DE2430381B1

DE2430381B1 - Anordnung zur automatischen Objektnachführung von Fernsehkameras, insbesondere Fernsehkameras für Bildfernsprecher

Info

Publication number: DE2430381B1
Application number: DE19742430381
Authority: DE
Inventors: Adolf Dipl.-Ing. 8000 Muenchen Schneider
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-06-25
Filing date: 1974-06-25
Publication date: 1976-01-02

Description

Im Impulsprograrnm der F i g. 2 ist in der Zeile a die Sendeimpulsfolge der SchallkeuleH1 angedeutet. Nach dem ersten Impuls in dieser Zeile erfolgt in der Zeile b mit dem Abstand t das Signal 2 der Schallkeule H 2. U 1 und U2 sind die Impulsspannungen der Schallkeulen H1, H2 bzw. V1, V 2. T ist der zeitliche Abstand zwischen dem Sendeimpuls U1
und U2. In diesem zeitlichen Abstand müßte unbedingt ein Rücksignal von U1 bzw. U2 hineinfallen, so daß jeweils eine feste Zuordnung möglich ist.
In der Zeile c ist die Spannung U3 der reflektierten horizontalen bzw. vertikalen Impulse angedeutet.
Die Zeile d zeigt die vom Tiefpaß T in der F i g. 3 abgegebene Signalspannung U4. Mit U5 in der Zeile e ist das Ausgangssignal der Schwelle W2 in der Fig.3 dargestellt. Den Verlauf dieses Signals beim Verlassen des Differenzierers D in der Fig.3 zeigt die Zeile f mit der Spannung U6. In der Zeile ist die Spannung U7 am Ausgang des Schmitt-Triggers R angedeutet.
Mit U 8 in der Zeile h ist das Signal am invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers OP und in der Zeile i das Signal am nichtvertierenden Eingang dieses Operationsverstärkers dargestellt. Die Zeile k zeigt den Spannungsverlauf U 10 am Ausgang einer monostabilen Kippstufe K3 in der Fig. 3. In der Zeile 1 ist das Rückstellsignal U11 für eine KippstufeK2 in der Fig.4 gezeichnet. Die Spannung U12 in der Zeile m veranschaulicht das Ausgangssignal der ç Ausgangskippstufe K2.
In der F i g. 3 sind am linken Rand zwei elektroakustische Wandler I und ein Empfänger II angedeutet. Der von einem Impulsgenerator IG kommende Sendeimpuls U1 (günstigerweise mit To<50 llsec) erzeugt einen Schallimpuls mit einer vom Fernsehtelefon-Benutzer nach Fig. 1 bzw. von einem anderen Objekt aus links liegenden Schallkeule H1.
Der reflektierte Strahl ruft ein Empfangssignal U3 hervor, das zur Erhöhung der Störsicherheit zunächst über einen Tiefpaß T und eine Schwelle W2 geführt wird. Die so gewonnene Spannung U5 gelangt anschließend auf einen Differenzierer D und einen Schmitt-Trigger R und erzeugt ein digitales Signal U7, dessen Länge jeweils der Dauer der Anstiegsflanken der Impulse U5 entspricht.
Mit dem ersten Sendeimpuls 1 nach der Zeile a in der Fig. 2 wurde der Kondensator C 8 am invertierenden Eingang des Differenzverstärkers OP über einen durch den Sendeimpuls geschalteten Analogschalteer 52 auf die Spannung »0« gelegt. Der aus dem Empfangsimpuls 1 gewonnene Tastimpuls 1", der der Spannung U7 entspricht, schaltet nun über einen zweiten Analogschalter 51 den integrierten Empfangsimpuls entsprechend Spannung US durch und lädt den Kondensator C 8 bis zum Maximalwert der Spannung U5, das entspricht der Spannung U8 in der Fig. 2, auf. Während des ersten Sendeimpulses war eine Kippstufe K1 im Zustand »1«. Der nächste um die Zeit T verzögerte Sendeimpuls der zweiten SchallkeuleH2 bringt die Kippstufe K 1 in den Zustand »0« und legt die Analogschalter S1, S2 über einen Umschalter 53 an den Kondensator C 9 des nichtinvertierenden Eingangs des Differenzverstärkers OP. Gleichzeitig wird über den Analogschalter S2 und den Umschalter S3 der Kondensator C 9 auf die Spannung 0 gebracht.
