DE60026504T2

DE60026504T2 - Kamerasystem und anzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE60026504T2
Application number: DE60026504T
Authority: DE
Inventors: c/o Teknillinen Korkeakoulu Hannu SAARELMA
Original assignee: Teknillinen Korkeakoulu
Current assignee: Xylon LLC
Priority date: 1999-05-11
Filing date: 2000-05-10
Publication date: 2006-11-02
Anticipated expiration: 2020-05-11
Also published as: DE60026504D1; EP1181624B1; WO2000072089A1; FI991086A0; AU4408900A; JP4781537B2; JP2003500696A; US7176968B1; EP1181624A1; ATE320024T1; FI991086A; FI114244B

Description

Die Erfindung betrifft ein Kamerasystem gemäß Definition im Oberbegriff von Anspruch 1.
Die Fotografie wurde im frühen 19. Jahrhundert erfunden. Ziemlich bald kristallisierten sich aus dem Spektrum lichtempfindlicher Materialien Silberhalogenide (AgBr, AgCl) heraus, da diese Materialien, so hatte man herausgefunden, bei Dispersion in Gelatine lichtempfindlich waren. Die Dispersion wurde auf einer Glasplatte verteilt, die die fotoempfindliche Projektionsfläche der Kamera bildete. Die Glasplatte war eine ebene Platte, und es wurde ein optisches System entwickelt, das das Bild auf die Platte fokussierte, wobei die Blenden sogar kleiner als eine Nadelspitze waren.
Auf die Glasplatte folgte der Film, der Film wurde vom Vidikon abgelöst, und dem Vidikon schloss sich die Digitalmatrix an. Gleichwohl ist die Bildfläche nach wie vor eine Ebene, und zwar sowohl bei Kameras für Standbilder wie auch bei Kameras für Bewegtbilder. Bei azimuthaler Projektion ist die Beleuchtung der Projektionsfläche proportional zum Quadrat des Ablenkungswinkels gemäß Messung von der optischen Achse aus. I = (Lcos4φ)/4f(1 + m)2
Hierbei bezeichnen I die Intensität in der Bildebene, L die Luminanz am Target, φ den Winkel des Radius zwischen dem im Brennpunkt befindlichen Ursprung und der optischen Achse, f die Blendenzahl und m einen Umwandlungsfaktor.
Insbesondere bei Weitwinkeloptiken treten Probleme hinsichtlich der Gleichmäßigkeit der Beleuchtung des Bildbereiches auf. Darüber hinaus sind Weitwinkelbilder mit einem Winkelfeld des Objektivs beziehungsweise der Linse von mehr als 100° ohne merkliche Verzerrung gerader Linien schwierig zu erreichen.
Die Druckschrift DE 195 32 119 A1 , die dem Oberbegriff von Anspruch 1 entspricht, offenbart eine Vorrichtung, die mit Hilfe einer Objektivlinse ein Bild eines Objektes erzeugen soll, das in einer Ebene parallel zur Ebene der Objektivlinse gelegen ist. Das Bild wird auf einer lichtempfindlichen Fläche gebildet, die an der Rückseite des Gehäuses angebracht ist und die gleichmäßig bemessene und beabstandete CCD-Sensoren aufweist. Die Objektivlinse ist an der Vorderseite des Gehäuses angebracht und kann einfach oder zusammengesetzt sein. An der hinteren oder rückwärtigen Seite des Gehäuses befindet sich eine Kassette mit der lichtempfindlichen Fläche in Form eines Halbrohres. Die lichtempfindliche Fläche kann auch sphärisch sein. Das Halbrohr kann entlang seiner Achse bewegt werden, um Verzerrungen zu verringern.
