DE19502045A1 - Kompensation von Bildverwaschungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur realitätsgetreuen Abbildung schnellbewegter Objekte, eine Fernerkundungskamera, die Verwendung piezoelektronischer Stellelemente, sowie ein Verfahren zur Kompensation der Bildverwaschung bei Aufnahmen.

Aus der Sportfotografie ist bekannt, daß man die Kamera mitschwenken muß, wenn man z. B. eine Läufer scharf abbilden will; ansonsten erhält man ein "unscharfes" oder verschmiertes Bild.

Das gleiche Problem tritt auf, z. B. bei optoelektronischen Fernerkundungssystemen, die von Satelliten oder Flugzeugen aus eingesetzt werden. Während der Belichtungszeit bzw. Integrationszeit für z. B. ein bestimmtes Planquadrat auf der Erdoberfläche ergibt sich eine Verschiebung des aufzunehmenden Planquadrates bezüglich der im fliegenden Objekt angeordneten Empfängereinrichtung, der Kamera. Dieser Effekt führt dann bei derartigen Aufnahmen ebenfalls zu einer mehr oder weniger starken Verwaschung der aufgenommenen Bilder.

Aus der Praxis ist bekannt, daß eine Lösung zur Überwindung dieser Schwierigkeit, das Nachführen der gesamten Kamera an sich ist. Diese Verschiebe- oder Schwenkbewegung ist zwar exakt möglich aber technisch außerordentlich aufwendig und behindert insbesondere eine Aufnahmesequenz mit hoher Frequenz, da die Massenträgheit der Gesamtkamera doch relativ groß ist. Aus der DE 34 32 252 C2 ist ein Meßmikroskop bekannt, bei dem der Objektträger, also das abzubildende Objekt mit dessen Unterlagen piezoelektrisch verstellt werden kann. Eine derartige Möglichkeit ist natürlich bei Erdaufnahmen nicht gegeben.

Aus der DE 40 32 193 C2 ist bekannt, einen Spiegel bzw. die Blende einer hochauflösenden Kamera mit CCD Bildsensoren piezogesteuert zu verschieben. Hierbei ergibt sich das Problem, daß die Strahlenumlenkung zu einer Verschiebung des Fokuspunktes führen können und damit der Verwaschungseffekt oder eine realitätsfremde Abbildung auf den Aufnahmen festzustellen ist.

Ein Piezogestellantrieb ist ebenfalls bei der Spiegelverstellung eines Ringlasers bekannt, der auch mit hoher Frequenz verstellt werden kann (DE 34 12 016 C2).

Letztlich ist aus der DE 31 04 811 A1 bekannt, das Schärfeproblem dadurch zu beheben, indem man den Antrieb von Filmrollen nachsteuert. Der Nachteil liegt bei dieser Anordnung darin, daß für eine hochfrequente Aufnahmenfolge eine exakte Steuerung nicht möglich ist, weil die Elastizität des Filmmaterials eine eventuelle Nachführung der Filmposition mehr oder weniger überkompensiert. Unter Berücksichtigung dessen, daß die Spiegelnachführung - wie erwähnt - zwar eine Kompensation der Bildverwaschung ermöglicht, jedoch die Abbildungseigenschaften sowohl was die Abbildungsebene anlangt, wegen der Verschiebung des Fokuspunktes, als auch die Möglichkeit einer Farbverschiebung in die, für eine bestimmtes Aufnahmeproblem optimiert berechneten, Objektivlasern muß eine andere Lösung gefunden werden. Das Problem besteht also darin, daß für eine schnelle Bildfolge, gleichgültig ob für Filmaufnahmen oder elektronische Registrierverfahren wie bei CCD Bildsensoren, eine möglichst optimale Kompensation der Differenzbewegung zwischen dem aufnehmenden Gerät, z. B. einer Kamera und dem aufzunehmenden Objekt, z. B. der sich schnell drehenden Erde mit möglichst einfachen Mitteln korrigiert oder kompensiert wird.

