kamera (SWIR) sein. Die erste und zweite Kamera 102, 104 beinhalten ein Gehäuse 120 (dargestellt in 3) und eine Objektivkomponente 124, die manuell in Bezug auf das Gehäuse 120 rotiert werden kann. Bilder, die von der zweiten Kamera 104 angezeigt werden, werden verändert, um ein parallaxkorrigiertes Kombinationsbild auf einem Display-Bildschirm einschließlich Bildinformationen aus beiden Kameras 102, 104 anzuzeigen.
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Die Bezeichnung Parallaxe, wie sie hierin verwendet wird, beinhaltet die Verschiebung aufgrund der Trennung zwischen den optischen Achsen. Mit anderen Worten basiert die Parallaxe auf der Trennung zwischen den beiden Kameras. Die Parallaxe zwischen dem ersten und zweiten Bild hängt außerdem vom Abstand zum Objekt ab. Daher, wenn der Abstand zum Objekt bekannt ist, kann die Parallaxe zwischen den beiden Bildern bestimmt werden und für die Anpassung eines oder beider Bilder genutzt werden. Zum Beispiel können die Pixel eines Bildes verschoben werden, um die Parallaxe auszugleichen. Zum Beispiel ein Kombinationsbild, das sowohl Merkmale der LWIR-Kamera 102 und der SWIR-Kamera 104 zeigt, kann mit einer Parallaxkorrektur erzeugt werden, sodass die LWIR- und SWIR-Merkmale im Kombinationsbild genau abgestimmt sind. Es versteht sich, dass die Parallaxe für verschiedene Teile der Bilder abweicht, wenn der Abstand zum abgebildeten Objekt oder Bereich innerhalb des Bildes abweicht. Die Parallaxe kann für nur einen Teil des Bildes bestimmt werden oder getrennt für verschiedene Teile des Bildes. Wenn die Parallaxe für nur einen Teil des Bildes bestimmt wird, kann dieser Teil auf verschiedene Weisen bestimmt werden. Zum Beispiel kann der Mittelteil des Bildes standardmäßig ausgewählt werden. Als ein anderes Beispiel kann es einem Bediener möglich sein, einen Teil des Bildes, für das die Parallaxe bestimmt werden soll, auszuwählen, zum Beispiel den Teil, der ein interessantes Objekt beinhaltet.
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2 illustriert schematisch Bilder, die von der ersten und zweiten Kamera 102, 104 des Systems 100 vor der Parallaxkorrektur erzeugt wurden. Die ersten Bildteile 202, 212, die von der ersten Kamera 102 gemacht wurden und die zweiten Bildteile 204, 214, die von der zweiten Kamera gemacht wurden, wurden von derselben Situation zur gleichen Zeit gemacht. Die Bilder 202 und 212 sind im Wesentlichen die gleichen Bilder wie entsprechend 204 und 214, sind aber leicht verschoben in Bezug zueinander aufgrund des Abstands zwischen der ersten und zweiten Kamera 102, 104. Der Einfachheit halber sind die gezeigten Objekte ein Kreis 112 und ein Quadrat 110. In 1 ist der Kreis 112 weiter von den Kameras 102, 104 entfernt als das Quadrat 110. Daher ist die Verschiebung d2' der Bilder der Quadrate 212, 214 größer als die Verschiebung d1' der Bilder der Kreise 202, 204. Die Pixel der Bilder 204, 204 aus der zweiten Kamera 104 können horizontal übertragen werden in einem Abstand d1' und d2', um ein Kombinationsbild zu erzeugen, das die Merkmale der ersten und zweiten Kamera 102, 104 parallaxkorrigiert zeigt.