Die Druckschrift FR2741960 offenbart ein System, das eine Kamera umfasst, die vom fotografischen oder fernsehtechnischen Typ sein kann. Ein Objektivlinsensystem umfasst eine erste Eingabelinse, die entweder plan-konvex oder vom Doublettyp ist. Eine optische Vollkugel aus transparentem Material oder eine sphärische Linse wird anschließend hinter die erste Linse gebracht. Dieser schließt sich eine Reihe von Linsen an, die eine plan-konkave und eine plan-konvexe Linse umfassen. Eine lichtdurchlässiger Schirm, der eine Fresnel-Linse an seiner Rückseite umfasst, ist in der halbkugelförmigen Durchmesserebene eines transparenten hohlen Empfängers desselben Durchmessers als Schirm angeordnet. Das Bild, das von der Kamera erzeugt wird, kann auf einem kinematografischen Film aufgezeichnet oder auf einem im Inneren der Videokamera angeordneten fotoempfindlichen Medium erzeugt werden.
Die Druckschrift EP 0 458 463 A1 offenbart ein nichtlineares Projektionssystem, das ein nichtlineares holografisches optisches Element (HOE) veränderlicher Schärfe sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung des HOE aufweist. Das Projektionssystem umfasst einen Computer, ein Lichtventil, das von dem Computer erzeugte Bilder projiziert, eine Linsenanordnung zum Fokussieren der von dem Lichtventil erzeugten Bilder, ein HOE für die nichtlineare Brechung der fokussierten Bilder und einen halbsphärischen Sichtschirm. Das System verfügt darüber hinaus über Mittel, die dafür konzipiert sind, die Mitte der projizierten Bilder in Ausrichtung mit der Mitte des Sichtfeldes eines Beobachters zu halten. Die von dem System erzeugte Veränderung der Pixelgröße und des Pixelabstandes entspricht der Veränderung der Sehschärfe eines menschlichen Beobachters, weshalb sich eine realitätsnahe Ansicht ergibt, wobei nur ein Minimum an Computerdaten erzeugt und projiziert werden muss. Die Vorrichtung zum Erzeugen des HOE bedient sich eines Laserstrahls, dreier Linsenanordnungen und eines holografischen Aufzeichnungsmediums. Offenbart ist darüber hinaus ein Verfahren zur Verwendung der Vorrichtung zur Aufzeichnung des HOE über einen großen Teil seines Flächenbereiches.
Im Stand der Technik werden beide vorbeschriebenen Fehler mittels digitaler Bildverarbeitung berichtigt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die vorgenannten Nachteile zu überwinden.
Eine besondere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Kamerasystem und eine entsprechende Anzeigevorrichtung zu offenbaren, durch die es möglich wird, ein Weitwinkelbild zu erzeugen, bei dem die Belichtung im gesamten Bildbereich gleichmäßig ist und bei dem keine Verzerrung von Linien im Bildbereich auftritt.
Mit Blick auf die für die Kamera und die Anzeigevorrichtung der Erfindung charakteristischen Merkmale wird auf die Ansprüche verwiesen.
Das Kamerasystem der Erfindung umfasst eine Kamera, die mit einem optischen System und einer fotoempfindlichen Bildfläche ausgestattet ist, die in der Nähe des optischen Systems symmetrisch relativ zu dessen optischer Achse angeordnet ist, wobei das von der Optik gebrochene Bild des Targets auf die Bildfläche projiziert wird.
Die fotoempfindliche Bildfläche ist eine konkave sphärische Fläche, deren Krümmungsmittelpunkt am Brennpunkt der Optik befindlich ist. Die erfindungsgemäße Kamera projiziert das Bild auf die konkave bezüglich des Brennpunktes mittige sphärische Fläche, die als Lichtdetektor wirkt und aus lichtempfindlichen Erfassungselementen bestehen kann. Erfindungsgemäß sind die Erfassungselemente derart auf der Bildfläche angeordnet, dass ihre Dichte auf der Hauptachse maximal ist und sich von der Hauptachse weg zu den Randzonen hin verringert.