Der Empfangsimpuls 2" steuert nun den Schalterms1 zu und lädt den Kondensator C 9 auf den Maximalwert der Spannung U4 auf, was der Spannung U9 in der Fig. 2 entspricht. Übersteigt die positive oder negative um den Faktor V verstärkte Differenz U9-U8 eine gewisse Schwelle W1, dann liegt an einem Schalter S4 eine positive oder negative Spannung. Dieser Schalter 54 wird während einer bestimmten Tmpulsdauer, die durch eine von U1 getriggerte und von U7 zurückgesetzte Kippstufe K 3 vorgegeben ist, geschlossen und führt einem elektromechanischen Regelglied, z.B. einem Motor M mit Endabschaltung, für die horizontale Lageeinstellung der Fernsehkamera eine positive oder negative Spannung zu, je nach dem in welcher Richtung nachgeregelt werden soll.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel war der zweite Empfangsimpuls 2' wesentlich größer als 1', d. h. die Person saß zu weit rechts vor dem Bildschirm des Fernsehtelefons. Der Antriebsmotor muß damit das Sichtgerät weiter nach links drehen. Sobald der Kopf und Oberkörper der Person symmetrisch zur Mittelachse des Bildfernsprechers liegen, werden die Empfangsimpulse 1', 2' gleich groß und es entsteht keine Differenzspannung mehr, die den Motor betätigen würde.
Nach jedem Impulspaar der Schallkeulen H1, H2 für die horizontale Lageregelung wird ein entsprechendes Impulspaar der Schallkeulen V1, V2 für die vertikale Positionierung des Bildfernsprechers gesendet.
Die Auswertung dieser Empfangsimpulse geschieht im wesentlichen völlig analog zu der oben beschriebenen horizontalen Regelung mit dem Unterschied, daß hier ein nicht dargestellter zweiter Motor für die vertikale Schwenkung der Fernsehkamera angesteuert wird. Außerdem ist bei der Vertikalregelung der Spannung U 8 eine konstante Gleichspannung überlagert. Damit stellt sich der Ruhearbeitspunkt so ein, daß die reflektierte Spannung El stets kleiner als E2 wird, d. h. die Schallkeule V1 reicht über den Kopf des Signalpartners hinaus. Bei einer gleichmäßigen symmetrischen Bewertung der reflektierten Strahlen - wie es bei der Horizontalregelung geschieht - würde die Vetikalregelung nicht in Aktion treten, wenn beispielsweise die Kamera zu tief geneigt ist und nur die Brustpartie des Sprechpartners erfaßt.
Damit nun sowohl die Horizontal- als auch die Vertikalnachsteuerung erst dann einsetzt, wenn sich eine Person in einem gewissen Mindestabstand befindet, muß eine Entfernungsmessung vorgesehen werden. Dies kann ebenfalls durch einen Ultraschallgeber- und Empfänger mit Auswerteeinrichtungen für die reflektierten Impulse so erfolgen, daß eine Regelspannung Ur zur Verfügung steht, die direkt proportional zur Entfernung ist. Überschreitet die Spannung Ur eine gewisse Größe, dann wird ein Schwellwertschalter W3/S5 ausgelöst, der dem Motor eine konstante Spannung Uo zuführt, die ihn in die Unendlich-Stellung bewegt.
Gewisse Störprobleme könnten ferner auftreten, wenn sich sehr nahe hinter einer Person eine gut schallreflektierende Wand befindet. In diesem Falle sind unter Umständen die von der Wand rücklaufenden Impulse größer als die von dem Objekt, z. B.
einer Person, reflektierten Impulse und machen damit eine exakte Positionssteuerung unmöglich. Zur Sicherstellung, daß jeweils nur der erste reflektierte Impuls und nicht die noch später von entfernteren Gegenstände eintreffenden Signale ausgewertet werden, ist in der Fig.4 ein entsprechendes Ausführungsbeispiel in Form eines Blockschaltbildes wiedergegeben. Über ein NAND-Gatter G2 wird eine negativ flankengetriggerte Kippstufe K2 mit den Impulsen U7 gesetzt. Als Rückstellsignal dienen die Sendeimpulse U1 und U2.
Während der Zeit A t zwischen den Rückflanken der Impulse U7 und U2 ist der Q-Ausgang der Kippstufe kr auf »0« und blockiert über eine logische NAND-Verknüpfung weitere eventuell folgende Impulse U7. Die Spannung U13, die nach Invertierung den durch den integrierten Empfangsimpuls geschalteten Analogschalter 51 steuert, enthält daher nur die jeweils zuerst reflektierten Impulse. Damit bleiben Impulse, die von weiter weg liegenden Gegenständen herrühren, unberücksichtigt.