Die Lösung ist in den Ansprüchen 1, 8, 9 und 10 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Untersprüchen erfaßt. Dabei unterstellt die Erfindung zunächst folgendes Fachwissen, das am Beispiel einer fliegenden Kamera erläutert wird. Quantitativ ist die Verwaschung auf der Aufnahme als Verhältnis von dt/DT darstellbar. Hierbei sind:
dt = Integrationszeit oder Belichtungszeit;
DT = Zeit zwischen zwei nacheinander stattfindenden Belichtungen oder Aufnahmen, allgemeiner Registrierungen von Strahlungsemissionen.

Bei einer gegebenen Flughöhe und vordefinierter Fluggeschwindigkeit bei Aufnahmen der Erdoberfläche überstreicht die an Bord befindliche Kamera einen berechenbaren Streifen auf der Erdoberfläche ( . . . der Projektion der Kamerageschwindigkeit). In diesem Fall wählt man DT so, daß sich die Projektion quadratischer Bildelemente aneinander reiht. Um die Bildverwaschung möglichst gering zu halten, muß noch weitere Bedingung erfüllt sein, nämlich dt/DT wesentlich kleiner 1, d. h. die Belichtungszeit muß sehr klein gegenüber dem Abstand zwischen zwei Belichtungen sein.

Bei vielen wissenschaftlichen Aufgaben im Rahmen der Fernerkundung ist jedoch die freie Wahl dieser Parameter sehr eingeschränkt. Die Flughöhe und die Fluggeschwindigkeit werden oft durch die Satellitenbahn oder die Einsatzmöglichkeiten eines Flugzeuges bestimmt. Brennweite und Belichtungszeit für die Kamera ergeben sich in Regel aus der wissenschaftlichen Aufgabenstellung. Die Seitenlänge eines beispielsweise quadratischen Bildträgers, z. B. eines Sensorelementes einer CCD-Kamera ist in der Regel ebenfalls technisch vorgegeben. Aus diesen Gründen ist für verschiedene Aufgabenstellungen damit die zuvor genannte Bedingung dt/DT wesentlich kleiner 1 nicht einzuhalten. Diese Schwierigkeit ist für sich den Herstellern von Fernerkundungskameras bekannt und hat zu den zuvor geschilderten Lösungen geführt. Die im folgenden darzustellende Lösung beschränkt sich jedoch nicht auf das Problem der geschilderten Fernerkundungskamera sondern umfaßt weitere Lösungen für die tägliche Praxis beispielsweise bei der Überwachung von Massenteilen auf bestimmte Qualitätsmerkmale wie Form und Farbe. Auch hier ist eine Qualitätsüberwachung z. B. eines auf Bändern laufenden gestanzten Werkstückes nur möglich, wenn eine verwaschungsfrei Aufnahme erzielt wird, die mit einer vorgegebenen Aufnahme vergleichbar ist.

Weitere ähnliche Problemstellungen ergeben sich aus Belichtungsproblemen mit Falschfarben, -filmen oder Infrarotfilmen, beispielsweise bei der Vegetationsüberwachung, wo eine Verwaschung der Aufnahmen ein Nachvollziehen der geometrischen Verhältnisse auf der Erdoberfläche verhindert.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist daher vorgesehen, daß die Bildebene der Fokalebene gegenüber der, für den Strahlungsempfang ausgelegten, Optik beweglich ausgeführt wird und diese Bewegung elektronisch gesteuert wird. Die realitätsgetreue Abbildung von zur Vorrichtung nach Betrag und Richtung mit vordefinierter Geschwindigkeit relativ bewegte Objekte läßt sich dadurch erzielen, daß eine aus einem Empfänger für vom Objekt stammende Strahlung mit einer nachgeordneten Fokussiereinrichtung und eine in der Fokalebene angeordneten Abbildungseinrichtung zur Erfassung von Abbildungen hoher Frequenz, diese Abbildungseinrichtung während der Erfassungsdauer bzw. Belichtungszeit relativ zur Fokussiereinrichtung mit zum Objekt annähernd reziproker Geschwindigkeit mittels einer elektronischen Stelleinrichtung bewegt wird. Die Bewegungseinrichtung des Abbildungseinrichtung hängt von der Wirkung der Fokussiereinrichtung und/oder weiteren, den Strahlungsgang ändernden Einrichtungen ab, d. h. die Abbildungseinrichtung kann in Richtung der realen Kamerabewegung oder entgegengesetzt verlaufen.