Das erfindungsgemäße Kamerasystem zeigt keine Anisotropie oder geometrischen Verzerrung, die für herkömmliche fotografische Techniken typisch ist. Die Erfindung ermöglicht es, verschiedene Brennweiten bis hin zu einem Beobachtungswinkel von 180° zu implementieren.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass bei Verwendung einer normalen Brennweite mit einem Winkelfeld der Linse von 60° der Kosinusfehler vermieden wird. Daher ist die Isotropie des Bildes bezüglich der Beleuchtung merklich besser als bei Kameras aus dem Stand der Technik. Dies ist bei verschiedenen Bildanalyseanwendungen wichtig, bei denen die Reflexionsdichte und Reflexionsfarbe als Basis zur Herstellung von Interferenzen um das zu analysierende Target herum verwendet werden.
Werden kurze Brennweiten (mit einem Aufzeichnungswinkel von bis zu 180°) verwendet, so weist die Erfindung den Vorteil auf, dass geometrische Verzerrungen, die für gegenwärtig geläufige optische Systeme typisch sind, beseitigt werden. Sollen Bilder unter Verwendung herkömmlicher ebener Anzeigeflächen ausgedruckt und/oder angezeigt werden, so können geeignete rechteckige unverzerrte Bereiche mittels geeigneter Software von dem Bild abgeschnitten werden. Wird eine erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung verwendet, bei der die Anzeigefläche eine konkave sphärische Fläche ist, so treten keine geometrischen Verzerrungen auf.
Werden große Brennweiten verwendet, so wird der optische Effekt, der die Relativabstände verkürzt, beseitigt.
Im optischen Sinne ist die Projektion eines Bildes auf eine sphärische Fläche eine weniger anspruchsvolle Aufgabe als die herkömmliche Planarprojektion. Daher sind die Kosten bei der Herstellung aberrationsfreier optischer Geräte mit Blick auf das System der vorliegenden Erfindung niedriger, als dies bei herkömmlichen optischen Systemen der Fall ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel des Kamerasystems umfasst die fotoempfindliche Bildfläche eine Matrix mit einzelnen lichtempfindlichen Erfassungselementen, so beispielsweise CCD-Elementen.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Kamerasystems liegt die Anzahl der Erfassungselemente in der Größenordnung von 100000 oder mehr.
Bei einem Ausführungsbeispiel des Kamerasystems wird die Anzahl der Erfassungselemente derart gewählt, dass zum Erreichen einer annehmbaren Bildqualität die Anzahl in der Größenordnung von 10⁴ bis 3 × 10⁴, zum Erreichen einer guten Bildqualität die Anzahl in der Größenordnung von 10⁶ bis 2 × 10⁶ und zum Erreichen einer perfekten Bildqualität die Anzahl in der Größenordnung von 10⁸ liegt.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Kamerasystems entspricht die Dichteverteilung der Erfassungselemente auf der Bildfläche der nachfolgenden Funktion.
Hierbei bezeichnen I₀ die Dichte der Erfassungselemente am Ursprung (auf der Hauptachse), I(r) die lokale Dichte der Erfassungselemente beim Radius r vom Ursprung aus und a einen Skalierungsfaktor.
Bei einem Ausführungsbeispiel des Kamerasystems sind die Erfassungselemente im hochauflösenden Bereich in der Nähe der optischen Achse derart angeordnet, dass die von dem optischen System erzeugte Punktverteilungsfunktion (PSF point spread function) eine Integration über mehrere Erfassungselemente vornimmt, wodurch der Aliasing-Effekt verhindert wird.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel des Kamerasystems ist das optische System von einem Typ, bei dem eine so genannte normale Brennweite zum Einsatz kommt, und bei dem die Bildfläche eine sphärische Kalotte mit einem Aufzeichnungswinkel (α) in der Größenordnung von 60° ist, wobei die Kamera einen Verschluss umfasst, der zwischen dem optischen System und der Bildfläche angeordnet und mit einer verstellbaren Blende versehen ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel des Kamerasystems liegt der Aufzeichnungswinkel der Bildfläche bei 180° oder weniger.