Claims

Patentansprüche: 1. Anordnung zur automatischen Objektnachführung von Fernsehkameras, insbesondere Fernsehkameras für Bildfernsprecher, da d u r c h gekennzeichnet, daß zum automatischen Ausrichten der Kamera auf ein sich in einem gewissen Mindestabstand im Aufnahmefeld befindliches Objekt, z. B. eine Person, eine Ultraschallsende- und Empfangseinrichtung (I, II) für je zwei Schallkeulen (H1, H2/V1, V2) zur Lagepositionierung in horizontaler und vertikaler Richtung und Auswerteeinrichtungen (F i g. 3) für die Empfangssignale vorgesehen sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von der Ultraschallsendeeinrichtung nach jedem Impulspaar der Schallkoulen (H1, H2) für die horizontale Lageregelung ein entsprechendes Impulspaar der Schallkeulen (V1, V2) für die vertikalen Positionierung gesendet wird.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ultraschallsendeeinrichtung ein piezoelektrischer Wandier dient.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Auswerteeinrichtung für das Empfangssignal ein Differenzierer (D), ein Schmitt-Trigger (R), Analog- und Umschalter (S1-S3), ein Differenzverstärker (OP) mit je einem Kondensator (C8, C9) am invertierenden Eingang und am nichtinvertierenden Eingang und ferner eine Schwelle (W1) angeordnet sind.
5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der reflektierte Strahl in der Empfangseinriohtung ein Empfangssignal (U3) hervorruft, das zur Erhöhung der Störsicherheit zunächst über einen dem Differenzierer (D) vorgeschalteten Tiefpaß (T) und eine Schwelle (W 2) geführt wird.
6. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Sendeimpuls der horizontalen Schallkeule (H 1) für die horizontale Lagerung den Kondensator (C8) am invertierenden Eingang des Differenzverstärkers (OP) über einen durch den Sendeimpuls geschalteten Analogschalter (S2) nur während der Impulsdauer an die Spannung »0« legt und der reflektierte, später ankommende Strahl den integrierten Empfangsimpuls (U5) über einen durch den regenerierten Impuls (U7) geschalteten zweiten Analogschalter (S1) durchschaltet und diesen Kondensator (C8) bis zum Maximalwert der von der Schwelle (W2) abgegebenen Spannung (U5) auflädt.
7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Ansohluß an die Ultraschallsendeeinrichtung ein Gatter (G1) und eine Kippstufe (K1) vorgesehen sind, die sich während der Sendeimpulse (U1) im Zustand »1« befindet.
8. Anordnung nach den Ansprüchen 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils der auf den ersten Sendeimpuls der linken Schallkeule (H1 bzw. V 1) folgende Sendeimpuls der rechten Schallkeule (H2 bzw. V 2) die Kippstufe (K1) in den Zustand »0« bringt und die Analogschalter (S1, S2) über einen Umschalter (S 3) an den Kondensator (C 9) des nichtinvertierenden Einganges des Differenzverstärkers legt.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (C9) am nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers (OP) über den durch den Sendeimpuls geschalteten Analogschalter (S2) und den Umschalter (S3) auf Spannung »0« gebracht wird.
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit des zweiten Empfangsimpulses der durch den Sendeimpuls geschaltete Analogschalter (S2) schließt und der Kondensator (C 9) am nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers (OP) auf den Maximalwert der von der Schwelle (W2) abgegebenen Spannung (U5) aufgeladen wird.
11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß beim Übersteigen der durch den Differenzverstärker (OP) verstärkten positiven oder negativen Differenz der Spannungen (U9-U8) an den Kondensatoren (C8, C9) den durch die Schwelle (W 1) festgelegten Wert an einen Steuerschalter (S 4) eine entsprechende positive oder negative Spannung angelegt wird.
12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerschalter (S4) während der Zeit zwischen einem Empfangs- und dem nächsten Sendeimpuls durch eine Kippstufe (K3) geschlossen wird und über ein elektromechanisches Regelglied, z. B. einen Motor (M), die horizontale Lageeinstellung der Fernsehkamera beeinflußt.
13. Anordnung nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannung am Kondensator (C 8) am invertierenden Eingang des Differenzverstärkers (OP) bei der vertikalen Regelung eine konstante Gleichspannung überlagert ist.
14. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Entfernungsmessung vorgesehen ist, durch die festgestellt wird, ob sich das im Aufnahmefeld befindliche Objekt, z.B. eine Person, einen gewissen Mindestabstand vor der Kamera einhält, so daß eine jeweilig eindeutige Zuordnung der empfangenen horizontalen und vertikalen Impulse möglich wird.
15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß über einen Ultraschallgeber und Empfänger zur Entfernungsmessung eine Regelspannung (Ur) gewonnen wird, die direkt proportional zur Entfernung des aufzunehmenden Objektes ist.
16. Anordnung nach den Ansprüchen 12 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwellwertschalter (W 3/S 5) vorgesehen ist, der beim Überschreiten einer der maximal vorgesehenen Entfernung proportionale Regelspannung dem elektromechanischen Regelglied (M) eine Festspannung (U5) zuführt, die der Unendlichstellung entspricht.
17. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils nur der erste reflektierte Impuls und nicht die noch später eintreffenden Signale ausgewertet werden.
18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß zur Sicherstellung, daß nur der erste reflektierende Impuls ausgewertet wird, ein NAND-Normalgatter (G 2) vorgesehen ist, über das eine negativ flankengetriggerte Kippstufe (K2) mit der vom Schmitt-Trigger (R) abgegebenen Spannung (U7) gesetzt wird, wobei die Sendeimpulse (U1, U2) als Rückstellsignal dienen.
19. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der Kippstufe (K2) über eine logische NAND-Verknüpfung (G3) weitere eventuell folgende Steuerimpulse (U7) blockiert, die von entfernteren Objekten reflektiert werden.