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Um die Abstände d1', d2' zu bestimmen, die notwendig sind, um die Pixel aus der zweiten Kamera 104 zu übertragen, müssen die entsprechenden Abstände d1 und d2 zu den Objekten 110, 112 aus der ersten Kamera 102 bestimmt werden. In der vorliegenden Offenbarung, und wie unten detaillierter beschrieben, werden die Abstände d1 und d2 zum Fokuspunkt 110, 112 der ersten Kamera 102 bestimmt auf Grundlage der Position der rotierenden Objektivkomponente, wenn die erste Kamera 102 auf die Objekte 110, 112 fokussiert. 3 zeigt die erste Kamera 102 des Systems 100. Das System 100 zur Bestimmung der Objektivposition basiert auf der Axialposition des Objektivs in Bezug auf das Gehäuse 120 der Kamera 102. Eine erste Sensorkomponente 302 ist am Gehäuse 120 der ersten Kamera 102 angeordnet. Eine zweite Sensorkomponente 304 ist an der rotierenden Objektivkomponente 124 der ersten Kamera 102 angebracht. Der erste und zweite Sensor 302, 304 sind jeweils operativ an einen Prozessor 130 angeschlossen (in 1 abgebildet). Die Sensorkomponenten 302, 304 können magnetische Sensoren sein, zum Beispiel leichte Magnetwiderstandssensoren. Die Objektivkomponente ist als eine rotierende Objektivkomponente abgebildet und beschrieben, eine Gleitlinse, die in Bezug auf das Kameragehäuse vorwärts und rückwärts überträgt, wird ebenso in Erwägung gezogen.
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Die Rotation der Objektivkomponente 124 in Bezug zum Gehäuse 120 führt dazu, dass sich die rotierbare Objektivkomponente 124 in einer Richtung quer zum Gehäuse 120 bewegt und näher an die Objekte 110, 112. Sobald die rotierbare Objektivkomponente 124 um einen gewünschten Abstand im Kreis rotiert wird, um auf die Objekte 110, 112 zu fokussieren, erzeugt die Sensorkomponente 302 ein Signal auf Grundlage der Stärke und Richtung des Magnetfeldes, das durch die andere erzeugt wird, die die relative Position der Sensorkomponente 304 anzeigt. Die Position der Sensorkomponente 304 kann dann durch den Prozessor 130 bestimmt werden. Der Prozessor 130 berechnet die Abstände d1 und d2 aus der ersten Kamera 102 auf Grundlage des Rotationswinkels 320 zwischen der ersten und zweiten Sensorkomponente 302, 304. Genauer gesagt, wird der Rotationswinkel 320 zwischen den beiden Sensorkomponenten 302, 304 vom Prozessor 130 genutzt, um die Position der rotierbaren Objektivkomponente 124 zu berechnen, die genutzt wird, um jeweils auf die Abstände d1 und d2 zu den Objekten 110 und 112 zu schließen. Die Verwendung einer Winkelmessung bietet ein Verfahren zur genauen Bestimmung der Objektivposition. In typischen Kamerasystemen ist der Weg, den ein Objektivsystem zurücklegen kann extrem klein in Bezug auf die sehr große Verschiebung der Position des Fokuspunktes. Eine vollständige Rotation könnte einer sehr kleinen Verschiebung in der Linsenposition entsprechen. Zum Beispiel kann eine vollständige Rotation das Objektivsystem 0,5 mm bewegen. Eine Rotation um ein Grad entspräche dann 0,0014 mm, oder 1,4 μ, an Weg im Objektivsystem. Während es sehr schwierig ist, einen Weg von nur 1,4 μ zu messen, ist es viel einfacher, ein Grad an Rotation akkurat zu messen.
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Der Prozessor 130 kann über Computer ausführbare Anweisungen gesteuert werden, d. h. ein Programm, das Anweisungen enthält, die durch den Prozessor ausgeführt werden können. Eine oder mehrere Speichereinheiten, hier als Speicher 132 dargestellt, sind operativ an den Prozessor 130 angeschlossen. Der Speicher 132 wird verwendet, um Computer ausführbare Anweisungen, die durch den Prozessor 130 auszuführen sind, zu speichern, wenn die hierin beschriebenen Funktionen des Systems 100 ausgeführt werden.