Bei einem Ausführungsbeispiel des Kamerasystems umfasst das optische System eine Linse mit kurzer Brennweite, eine so genannte Fischaugenlinse (fish eye lens), wobei die Bildfläche von Halbkugelform ist und der Aufzeichnungswinkel bei 180° liegt, weshalb die Kamera vom Halbraumaufzeichnungstyp ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel des Kamerasystems ist die Kamera eine Digitalkamera, die eine Einrichtung zur Digitalisierung von den Erfassungselementen empfangener Signale und eine Einrichtung zur Übertragung der Digitalbilder an einen Computer umfasst. Das Bild kann in digitaler Form verarbeitet, übertragen und ausgedruckt werden. Die Bilder können unter Verwendung einer sphärischen Flächenanzeige gemäß vorstehender Erläuterung oder mittels herkömmlicher Anzeigevorrichtungen angezeigt werden. Sie können darüber hinaus in unverzerrter Form unter Verwendung von Bilddruckern auf Papier ausgedruckt werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel des Kamerasystems ist die Kamera von einem Typ, der zur Aufzeichnung von Bewegtbildern konzipiert ist.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Kamerasystems ist die Kamera von einem Typ, der zur Aufzeichnung von Standbildern konzipiert ist.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel des Kamerasystems ist die Kamera eine Überwachungskamera.
Bei einem Ausführungsbeispiel des Kamerasystems umfasst das System zwei Halbraumaufzeichnungskameras, die derart in entgegengesetzte Richtungen gerichtet sind, dass sie den ganzen Raum aufzeichnen.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel des Kamerasystems umfasst das System zwei benachbarte Halbraumaufzeichnungskameras, die derart in die gleiche Richtung gerichtet sind, dass sie ein räumliches Bild beziehungsweise Stereobild des Halbraumes aufzuzeichnen.
Kameras, die entsprechend der vorliegenden Erfindung gebaut sind, sind für den Einsatz in robotischen Anwendungen mit Sehvermögen hervorragend geeignet. Da keinerlei Linienverzerrungen auftreten, wird eine entsprechende rechentechnische Berichtigung vermieden. Da keine strukturellen Beleuchtungsunterschiede zwischen der optischen Achse und den Randbildbereichen vorhanden sind, erzeugt die interpretierende Verarbeitung genauere Ergebnisse, als dies bei der Verwendung herkömmlicher Kameras der Fall ist. Kameras, die erfindungsgemäß gebaut sind, sind auch sehr gut in Simulatoren einsetzbar, in denen Reize für das gesamte Sehfeld künstlich erzeugt werden (so beispielsweise in Flugsimulatoren). Auf ähnliche Weise wird es möglich, Unterhaltungs- oder Computerspielmaterialien herzustellen, die einer Person den Eindruck vermitteln, sie sei tatsächlich in der von der Kamera fotografierten und auf der sphärischen Anzeige wiedergegebenen Umgebung anwesend. Durch Verwendung eines Paares benachbarter Kameras wird es möglich, eine dreidimensionale Darstellung zu erzeugen, die das gesamte Sehfeld ausfüllt.
Nachfolgend wird die Erfindung detailliert anhand einiger Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben, die sich wie folgt zusammensetzt.
1 ist ein Strukturdiagramm eines ersten Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Kamerasystems.
2 ist ein Strukturdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Kamerasystems.
3 ist ein Diagramm, das die Verhinderung von Aliasing-Effekten mittels eines optischen Systems an Punkten darstellt, an denen die Dichte der Bildelemente maximal ist.
4 ist ein Diagramm, das eine Überwachungskameraanwendung für das erfindungsgemäße Kamerasystem zeigt, bei dem die Überwachung eines Halbraumes in einem Zimmer erfolgt.
5 ist ein Diagramm, das eine Überwachungskameraanwendung des erfindungsgemäßen Kamerasystems zeigt, bei dem die Überwachung des gesamten Raumes in einem offenen Bereich erfolgt.