Eine derartige elektronische Stelleinrichtung sollte als piezoelektrisches Stellelement ausgebildet sein, welches für hohe Aufnahmefrequenzen entsprechend elektronisch angesteuert werden kann, um die Bewegung der Abbildungseinrichtung auszulösen.

Die Abbildungseinrichtung selbst faßt primär eine Platte, auf der beispielsweise CCD-Sensoren oder CCD-Zeilen aber auch ein belichtungsempfindliches Filmmaterial angeordnet ist, welche vorzugsweise auf zwei zueinander parallel angeordneten, beweglichen Schwingelementen, beispielsweise zwei dünnen Biegefedern angeordnet ist. Derartige Biegefedern sind an dem Kameragehäuse statisch relativ genau zu dem Strahlungsempfänger und dem Objektiv ausrichtbar, so daß eine Anregung der Abbildungseinrichtung in definierter Richtung um einen definierten Betrag in definierter Geschwindigkeit rechentechnisch erfaßt werden kann.

Für die rechentechnische Auswertung und die anschließende Anregung des piezoelektrischen Stellelementes ist eine elektronische Baugruppe vorgesehen, die den Zeitpunkt, den Betrag und die Dauer der Verstellung der Abbildungseinrichtung berechnet und vorgibt.

Das Steuerungssystem wird z. B. für eine Fernerkundungskamera mit den genannten piezoelektrischen Stellelementen beruht auf einem definierten Verfahren zur Kompensation der Bildverwaschung bei Aufnahmen von relativ zur Kamera bewegten Objekt und setzt folgende Verfahrensschritte voraus:

• - zunächst ist der Belichtungsbeginn für die diskrete Aufnahme festzustellen;
• - zudem muß die Stellung der Abbildungseinrichtung relativ zu dem Objektiv in möglichst exakter Weise vorgenommen werden, wobei aus vorhergehenden Anregungen der Abbildungseinrichtung ein . . . . vorkommen kann oder durch Temperaturschwankungen könnten sich die für die Kamera vorgesehen Biegefedern zu einer Seite geneigt haben; all dies ist mit Hilfe des Vergleichs von Soll- zu Istwerten festzustellen, so daß man zu dem genauen Lagepunkt der Abbildungseinrichtung gelangt.
• - Weiterhin ist festzustellen, welche Belichtungszeit einzustellen ist, was als Vorgabe für die zu lösende wissenschaftliche Aufgabe leicht über ein Programm eingebbar ist und schließlich ist aus den angegebenen Werten eine Verstellung nach Zeitpunkt, Betrag und Dauer zu ermitteln und in eine elektronisches Signal zu wandeln, mit dem schließlich die piezoelektrische Stelleinrichtung beaufschlagt wird zur Auslenkung der Position der Abbildungseinrichtung.

