DE3306452A1

DE3306452A1 - Sichtsimulator

Info

Publication number: DE3306452A1
Application number: DE19833306452
Authority: DE
Inventors: Max-Helmut Dipl.-Phys. Dr. 2000 Hamburg Dressler; Gregor Federau
Original assignee: Schaefter & Kirchhoff
Current assignee: Schaefter & Kirchhoff
Priority date: 1983-02-24
Filing date: 1983-02-24
Publication date: 1984-08-30

Description

S I C H T S I M U L A T O R
Die Erfindung betrifft einen Sichtsimulator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Sichtsimulatoren sind Anordnungen zur Simulation der Umgebungssicht bei Schiffs-, Flug- oder Fahrsimulatoren, wie sie zur Schulung von Schiffs-, Flugzeug- oder Fahrzeugführern (im folgenden Text Schüler genannt) benutzt werden. Mit ihrer Hilfe lassen sich Manöver um so wirklichkeitsnäher durchführen, je realistischer das räumliche Übungsgebiet bildlich dargestellt wird und je besser das dargestellte Bild den Steuerkommandos des Schülers folgt.
Bei einer Echtzeitdarstellung stimmt der visuelle Eindruck mit der realen Zeit überein.
Sichtsimulatoren bekannter Bauart arbeiten beispielsweise mit projizierten Ringbildern oder Rundsichtbildern von Modell len auf fotografischem Film (DT-O& 2554972, DT-OS 26587so), die archiviert und mit Markierungen zur Bezeichnung des Aufnahmeortes versehen sind und entsprechend den Steuerkommandos des Schülers mittels eines Rechners bewegt und ausgewechselt werden; oder sie benutzen von Rechnern erzeugte und aufgrund der Steuerkommandos bewegte Fernsehbilder (DE-OS 3033742 Al).
Solche rechner-erzeugten Bilder sind nur mit einem hohen Proqrammieraufwand auf ein neues Manövergebiet umzustellen, insbesondere bei 360°-Darstellung. Außerdem ist die Zahl der in Echtzeit darstellbaren Objekte begrenzt.
Fotoqrafisch erzeugte Bilder erfordern einen großen Archivierungs- und Transportaufwand, um der Umgebungssicht aus der Position des simulierten Fahrzeugs zu entsprechen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein- oder mehrfarbige 3600-Panorama-Fernsehbilder von Modellen der Manövergebiete zu liefern, die zur Zeit der Aufnahme verfügbar sind (Echtzeit-Darstellung) und die auf einfache Weise stets der Umgebungssicht aus der Position des simulierten Fahrzeugs entsprechen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine rotierende Zeilenkamera (unsere Deutsche Patentanmeldung Nr.
P 3223 971.8 "Fernsehkamera für digitale On-line-Bildauswertung") in einem Modell des Manövergebietes allseits beweglich angeordnet ist und aufgrund der Steuerkommandos des Schülers im Modell bewegt wird. Der Steuerstand kann räumlich sehr weit entfernt sein, und die Steuerkommandos können auch drahtlos übertragen werden.
Die Zeilenkamera rotiert dabei um eine Achse senkrecht zur Blickebene, die im Normalfall die Horizontebene ist. Für mehrfarbige Darstellungen sind drei lichtempfindliche Zeilensensoren hinter einem Farbteiler angeordnet; sie werden im Gegenstandsbereich (Modell) parallel zur Rotationsachse der Kamera abgebildet und erzeugen bei der Rotation in an sich bekannter Weise ein elektronisches 360°-Bild des Modells, dessen Bildzeilen ebenfalls parallel zur Rotationsachse der Kamera stehen.
Das Bildsignal wird über eine mehrkanalige optische Drehkupplung auf den feststehenden Teil der Kamera und von dort aus in an sich bekannter Weise auf einen Pufferspeicher und von dort in mehrere Bildwiederholspeicher übertragen. Jeder dieser Speicher entspricht einem bestimmten Sektor des Bildes; dementsprechend werden die Bildzeilen auf die Speicher verteilt.