6 ist ein Diagramm eines ersten Ausführungsbeispieles einer Anzeigevorrichtung, das heißt eines sphärischen Monitors oder Fernsehgerätes vom Kalottentyp sowie einer optischen Sichtlinie hierfür.
7 ist ein Diagramm eines zweiten Ausführungsbeispieles der Anzeigevorrichtung, bei der die Anzeige von Bildern für eine Mehrzahl von Betrachtern möglich wird.
8 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Anzeigevorrichtung, die eine persönliche Anzeigevorrichtung für die Anzeige von räumlichen Bildern beziehungsweise Stereobildern darstellt.
9 ist ein Diagramm, das ein viertes Ausführungsbeispiel der Anzeigevorrichtung darstellt, die eine Personenanzeigevorrichtung für die Anzeige von Monobildern darstellt.
1 zeigt eine Kamera 1, die ein optisches System 2 mit einer so genannten normalen Brennweite umfasst, die in der Figur als einfache Linse beziehungsweise Objektiv dargestellt ist. Die Kamera 1 umfasst darüber hinaus eine fotoempfindliche Bildfläche 3, die eine konkave sphärische Fläche darstellt, auf die das optische System 2 ein Bild des Targets projiziert. Der Krümmungsmittelpunkt der Bildfläche 3 ist am Brennpunkt des optischen Systems auf der optischen Achse L befindlich. Bei einer Linse 2 mit einer normalen Brennweite erhält man einen Aufzeichnungswinkel von 60°, sodass die Kamera eine Bildfläche mit der Form einer sphärischen Kalotte aufweisen kann. Die Kamera umfasst darüber hinaus einen Verschluss 4, der mit einer einstellbaren Blende versehen und in der Nähe der Linse 2 zwischen der Linse 2 und der Bildfläche 3 angeordnet ist.
Das optische System 2 in der Kamera 1 gemäß 2 umfasst eine Linse 5 mit kurzer Brennweite, eine so genannte Fischaugenlinse (fish-eye lens). Die Bildfläche 3 ist von Halbkugelform, weshalb die Kamera eine Kamera vom Halbraumaufzeichnungstyp ist. Die Figur zeigt die Projektion dreier Targets I, II, III auf die halbkugelförmige Bildfläche. Der Aufzeichnungswinkel beträgt 180°. Das Bild von Target I auf der Hauptachse L wird auf der Bildfläche 3 auf der Hauptachse L aufgezeichnet. Die Targets II und III, die an entgegengesetzten Seiten unter einem Winkel von 90° angeordnet sind, werden auf die Ränder der halbkugelförmigen Bildfläche projiziert.
Die Kameras gemäß 1 und 2 sind vorzugsweise Digitalkameras, die in der Lage sind, sowohl Standbilder als auch Bewegtbilder fotografisch aufzunehmen. Die Bildfläche 3 bei der Kamera 1 setzt sich aus einzeln angeordneten digitalen Erfassungselementen zusammen oder kann unter Verwendung einer Faseroptik aufgebaut sein. Eine annehmbare Bildqualität erhält man bei Verwendung von 100000 bis 300000 Erfassungselementen auf der Bildfläche. Eine gute Bildqualität erhält man bei Verwendung von ein bis zwei Millionen Erfassungselementen. Wünscht man eine perfekte Bildqualität, so sollte die Anzahl der Erfassungselemente in der Größenordnung von 10⁸ liegen.