Bei Fernseh-Personenaufnahmen ist es wichtig, daß die betreffende Person entweder sich selbst richtig ins Aufnahmefeld setzt oder die Kamera manuell oder ferngesteuert nachgeführt wird. Während bei Studioaufnahmen im allgemeinen ein besonders ausgebildeter Operator die optimale Kameraausrichtung sicherstellt, muß beim Fernsehtelefon der Sprecher selbst, und zwar im allgemeinen durch Handbedienung, das Gerät schwenken bzw. seitlich drehen.

Diese Einstellung ist zuweilen umständlich und zeitraubend und erfordert eine häufige Kontrolle der Positionierung am Monitorschirm, in dem auf Eigenbild geschaltet wird. Nachdem bei einem Fernsehtelefon meist das Bild des anderen Partners eingeschaltet ist und damit die Eigenbildkontrolle fehlt, kann es leicht vorkommen, daß der Sprecher sich ungünstig oder gar außerhalb des Aufnahmefeldes befindet. Bei Personen unterschiedlicher Größe ist insbesondere eine häufige Neujustierung erforderlich.

Bei einem bekannten Gerät (US-Patentschrift 31 16 365) ist eine Positionierungs-Hilfsvorrichtung durch eine im Inneren des Gerätes angeordnete Lichtquelle, eine eine Blende bildende Öffnung und eine in der Gerätewand angeordnete ringförmige Blende gebildet. Der Teilnehmer befindet sich dann in der richtigen Position für die Aufnahmeeinrichtung, wenn seine beiden Augen sich im Bereich des durch die Blende in der Wand des Gerätes geschaffenen dunkleren, mittleren Bereiches befinden, der von einem hellen Ring umgeben ist. Verläßt der Teilnehmer die erwähnte Stellung, so wird die Lichtquelle während der Bewegung durch einen Bereich geringerer Breite für ihn sichtbar.