Jeder Speicher besteht in an sich bekannter Weise aus zwei Bereichen, von denen der eine zur Darstellung eines fertig eingeschriebenen Bildsektors dient und der andere die neuen Bildzeilen aus dem Pufferspeicher übernimmt. Wenn die Übernahme für einen Sektor oder das ganze Panoramabild abgeschlossen ist, werden die Funktionen der beiden Speicherbereiche vertauscht. Die hierfür nötige Zeit ist die Bildwechselzeit, Die Kamera und die Speicher können räumlich sehr weit entfernt sein, und das-Bildsignal kann auch drahtlos übertragen werden.
Den Bildwiederholspeichern sind Fernseh-Monitore oder Fernseh-Projektoren mit einer zylinderringförmigen Bildwand zugeordnet.
Ihre Zahl richtet sich nach der Zahl der Sektoren, die dargestellt werden sollen. Dadurch, daß die Bildzeilen parallel zur Sektorengrenzeiverlaufen, lassen sich die Bildsektoren in einfacher Weise bis zum vollständigen 3600-Panoramabild aneinanderreihen. Eine der Bildzeilen wird der Voraus-Blickrichtung zugeordnet. Durch Umnumerierung der Zeilennummern in den Bild speichern kann die Voraus-Blickrichtung geändert werden; dadurch wird eine Fahrzeugdrehung simuliert.
Dem dargestellten Panoramabild können nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung in an sich bekannter Weise weitere Fernsehbilder elektronisch zugemischt werden. Diese Zusatzbilder können andere Fahrzeuge, Wolken oder sonstige Darstellungen enthalten.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Sichtsimulator für Fahrsimulatoren mit einer Betriebsschaltung zur elektronischen Rückspiegel-Einblendung versehen; diese arbeitet auf folgende Weise: Für die Vorwärtssicht wird nur ein Bildwinkel von höchstens 1800 benötigt; das Bild der Rückwärtssicht kann während der restlichen 180 0-Rotationsbewegung der Kamera erzeugt und in einen Teilbereich des Bildes der Vorwärtssicht elektronisch eingeblendet werden. Zum Ausgleich der veränderten Position des Perspektivzentrums für die Rückwärtssicht (stets seitlich oder oberhalb der Position für Vorwärtssicht) sind optische Elemente wie Keilplatten oder Planparallelplatten im rückwärtigen Gegenstandsbereich angeordnet.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die simulierte Umgebungssicht ohne Archiv-und Transportaufwand für Bildmaterial unmittelbar den Steuerkommandos vom Fahrzeugführerstand folgt. Ein Wechsel des Manövergebietes ist durch Auswechseln des Modells in einfacher Weise möglich. Das Modell mit der Kamera und die Bildmischeinrichtungen einerseits und der Simulator mit Steuerstand und Bilddarstellung andererseits können räumlich weit entfernt sein, so daß mit einer Modellanlage mit Bildmischeinrichtung (z.B. ein bestehendes Fernsehstudio) mehrere entfernt stehende Simulatoren betrieben werden können. Daraus ergibt sich für die Betreiber von Simulatoren ein Kostenvorteil, indem sie die Modellanlage z.B. nur für die Zeit der Simulation mieten.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben; Es zeigen Fig. 1 die allseits bewegliche rotierende Zeilenkamera zusammen mit drei verschiedenen Modellen.
Fig. 2 das Blockschaltbild des Sichtsimulators, aufgeteilt in die Bilderzeugung mit einer Kamera und einem Modell nach Fig. 1 (unten) und.die Bildwiedergabe (oben).
Fig. 3 die verschiedenen Blicklinien eines Fahrzeugführers (z.B. Autofahrers) bei Vorwärtssicht und bei Rückwärtssicht durch Rückspiegel.