Bei Kameras mit einem Aufzeichnungswinkel von 180° der Bildfläche 3 gemäß Darstellung in 2, durch die man einen gesamten Halbraum überblicken kann, mit den entsprechenden Anzeigevorrichtungen entspricht die Position der optischen Achse L dem Punkt der Scharfsicht des menschlichen Auges, während die Randzonen dem weniger scharten Umgebungsbereich des Sehfeldes entsprechen. Daher kann die Dichte der Erfassungselemente auf der Bildfläche 3 derart variieren, dass die Dichte im Bereich der optischen Achse, das heißt dort, wo die Auflösung hoch ist, maximal ist, wohingegen sie sich hin zu den Randzonen verringert, wo die Auflösung geringer ist. So entspricht beispielsweise die Gaußsche Verteilungsdichte der Erfassungselemente grob der Verwendungshäufigkeit der Informationen bei Betrachtung eines Bildes. Andere Verteilungen sind ebenfalls möglich. Eine veränderliche Dichte der Erfassungselemente ist zur Verwendung beispielsweise in einer Fernsteuerungsanwendung von Nutzen, bei der die erfindungsgemäße Kamera, die an einem Roboter installiert ist, ein reales Target fotografiert, während eine den Roboter steuernde Person das von der Kamera erzeugte Bild unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung betrachtet. Die Verteilung der Dichte der Erfassungselemente auf der Bildfläche 3 kann beispielsweise durch die nachfolgende Funktion gegeben sein.
Hierbei bezeichnen I₀ die Dichte der Erfassungselemente am Ursprung (auf der Hauptachse), I(r) die lokale Dichte der Erfassungselemente beim Radius r vom Ursprung aus und a einen Skalierungsfaktor.
Ist die Klickhäufigkeit der Kamera größer als die Hälfte der Sensorenhäufigkeit, so führt dies zu einem so genannten Aliasing-Effekt, in dessen Gefolge bei steigender Frequenz der MTF-Wert, der auf 0 gefallen ist, hohe positive Werte bei höheren Häufigkeiten annimmt. Insbesondere bei der fotografischen Aufnahme strukturierter Objekte führt dies zu einer wesentlichen Verschlechterung der Bildqualität. Aliasing-Effekte können in hochauflösenden Abschnitten einer Kamera mit veränderlicher Auflösung durch Verwendung einer Anordnung gemäß 3 verhindert werden. Die Punktverteilungsfunktion PSF des optischen Systems ist derart gewählt, dass eine Integration über einige wenige benachbarte Erfassungselemente erfolgt.
4 und 5 zeigen die Verwendung der Halbraumaufzeichnungskamera gemäß Darstellung in 2 als Weitwinkelüberwachungskamera. Im Gegensatz zu den bisher bekannten Kameras, die bewegt werden müssen, um die Umgebung aufzuzeigen, kann eine Kamera wie die vorliegende fest und unbeweglich an der Wand oder Decke eines Raumes angebracht werden, was in 4 gezeigt ist. Bei der Verwendung beispielsweise als Überwachungskamera in einer Bank ist eine derartige unbewegliche Kamera nicht wahrzunehmen und schwierig zu entdecken. Bei Verwendung eines Paares von Kameras, die in entgegengesetzte Richtungen gerichtet sind, siehe 5, kann der ganze umgebende Raum (das Doppelte des Halbraumes) überwacht werden. Bei Verwendung einer einzelnen Kamera wird ein geometrisch unverzerrtes Bild des Halbraumes durch einen einzigen Auslöseklick erzeugt, ohne dass die Kamera bewegt werden müsste. Bei Verwendung zweier Halbraumaufzeichnungskameras, die in die gleiche Richtung gerichtet sind, wird es möglich, Stereobilder zu erzeugen, um so einen dreidimensionalen Eindruck zu bewirken.
Bilder, die mit der erfindungsgemäßen Kamera aufgenommen sind, können als normale planare Kopien betrachtet werden, und zwar bei Verwendung einer planaren Anzeige oder bei Erstellung eines planaren Ausdrucks. Es ist darüber hinaus möglich, spezielle Anzeigevorrichtungen 6, siehe 6 bis 9, zur Betrachtung mit der Kamera 1 aufgenommener Bilder zu konzipieren. Bei einer Anzeigevorrichtung 6 wie der vorliegenden ist die Anzeigefläche 7, auf der die Bilder betrachtet werden, eine konkave sphärische Fläche.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Anzeigevorrichtung 6 ein Monitor ist, so beispielsweise ein Computermonitor oder ein Fernsehgerät, bei dem der Anzeigeschirm eine Anzeigefläche 7 von der Form einer konkaven sphärischen Kalotte ist. Bei dieser Vorrichtung ist der bevorzugte Sichtabstand das Doppelte des Radius r der sphärischen Kalotte. Die optische Sichtlinie ist durch eine gestrichelte Linie 8 angegeben.