An Hand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden, ohne daß sie auf diese konkrete Anwendungsform beschränkt sein soll. Es zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 eine elektronische Baugruppe zur Anwendung bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 wird ein biegesteifer Grundrahmen 1 über Justierelemente 2 mit einer Optikfassung 3 verbunden. Ein Fotoobjektiv 4 ist in die Optikfassung eingeschraubt. Eine Abbildungseinrichtung oder Fokalebenenträgerplatte 5 mit optoelektronischen Bauelementen 6, beispielsweise CCD-Zeilen, ist über Biegefederelemente 7 mit dem Grundrahmen 1 verbunden. Ein piezoelektrisches Stellelement 8 ist über ein hin- und herbewegliches Stellglied 9 mit der Fokalebenenträgerplatte 5 verbunden. Bei Bewegung der Kamera in Richtung R1 gelangt durch eine Optik oder einen Filter 10 eine Strahlung S1 vom Objekt via Fotoobjektiv 4 als Strahlengang S2 zur Abbildungsebene bzw. zu den optoelektronischen Bauelementen 6 und es wurde unterstellt, daß bei Bewegung der Kamera in Richtung R1 und entsprechender einfallender Strahlung S1 die Abbildung auf den Elementen 6 sich auf Grund der Art des Objektives 4 in Richtung R2 verschiebt und eine entsprechende Bildverwaschung entsteht. Aus diesem Grunde ist bei Bewegung der Kamera in Richtung R1 während der Belichtungszeit eine Kraftübertragung vom piezoelektrischen Stellelement über das bewegliche Glied 9 auf die Fokalebenenträgerplatte 5 möglich und damit eine Stellbewegung gegen die Kraft der Biegefederelemente 7, welche die Fokalebenenträgerplatte in einer Ausgangsposition festhalten. Durch Bewegung der Biegefederelemente 7 läßt sich eine Relativbewegung zwischen den optoelektronischen Bauelementen 6, die mit der Fokalebenenträgerplatte 5 starr verbunden sind und dem Fotoobjektiv 4 erzeugen. Entsprechend der Auslenkung des Strahlenganges während der Kamerabewegung wird somit das die Abbildung aufnehmende Element entsprechend verschoben, so daß keine Verwaschung entstehen kann.

Die erforderliche Elektronik für die Realisierung der vom piezoelektrischen Element 8 einzuleitenden Bewegungen ist in Fig 2 an einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Das bewegliche Teil ist der Translator 11, (z. B. ein mit dem Piezoelement gekoppeltes Bauteil) der innerhalb der Belichtungszeit eine lineare Verschiebung der Bildebene bezogen auf die Kamera durchführt. Dazu bedarf es einer speziellen Ansteuerung des Translators, die im folgenden beschrieben wird. Der Nullabgleich für die Anbindung der Koordinatensysteme zum Zeitraum, in dem nicht belichtet wird, vollzieht sich über die Nullkompensation 15. Dieser Abgleich ist mit Hilfe des Translatorsensors 12 und dem Temperatursensor 13 möglich. Beide Sensorsignale werden von der Nullkompensation 15 ausgewertet und an ihrem Ausgang 25 wird ein berechneter Wert, der eine Funktion aus Kalibrierungsdaten und Driftdaten darstellt, digital bereitgestellt. Die Main-Con­ trol-Unit (MCU) 16 verfügt über die direkte Zeitanbindung der Belichtung via Kameratrigger 24 und ist daher in der Lage sowohl, den Multiplexer 17 auf Nullabgleich zu stellen als auch die Driftkompensation über ihr Taktinterface 26 freizugeben. Der Wert, welcher die Nullkompensation 15 berechnet, wird über einen Digital-Analog-Wandler 18 dem Leistungsverstärker 19 bereitgestellt. Die nun vorliegende Spannung bzw. Strom regelt den Translator 11 über mehrfache Iteration der beschriebenen Nullkompensationsschleife auf die Ausgangsposition zurück.