Fig. 4 die Simulation der seitlichen Versetzung der Blicklinien des Sichtsimulators bei Rückwärtssicht nach Fig. 3 durch optische Elemente wie Keilplatten und Planparallelplatten.
Fig. 1 zeigt schematisch, wie die allseits bewegliche Kamera (1) mit ihrem rotierenden Aufnahmekopf (2) über einer Modellszene (3a, b oder c) angeordnet ist. Der Aufnahmekopf rotiert ständig um die Kamera-Längsachse und tastet dabei die Modellszene in Richtung des dargestellten Pfeils (4) ab, so daß ein 3600-Panoramabild entsteht. Die Modellszenen (3) stellen beispielsweise dar: (3a) eine Hafeneinfahrt, (3b) einen Flugplatz, (3c) eine Fahrstrecke.
Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild der Betriebsschaltung des Sichtsimulators für mehrfarbige Darstellung (Ausführungsform mit getrennten Rot-, Grün- und Blausignalen) und gibt an, wie die Kamera und das Modell nach Fig. 1 einen Teil (10) des gesamten Sichtsimulators bilden. Der untere Teil von Fig.2 umfaßt die Bilderzeugung, der obere Teil die Bildwiedergabe.
Bilderzeugung und Bildwiedergabe können räumlich voneinander getrennt sein und durch Kabel oder Funkübertragungsstrecken miteinander Signale austauschen.
Im einzelnen ist (11) ein Analog/Digital-Wandler zur Umsetzung der von der Kamera (1 ) erzeugten drei -analogen Videosignale für Rot, Grün und Blau (R, G, B) in zur digitalen Speicherung geeignete Signale. Der Analog/Digital-Wand 1er (11) kann auch Teil der Kamera sein, so daß über die nlvcht dargestellte optische Drehkupplung derK Kamera nicht analoge, sondern digitale Videosignale übertraaen werden. (12) ist ein Pufferspeicher, in den die digitalen Videosiqnale im Takt der von der Kamera (1) erzeugten Zeilenanfangsimpulse Zeilen weise eingeschrieben werden. Sie werden in einem für die Übertragung und weitere Verarbeitung geeigneten Takt in einen Übertragungsverstärker (13) übernommen und über Kabel oder Funk zum Eingangsverstärker (14) der Bildwiedergabe übertragen. Von dort gelangen die digitalen Videosignale in mehrere Bildwiederholspeicher (15), von denen drei dargestellt sind. Die Signale werden zeilenweise in einen der beiden Teilspeicher I oder II eingeschrieben, bis der Teilspeicher voll ist. Dann wird der Inhalt des betreffenden Teilspeichers mit einem für die Wiedergabe auf einem Fernseh-Monitor oder mit einem Fernseh-Projektor geeigneten Takt über einen zugeordneten Digital/Analog-Wandler (16) als R,G,B-Signal auf einen zugeordneten Fernseh-Monitor oder FernseM>rojektor (17) gegeben.
Jeder dieser Projektoren bildet einen Sektor der Modellszene (3) auf einen entsprechenden Sektor des Projektionsschirms (18) ab. Die Zeilen des Bildes verlaufen parallel zu den Sektorengrenzen (19).
Zum Panoramabild von der Modellszene (3) können über eine Mischstufe (20) Zusatzbilder mit Wolken, anderen Fahrzeugen usw. aus einem Bildarchiv (21) zugemischt werden. Die Zusatzbilder werden vom Steuerstand (22) des Simulators aus mittels Kabel- oder Funksignalen ausgewählt. Am Steuerstand (22) werden auch die Steuerkommandos für einen nicht dargestellten Bewegungssimulator und für den Antrieb der Panorama-Kamera (1) in der Modellszene (3) erzeugt und über Kabel oder Funk auf die Antriebssteuerung (23) der Kamera derart übertragen, daß die Bewegungen der Kamera in der Modellszene den simulierten Bewegungen des simulierten Fahrzeugs entsprechen.