Wie in 7 gezeigt ist, kann bei der Anwendung für eine Mehrzahl von Betrachtern die Anzeigefläche 7 auch aus einer halbsphärischen Wand- oder Deckenfläche in einem Raum (Rundumtheater) bestehen, auf die das Bild zur simultanen Betrachtung durch mehrere Personen projiziert werden kann.
8 und 9 zeigen eine Anzeigevorrichtung 6, die eine für eine Person gedachte Anzeige in einem Visier, einem Anzeigehelm oder dergleichen darstellt, bei dem die Anzeigefläche 7 eine Art von halbsphärischer Anzeigefläche ist, deren Mitte im Brennpunkt des Auges liegt. Die Vorrichtung kann beispielsweise zur Darstellung einer virtuellen Realität bei Unterhaltungs- oder Spielanwendungen wie auch als Helmanzeige, beispielsweise für Flugzeugpiloten, zum Einsatz kommen.
Gemäß 8 umfasst das Anzeigevisier oder dergleichen zwei halbsphärische Anzeigeflächen 7, deren Mitten an den Brennpunkten der Augen befindlich sind, und zwar eine Anzeigefläche für jedes Auge, um so Stereobilder betrachten zu können, durch die ein dreidimensionaler Eindruck erzeugt wird.
Gemäß 9 ist das Anzeigevisier mit einer Monoanzeige mit einer einzelnen halbsphärischen Anzeigefläche 7 versehen.
Die Anzeigefläche 7 in den Anzeigevorrichtungen kann aus einer Matrix einzelner Bildelemente bestehen. Die Anzahl der Bildelemente ist derart gewählt, dass zum Erreichen einer annehmbaren Bildqualität die Anzahl in der Größenordnung von 10⁴ bis 3 × 10⁴, zum Erreichen einer guten Bildqualität die Anzahl in der Größenordnung von 10⁶ bis 2 × 10⁶ und zum Erreichen einer perfekten Bildqualität die Anzahl in der Größenordnung von 10⁸ liegt.
Ist die verwendete Eingabevorrichtung eine Kamera mit veränderlicher Auflösung, so kann die Anzeigevorrichtung als Anzeigevorrichtung veränderlicher Auflösung aufgebaut sein. Bei einer 180°-Anzeige sind die Randbereiche unter Verwendung von weniger, jedoch größerer Bildelemente implementiert, da sie so dem hochauflösenden Bereich bezüglich der Bildenergie (gleich Fläche des Bildelementes mal maximale Luminanz) entsprechen.
Bei einer Anzeigevorrichtung 6 mit veränderlicher Auflösung können die Bildelemente derart auf der Anzeigefläche 7 angeordnet sein, dass ihre Dichte auf der Hauptachse L minimal ist und sich von der Hauptachse weg hin zu den Randzonen verringert. Die Dichteverteilung der Bildelemente auf der Anzeigefläche ist durch die nachfolgende Funktion gegeben.
Hierbei bezeichnen I₀ die Dichte der Erfassungselemente am Ursprung (auf der Hauptachse), I(r) die lokale Dichte der Erfassungselemente beim Radius r vom Ursprung aus und a einen Skalierungsfaktor.