Ein weiteres bekanntes Gerät dieser Art (US-Patentschrift 28 95 005) weist zu diesem Zweck einen an einem Stab verschiebbaren Ring auf, der von der Bildröhre angeordnet ist. Der Ring soll so eingestellt werden, daß sich der Benutzer des Gerätes nur dann in der richtigen Aufnahmeposition befindet, wenn er die zu empfangende Bildinformation durch den Ring hindurch aufnimmt.

Bei diesen bekannten Geräten ist es möglich, die zu empfangende Bildinformation von einer Stelle zu betrachten, an der keine Aufnahme des Benutzers und also auch keine Weitergabe seines Bildes erfolgt. Gerade dieser Umstand hat sich jedoch beim praktischen Betrieb eines solchen Gerätes als nachteilig herausgestellt, da das Auffinden der richtigen Position in Folge der auch aus anderen Positionen erkennbaren Bildwiedergabe häufig längere Zeit benötigt, insbesondere dann, wenn ein solches Gerät in einer öffentlichen Sprechstelle einer Vielzahl von Teilnehmern zugänglich ist, was sich insbesondere wegen der Gesprächskosten für die Teilnehmer nachteilig auswirken kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die angegebenen Nachteile zu vermeiden und mit einfachen Mitteln eine Anordnung zur automatischen Objektnachführung von Fernsehkameras, insbesondere Fernsehkameras für Bildfernsprecher, zu schaffen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zum automatischen Ausrichten der Kamera auf ein sich in einem gewissen Mindestabstand im Aufnahmefeld befindliches Objekt, z. B. eine Person, eine Ultraschallsende- und Empfangseinrichtung für je zwei Schallkeulen zur Lagepositionierung in horizontaler und vertikaler Richtung und Auswerteinrichtungen für die Empfangssignale vorgesehen sind. Auf diese Weise wird eine Objektnachführung erreicht, ohne daß z. B. der Gesprächspartner bei Fernsehkameras für Bildfernsprecher ständig gezwungen ist, das Bild zu betrachten, um dadurch seine Lage dauernd zu korrigieren. Die Lösung nach der Erfindung ermöglicht aber auch eine Nachführung einer Fernsehkamera bei beweglichen Objekten in tZberwachungseinrichtungen, z. B. bei Fließbandarbeit.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird von der Ultraschallsendeeinrichtung nach jedem Impulspaar der Schallkeulen für die horizontale Lageregelung ein entsprechendes Impulspaar der Schallkeulen für die vertikale Positionierung gesendet. Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß die Positionierungshilfe in einem Gerät untergebracht ist und praktisch eine kontinuierliche Ausrichtung der Kamera auf das Objekt in horizontaler und vertikaler Richtung erfolgt.

Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist als Ultraschallgeber vorzugsweise ein piezoelektrischer Wandler vorgesehen. Der Einsatz eines derartigen Wandlers bietet den Vorteil eines einfachen Aufbaues und darüberhinaus eines guten Wirkungsgrades.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Figuren und der dazugehörenden Beschreibung. Die Erfindung wird an Hand der Figuren erläutert. Es zeigt Fig. 1 ein Übersichtsbild in schematischer Darstellung, F i g. 2 ein Impulsdiagramm, Fig. 3 ein Blockschaltbild mit den Auswerteeinrichtungen für die reflektierten Signale und Fig.4 ein Blockschaltbild für ein Ausführungsbeispiel zur Sicherstellung, daß jeweils nur der erste reflektierte Impuls ausgewertet wird.

In der F i g. 1 ist in der Seiten- und Draufsicht jeweils eine Kamera gegenüber einem Kopf im Profil und in der Draufsicht dargestellt. Mit Vi, V2 sind die Schallkeulen für die vertikale Lageregelung und mit H1, H2 die Schallkeulen für die horizontale Positionierung einer Fernsehkamera dargestellt.