Fig. 3 zeigt für die spezielle Anwendung des Sichtsimulators in Verbindung mit einem Fahrsimulator die seitliche Versetzung der Blicklinien bei Rückwärtssicht durch Rückspiegel.
Bei Vorwärtssicht geht die Blicklinie (30) durch den Kopf (31) des Fahrzeugführers. Bei Rückwärtssicht durch einen Außenspiegel (32) oder einen Innenspiegel (33) sind die Blicklinien seitlich versetzt (34) oder versetzt und um einen bestimmten Winkel a gegen die Fahrzeugachse (35) geneigt (36).
Fig. 4 zeigt die Simulation dieser Versetzungen und Neigungen durch optische Elemente wie Keilplatten (40) oder Planparallelplatten (41) oder beides. Diese Elemente behindern nicht die freie Vorwärtssicht (42), für die höchstens ein Winkel von 1800 um den Kamerakopf (43) benötigt wird.
Die Zahl der Projektoren/Monitore und die Bildwechselzeit können auf folgende Weise berechnet werden: Die Auflösung in horizontaler Richtung des Sichtschirms möge der Sehschärfe des Normalbeobachters (mit Visus 1,0) entsprechen, d.h. ca. 30 Linien/Sehwinkelgrad. Zur Darstellung von 30 Paaren von hellen und dunklen Linien sind mindestens 60 Bildzeilen erforderlich. Wenn jeder Fernseh-Monitor oder Fernseh-Projektor n Zeilen pro Bild darstellt, werden also für den Sehwinkel etc] e x 60 p = x 60 Projektoren/Monitore benötigt.
n Beispielsweise werden bei Anwendung der CCIR-Norm mit n = 625 Zeilen/Bild für einen Bildwinkel e von 3600 360 x 60 P = 3 625 = 34,56 Projektoren/Monitore benötigt.
Zweckmäßigerweise wird n kleiner gewählt, so daß p ganzzahlig wird, etwa p = 36: n = 360 36x 60 = 600 Zeilen pro Bild.
Damit ist jedem Pnoj ek tor/Monitor ein Sektor von 1 O ugoranet.
Die Bildwechselzeit #t ist die kürzeste Zeit, in der die Kamera eine 3600-Drehung macht. Sie bleibt im Normalfall (bei gleichförmiger Rotation der Kamera) konstant. Sie ist gegeben durch die Gesamtzahl z der Bildzeilen für 3600, die höchste Auslesefrequenz f eines Zeilensensors und die Zahl e der Sensormax elemente eines Zeilensensors: = zxe max[sec] Mit z = 360 x 60 und e = 512 (übliche Fernsehauflösung längs einer Zeile) und einer üblichen Frequenz f von 20 MH£ ist max die Bildwechselzeit 21.600 x 512 At = = 0,55 sec 20 x 106 - Leerseite -

Claims

5 ICHTS IMU LATOR Patentansprüche 9 Sichtsimulator zur Simulation der Umgebungssicht für einen Schiffs-, Flug- oder Fahrsimulator mit Fernsehprojektoren (17) und Sichtschirm (18) oder Fernsehmonitoren, auf denen für einen auf dem Steuerstand (22) des-Simulators befindlichen Beobachter eine Rundsicht simulierbar ist, dadurch g e k e n nz e i c h n e t , daß a) in einem Modell (3) des Operationsgebietes eine Zeilenkamera (1) mit rotierendem Kamerakopf (2) allseits beweglich angeordnet ist, b) eine Betriebsschaltung vorhanden ist, die die Fernsehsignale zwischenspeichert, an einen anderen Ort überträgt und auf Wiedergabeeinrichtungen (17, 18) ausgibt, c) die Wiedergabeeinrichtungen (17, 18) eine Darstellung des Fernsehbildes bis zu 3600 gestatten, d) die Bewegungen der Zeilenkamera (1) im Modell (3) durch Kommandos vom Steuerstand (22) des Simulators gesteuert werden.