Claims

Kamerasystem, das eine Kamera (1) umfasst, die mit einem optischen System (2) und einer fotoempfindlichen Bildfläche (3) versehen ist, die in der Nähe des optischen System symmetrisch relativ zu seiner optischen Achse (L) angeordnet ist, wobei das Bild des Objektes (K), das durch die Optik gebrochen wird, auf die Bildfläche projiziert wird, die fotoempfindliche Bildfläche (3) eine konkave sphärische Fläche ist, deren Krümmungsmittelpunkt am Brennpunkt der Optik (2) liegt und die aus einer Matrix einzelner fotoempfindlicher Erfassungselemente besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungselemente so auf der Bildfläche (3) angeordnet sind, dass ihre Dichte auf der optischen Achse (11) ein Maximum hat und sich von der optischen Achse zu den Randzonen hin verringert.
Kamerasystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichteverteilung der Erfassungselemente auf der Bildfläche (3) der folgenden Funktion entspricht:
wobei I₀ = Dichte von Erfassungselementen am Ursprung (auf der optischen Achse), I(r) = lokale Dichte von Erfassungselementen am Radius r vom Ursprung, und a = Skalierungsfaktor.
Kamerasystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die fotoempfindlichen Erfassungselemente CCD-Elemente sind.
Kamerasystem nach Anspruch 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von Erfassungselementen in der Größenordnung von 100000 oder darüber liegt.
Kamerasystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von Erfassungselementen so ausgewählt worden ist, dass, um eine annehmbare Bildqualität zu erreichen, die Anzahl in der Größenordnung von 10⁴ – 3 × 10⁴ liegt, um eine gute Bildqualität zu erreichen, in der Größenordnung von 10⁶ – 2 × 10⁸ oder, um eine perfekte Bildqualität zu erreichen, in der Größenordnung von 10⁸.
Kamerasystem nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (2) so angeordnet worden ist, dass im hochauflösenden Bereich in der Nähe der optischen Achse (L) die Punktverteilungsfunktion (point spread function - PSF), die durch die Optik erzeugt wird, über mehrere Erfassungselemente integriert, um Aliasing-Effekte zu vermeiden.
Kamerasystem nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (2) von dem Typ ist, der eine sogenannte normale Brennweite hat, und die Bildfläche (3) eine Kugelkalotte mit einem Aufzeichnungswinkel in der Größenordnung von 60° ist, und dass die Kamera einen Verschluss (4) umfasst, der zwischen der Optik und der Bildfläche angeordnet und mit einer verstellbaren Blende versehen ist.
Kamerasystem nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufzeichnungswinkel der Bildfläche (3) 180° oder weniger beträgt.
Kamerasystem nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (2) ein Objektiv (5) mit einer kurzen Brennweite, wie beispielsweise ein sogenanntes Fish-Eye-Objektiv, umfasst, dass die Bildfläche (3) halbkugelförmig ist, der Aufzeichnungswinkel 180° beträgt und die Kamera so vom Halbraum-Aufzeichnungstyp ist.
Kamerasystem nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (1) eine Digitalkamera ist, die eine Einrichtung zum Digitalisieren der von den Erfassungselementen empfangenen Signale und eine Einrichtung zum Übertragen der digitalisierten Bilder zu einem Computer umfasst.
Kamerasystem nach einem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (1) von einem Typ zum Aufzeichnen von Bewegtbildern ist.
Kamerasystem nach einem der Ansprüche 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (1) von einem Typ zum Aufzeichnen von Standbildern ist.
Kamerasystem nach einem der Ansprüche 1–12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (1) eine Überwachungskamera ist.
Kamerasystem nach einem der Ansprüche 1–13, dadurch gekennzeichnet, dass das System zwei Halbraum-Aufzeichnungskameras (1) umfasst, die in entgegengesetzte Richtungen gerichtet sind, um den gesamten Raum aufzuzeichnen.
Kamerasystem nach einem der Ansprüche 1–14, dadurch gekennzeichnet, dass das System zwei aneinander grenzende Halbraum-Aufzeichnungskameras (1) umfasst, die in der gleichen Richtung gerichtet sind, um ein räumliches Bild des Halbraums aufzuzeichnen.