Von der geregelten Ausgangsposition (Null-Position) wird die lineare Verschiebung vollzogen. Diese Verschiebung wird unter genauer Kenntnis der Übertragungsfunktion des Translators 11 und des Kanals der Anordnung, welche vorher genau ermittelt werden müssen, durchgeführt. Aus den vorher gewonnenen Kalibrierungsdaten wird ein Datensatz, der zur Berechnung der Spannungskurve U(t) benötigt wird, im EEPROM 21 abgelegt. Da weiterhin der Zusammenhang Translation (t) = f <(U(t), T(t), Soll (t)< bekannt ist, wird im RAM 20 eine von der MCU 16 berechneten Kurve abgelegt. Hierbei wird auch die Translation via Sensor 14 und die, die sich aus der Belichtungszeit selbst ergibt, berücksichtigt. Die berechneten Kurvenwerte garantieren eine stückweise lineare Translation. Die Triggerung zur Belichtung wird kurz vorher vollzogen, um somit ein nichtlineares Einlaufverhalten des Translators zu verhindern. Die Vortriggerung ist so zu wählen, daß in der Belichtungszeit die Translation des Translators 11 linear ist. Über die konstante Zeit zwischen Triggerung und Belichtung erhält man eine feste, definierte und daher auch berechenbare Anbindung der Koordination zueinander. Sollte Translations-Sensor 14 Winkelkoordinaten benutzen, so müssen diese erst in kartesische Koordinaten überführt werden. Mit diesen Koordinaten können zusätzlich unvorhersehbare extern einwirkende Bewegungen auf das Gesamtsystem Berücksichtigung in der Berechnung der benötigten Translations-Zeit-Kurve finden. Diese externen Bewegungswerte dienen der Gesamtkorrektur des Systems. Die hieraus berechneten Kurvenwerte im RAM 20 werden mit Hilfe der MCU 16 zeitdiskret an den Digital-Analog-Wandler 18 übertragen. Der Digital-Analog-Wandler 18 übergibt seinerseits die nun vorliegenden Spannungswerte dem Leistungsverstärker 19. Die somit anliegenden Spannungen (bzw. Ströme) am Translator 11 garantieren die lineare Verschiebung innerhalb der Belichtungszeit, die sowohl die eigentliche Bewegungsgeschwindigkeit als auch die unvorhersehbaren Störungen berücksichtigt.

Die Prog-RAM 22 und Prog-PROM 23 der MCU dienen zur Programmspeicherung und dessen Abarbeitung.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur realitätsgetreuen Abbildung von zur Vorrichtung nach Betrag und Richtung (R1) mit vordefinierter Geschwindigkeit relativ bewegter Objekte, umfassend, hintereinander angeordnet, einen Empfänger (10) für vom Objekt stammende Strahlung (S1), eine Fokussiereinrichtung (2 bis 4) und eine, in einer Fokalebene angeordnete Abbildungseinrichtung (5, 6), welche mit hoher Frequenz Abbildungen erfaßt und während der Erfassungsdauer relativ zur Fokussiereinrichtung mit einer seiner Verschiebung der Abbildung entsprechenden Geschwindigkeit mittels elektronischer Stelleinrichtung (8, 9) bewegbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Stelleinrichtung ein piezoelektrisches Stellelement (8) umfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungseinrichtung eine Platte (5) umfaßt, die auf zueinander parallel beweglichen Schwingelementen (7) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingelemente Biegefedern (7) sind, die in statischem Zustand die Platte (5) parallel zu dem Empfänger (10) hält.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Stellelement von einer den Zeitpunkt, den Betrag und die Dauer der Bewegung der Abbildungseinrichtung (5, 6) vorgebenden elektronischen Baugruppe (11 bis 24) gesteuert wird.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungseinrichtung mindestens eine CCD-Zeile (6) umfaßt.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungseinrichtung mindestens eine für optische Strahlung empfindliche Filmbelichtungseinrichtung umfaßt.

8. Fernerkundungskamera, ausgestattet mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

9. Verwendung eine piezoelektrischen Stellelementes (8) zur gezielten Verschiebung eines Bildträgers (5) einer Kamera zur Erzielung verwaschungsfreier Aufnahmen.

10. Verfahren zur Kompensation der Bildverwaschung bei Aufnahmen von relativ zur Kamera bewegten Objekten, insbesondere bei optoelektronischen Fernerkundungskameras, mittels einer Kamera, deren Abbildungseinrichtung (5) relativ zum Objektiv beweglich ist mit folgenden Verfahrensschritten:

• - Feststellung des Belichtungsbeginnes,
• - Ermittlung der Stellung der Abbildungseinrichtung (5) relativ zum Objekt,
• - Feststellung der Belichtungszeit und
• - Bewegung der Abbildungseinrichtung während der Belichtungszeit um einen der realen Kamerabewegung entsprechenden Wert.