WO2008055621A2 - Image recording device - Google Patents

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WO2008055621A2
WO2008055621A2 PCT/EP2007/009494 EP2007009494W WO2008055621A2 WO 2008055621 A2 WO2008055621 A2 WO 2008055621A2 EP 2007009494 W EP2007009494 W EP 2007009494W WO 2008055621 A2 WO2008055621 A2 WO 2008055621A2
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scene
selection
spectral
optical filter
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Klaus Bobey
Lutz Brekerbohm
Robert Burdick
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Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst (HAWK) Hildesheim
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    • G01J3/30—Measuring the intensity of spectral lines directly on the spectrum itself
    • G01J3/32—Investigating bands of a spectrum in sequence by a single detector
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    • H04N23/74—Circuitry for compensating brightness variation in the scene by influencing the scene brightness using illuminating means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/255—Details, e.g. use of specially adapted sources, lighting or optical systems
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    • H04N23/10—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof for generating image signals from different wavelengths
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    • H04N2209/043—Picture signal generators using solid-state devices having a single pick-up sensor using an alternating colour separation filter, e.g. colour wheel or colour LCD

Definitions

  • the invention relates to an image acquisition device having a camera having at least one image acquisition sensor and having an electronically controllable optical filter in front of the image acquisition sensor for multispectral recording of scenes in selected spectral regions.
  • the invention further relates to an image capture device having a camera having at least one image acquisition sensor for recording scenes in selected spectral regions in a darkroom.
  • Multispectral cameras for taking pictures in selected color spectra are well known. They are used to evaluate recorded objects with regard to their spectral distribution.
  • Multispectral cameras which require only a few spectral channels, usually contain filter wheels. They are equipped with selected filters, which are brought sequentially into the beam path during the measurement. The fixed filter set, the mechanical filter change and the necessary changeover times characterize these, for example, in S. Helling, I. Seidel and W. Biehlig: Multispektrale color image reconstruction with seven channels, Proceedings, 9th Workshop, color image processing, 2003, pages 91 to 98 described systems ,
  • Multispectral cameras are also built as multispectral multi-camera systems, which typically consist of a variety of image sensors mounted on a common platform. These multi-spectral multi-camera systems are used in particular for recording moving scenes, as they occur in remote sensing. These applications require parallel multispectral systems.
  • the overhead associated with a multispectral multi-camera system is justified by satellite or airborne deployment.
  • the multiple image sensors in a multispectral imaging camera and associated filters or prisms for particular filter characteristics clearly delimit the spectral regions of the images and the number of multispectral images.
  • cameras with dispersive imaging system are known. Here cameras with a sensor array are converted to a multispectral camera by a dispersive imaging system mounted in front of the camera.
  • the cameras then capture only one scene line, which is spectrally fanned out over the sensor columns.
  • the use of such systems requires the pan of the camera or, more preferably, a continuous scene to record one line at a time.
  • the spectrum of each line image is present at the same time as the resolution of the dispersive imaging system.
  • the strong spread of the irradiation of a line pixel over an entire column requires high irradiance levels in order to work with acceptable integration times.
  • electronically tunable filters are known.
  • the most important types of electronically tunable filters are adjustable liquid crystal filters (LCTF), acoustically adjustable optical filters (Acousto-Optic Tunable Filters AOTF) and electro-optical Fabry-Perot filters (Electro-Optic Fabry-Perot EOFP).
  • LCTF liquid crystal filters
  • AOTF acousto-Optic Tunable Filters
  • EOFP electro-optical Fabry-Perot filters
  • a monochrome camera with prefixed filter captures the scene sequentially with a number of N images in N different spectral ranges. The selection of the spectral ranges and thus the tuning can be done in much finer gradations, as with a filter wheel.
  • Angelopoulou Multispectral Sensors in Computer Vision, in: Technical Report CS-
  • LCTF filters are preferable when approaching a large aperture of more than 20 mm combined with a large tuning range of more than 450 nm.
  • Multispectral cameras with adjustable liquid crystal filters LCTF are described, for example, in C. Groh, H. Rothe: Real-time Processing of Multispectral Data with Limited Transmission Bandwidth, in: Tagungsband, 11th Workshop, Color Image Processing 2005, pp. 29-36.
  • two cameras arranged next to each other are each equipped with an LCT filter, wherein one filter in the visible wavelength range and the other filter in the near infrared wavelength range is tuned. The resulting two data sets are pushed together by cross-correlation in order to obtain the result of a three-dimensional data set with two spatial coordinates and the spectral channels as the third dimension.
  • This multispectral camera system will be used for missile-based remote sensing.
  • DE 101 21 984 A1 discloses the use of multispectral techniques for the comparison and evaluation of color reproduction in image reproduction.
  • EP 0 604 124 B1 describes the use of multispectral signature techniques to separate a multispectral electro-optic signal from a background to detect atmospheric trace gases.
  • WO 2005/057129 A1 discloses the use of multispectral techniques for the evaluation of remote sensing data.
  • DE 298 24 467 U1 describes an apparatus for classifying pixels in groups according to their spectra using a plurality of wideband filters, adaptively classifying fluorophores by a selected set of broadband filter pairs for fluorescence excitation.
  • DE 296 175 A5 discloses a processor system for obtaining and processing remote sensing data, wherein adaptive control takes place without regard to different recording conditions and scene characteristics.
  • scene characteristics such as average image brightness, variances, correlation lengths, etc. as well as atmospheric effects are analyzed, and data is provided for optimum control and thematic programming of a main field sensor. 9 solved.
  • the control unit is for adaptation by the
  • the image capture device can be used flexibly and effectively for different measurement tasks and, due to the ability to actively adapt the spectral characteristics of the camera parameters, optimally provides image information adapted to the application.
  • Visible spectral ranges in the range from 380 to 780 nm can be used as spectral ranges, which are perceived by humans as color. However, it is also conceivable that the spectral ranges are at least partially outside the visible color spectrum.
  • the control unit is preferably set up to optimize the selection of spectral ranges with regard to the maximum distinctness of scene parts, the lowest possible number of filters, the lowest possible distinctness of scene parts or the maximum possible number of filters as an optimization criterion.
  • a display unit coupled to a pilot camera for displaying the image taken with the pilot camera and a selection device are provided, which is connected to the control unit and set up for selecting scene parts and spectral ranges by a user.
  • the control of the optical filter then takes place as a function of the intensity-independent spectral characteristic of the at least one selected scene portion or of the selected spectral ranges.
  • the display unit displays the image recorded by the pilot camera visibly for the user and can be used by the user as information for selecting relevant spectral ranges, without the image displayed to the user being restricted to the selected channel.
  • the unfiltered scene can also be recorded by the camera for selection purposes with the aid of a beam splitter, bypassing the optical filter.
  • a lighting unit is used instead of the optical filter to illuminate the scene in selectable spectral ranges.
  • the image capture device must be arranged in a darkroom in order to enable a targeted multispectral recording of the scene in selected color spectral regions.
  • a complete shielding of the scene from extraneous radiation, d. H. Achieving complete darkness is desirable but not mandatory. It is only important that the darkroom ensures that dependent on the lighting unit useful signal in relation to the respective measurement task sufficiently large ratio to the dependent on environmental duty noise.
  • control unit preferably a computer can be used.
  • the display unit may then be a monitor connected to the computer.
  • Fig. 1 block diagram of an image capture device with camera, pilot camera and electronically controllable optical filter.
  • FIG. 1 shows a block diagram of an image capture device with a camera 1 with a preset electronically controllable optical filter 2.
  • the optical filter 2 may be, for example, an adjustable liquid crystal filter LCTF, an acoustically adjustable optical filter AOTF or an electro-optical Fabry-Perot filter IOPF.
  • the optical filter 2 is controlled by a controller 3 with a control unit 4, at the input to which the output of the camera 1 is applied.
  • a pilot camera 5 is aligned to the same scene or a section of a scene by the orientation of the camera 1 and the pilot camera 5 and the lenses 6a, 6b of the camera 1 and the pilot camera 5 are set accordingly.
  • the output of the pilot camera 5 is also routed to the control unit 4.
  • a display unit 7 is connected to represent the unfiltered recorded image of the pilot camera 5.
  • the supply of the image capture device with electrical energy takes place with a power supply unit 8.
  • the image capture device captures a scene or a section of a scene in a spatially resolved and multispectral manner in order to optimally and actively adapt the tunable optical filter 2 and the parameters of the camera 1 to the task based on the at least one selected relevant scene parts.
  • This can be z. B. in an inspection task to achieve a maximum contrast of the inspection feature against the immediate environment.
  • the pilot camera 5 is used for process control and process control in real time and recorded the scene. In the image of the pilot camera 5 on the display unit, the application-relevant live scene parts are selectable.
  • the adaptation and the control of the optical filter 2 and optionally the camera 1 are performed by the control unit 4.
  • the image capture device can be used, for example, to record scenes with glossy effects and backlight, which have a high dynamic range and require multiple exposures with different exposure times, so-called HDR (High Dynamic Range) recordings - with the same filter setting.
  • HDR High Dynamic Range
  • the active adaptation using the second camera 5 and the control unit 4 would, at 32 filter positions (10 nm increments) and 4 HDR recordings each, produce a stack of 128 images with an extreme amount of data (more than 500 MB) from a single scene or sample arise.
  • the adaptive filter selection and data compression adapted to the application can considerably reduce the recording time and the amount of data.
  • the electronically controllable optical filter 2 and possibly the parameters of the camera 1 are optimally controlled as a function of the image taken with the pilot camera 5.
  • a scene part is selected from the image and the spectral characteristic of the scene part which is independent of the intensity of the image information is determined.
  • a series of filter settings or spectral ranges are selected to accommodate a number of scenes having the plurality of mutually different filter settings and overlaying the number of scenes.
  • the result of combining the recorded scenes is evaluated for defined optimization criteria to adaptively optimize the image acquisition by adjusting the filter settings and repeatedly capturing scenes with the adjusted filter settings.