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Mit Verweis auf 1 ist die zweite Kamera 104 operativ an den Prozessor 130 angeschlossen. Sobald der Prozessor 130 die Abstände d1 und d2 berechnet, führt der Prozessor 130 eine Parallaxkorrektur an einem oder an beiden Bildern durch, zum Beispiel an den Bildern 204, 214. Mit anderen Worten, die Pixel der Bilder 204 und 214, die von der zweiten Kamera 104 aus gesehen wurden, werden übertragen, um sie mit den entsprechenden Bildern 202 und 212 der ersten Kamera 102 abzustimmen. Auf diese Weise wird ein zusammengesetztes, parallaxkorrigiertes Bild einschließlich der Merkmale aus der ersten und zweiten Kamera 102, 104 auf dem Display-Bildschirm angezeigt. Dies ermöglicht Bilder in zwei verschiedenen Spektren, z. B. LWIR und SWIR, die zusammengesetzt werden sollen, um sinnvolle Informationen von beiden anzuzeigen.
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Mit Verweis auf 4 und 5 wird eine erste Kamera 102 zur Berechnung des Abstands zum Fokuspunkt der ersten Kamera 102 gezeigt mit einer anderen Ausführungsform der Sensorkomponenten. In dieser Ausführungsform ist eine Reihe an Kondensatorplatten 402, 404, 406 an einer Objektivtubusanordnung 410 angeordnet. In dieser Ausführungsform sind drei Kondensatorplatten 402, 404 und 406 dargestellt, die die Reihe der Kondensatorplatten enthalten, es versteht sich jedoch, dass jede geeignete Anzahl von Platten verwendet werden kann.
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Eine rotierende Kondensatorplatte 408 ist an einem Objektivtubus 410 angeordnet. Jede der Kondensatorplatten 402, 404, 406, 408 ist operativ an den Prozessor 130 angeschlossen. Durch die Anordnung der Kondensatorplatten 402, 404, 406, 408 in dieser Konfiguration, bilden die Kondensatorplatten 402, 404, 406 408 ein variables System an Kondensatoren, in dem die Kapazität aufgrund der Position des Objektivtubus 410 variiert. Die elektrische Kapazität, und somit die gemessene elektrische Ladung, einer beliebigen der drei Kondensatorplatten ist proportional zu dem Überschneidungsbereich zwischen dem rotierenden Kondensator und jedes anderen Kondensators der Reihe. Wie dargestellt, ist die Reihe der Kondensatorplatten 402, 404, 406 rundherum positioniert und umgibt die Kondensatorplatte 408. Der Überschneidungsbereich 420 als solcher kann sich über eine oder mehrere Kondensatorplatten 402, 404, 406 erstrecken. Die Kapazität wird vom Prozessor 130 verwendet, um den Rotationswinkel des Objektivtubus 410 und somit den Abstand zum Fokuspunkt zu berechnen. 5 zeigt schematisch drei Kondensatorplatten 402, 404, 406. Jede Kondensatorplatte 402, 404, 406 erstreckt sich über circa 120 Grad um die rotierende Platte 408 herum.
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Die Verfahren und Systeme der vorliegenden Offenbarung, wie oben beschrieben und in den Zeichnungen dargestellt, sorgen für ein System zur Identifizierung der Objektivposition mit hochwertigen Eigenschaften einschließlich Parallaxkorrektur zwischen zwei Kameras auf Grundlage der Objektivposition. Während das Gerät und die Verfahren der Gegenstandsoffenbarung dargestellt und beschrieben wurden unter Verweis auf die bevorzugten Ausführungsformen, wird der Fachmann ohne Weiteres erkennen, dass Änderungen und/oder Abwandlungen daran erfolgen können, ohne vom Geist und Umfang der Gegenstandsoffenbarung abzuweichen.