2. Sichtsimulator nach Anspruch 1, dadurch g e k e n nz e i c h n e t , dafl die Zeilenkamera (1) mit rotierendem Kamerakopf (2) in an sich bekannter Weise bis zu drei hinter einem Farbteiler angeordnete Zeilensensoren enthält, die elektrische Fernsehsignale für eine oder mehrere Farben erzeugen, mit denen ein Panoramabild der Modellszene (3) mit einem Bildwinkel von bis zu 360° dargestellt werden kann.
3. Sichtsimulator nach Anspruch 1 und 2, dadurch g e k e n nz e i c h n e t , daß die elektrischen Fernsehsignale für eine oder mehrere Farben mittels einer Betriebsschaltung in einem Analog/Digital-Wandler (11) in an sich bekannter Weise in zur digitalen Speicherung geeignete Signale umgesetzt, in einen Pufferspeicher (12) eingeschrieben, in einen Übertragungsverstärker (13) Ubernommen und über Kabel oder Funk auf einen Eingangsverstärker (14) übertragen werden.
4. Sichtsimulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die digitalen Fernsehsignale zeilenweise in mehrere aus zwei Teilspeichern I und II bestehende Bildwiederholspeicher (15) eingeschrieben werden, die jeder einem Sektor der Modellszene (3) zugeordnet sind, und die insgesamt ein Panoramabild mit bis zu 3600 Bildwinkel speichern können, wobei die Sektorengrenzen (19) zwischen aufeinanderfolgenden Zeilen verlaufen.
5. Sichtsimulator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Inhalt eines vollgeschriebenen Teil-Bildwiederholspeichers (15) in an sich bekannter Weise über einen Digital/Analog-Wandler (16) als Rot-, Grün-, Blau-Fernsehsignal auf einen Fernseh-Monitor oder einen Fernseh-Projektor (17) mit Sichtschirm (18) gegeben wird und daß dann die entsprechenden Zeilen des nächsten Panoramabildes in den jeweils anderen Teil-Bildwiederholspeicher (15) eingeschrieben werden, bis dieser auch vollgeschrieben ist und sich der Vorgang wiederholt.
6. Sichtsimulator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Farb-Fernsehsignal von der Zeilenkamera (1) und zu den Fernsehprojektoren (17) in an sich bekannter Weise auch anders als aus Rot-, Grün-, Blau-Signalen zusammengesetzt sein kann, beispielsweise aus Chrominanz- und Luminanz-Signal.
7. Sichtsimulator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß dem Panoramabild in an sich bekannter Weise Zusatzbilder aus einem Bildarchiv (21) über eine Mischstufe (20) zugemischt werden können und das Zumischen vom Steuerstand (22) aus über Kabel oder Funk gesteuert werden kann.
8. Sichtsimulator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß vom Steuerstand (22) in an sich bekannter Weise Steuerkommandos über Kabel oder Funk auf die Antriebssteuerung (23) der Zeilenkamera (1) gegeben werden, so daß die Bewegung der Zeilenkamera (1) in der Modellszene (3) den Bewegungen des simulierten Fahrzeugs entsprechen und daß das Perspektivzentrum der Zeilenkamera (1) in der Modellszene (3) dem Perspektivzentrum des Beobachters in dem simulierten Fahrzeug entspricht.
9. Sichtsimulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Simulation der Rückwärtssicht bei einem Fahrsimulator optische Elemente wie Keilplatten (40) oder Planparallelplatten (41) oder Kombinationen aus diesen im Gegenstandsbereich derart angeordsind, daß daß seitliche Versetzungen und Neigungen der Blicklinien (34, 36) gegenüber der Vorwärts-Blicklinie (30) bzw.

der Fahrzeuglängsachse (35) simuliert werden können, ohne die Vorwärtssicht zu stören.