Abstract

The invention relates to an image recording device, comprising a camera (1) with at least one image recording sensor and an electronically controlled optical filter (2) in front of the image recording sensor, for multi-spectral recording of scenes in selected colour spectral ranges with a selector unit for selecting at least one scene part of a scene recorded by the camera (1) in a spectral range suitably large for selection of the at least one scene part and a controller (4) for controlling the electronically controlled optical filter (2) and the camera (1) such that a number of images of the same scene are recorded in selected spectral ranges. The controller (4) is suitable for matching the selection of spectral ranges selected by the control of the electronically-controllable optical filter (2) to the spectral characteristics of the selected scene parts and combination of the number of images taken in differing spectral ranges and matching control of the electronically controllable optical filter (2) for optimising the selection of spectral ranges depending on the result of the combination of the number of images.

Description

Bilderfassungseinrichtung Image capture device
Die Erfindung betrifft eine Bilderfassungseinrichtung mit einer mindestens einen Bildaufnahmesensor aufweisenden Kamera und mit einem elektronisch steuerbaren optischen Filter vor dem Bildaufnahmesensor zur multispektralen Aufnahme von Szenen in ausgewählten Spektralbereichen.The invention relates to an image acquisition device having a camera having at least one image acquisition sensor and having an electronically controllable optical filter in front of the image acquisition sensor for multispectral recording of scenes in selected spectral regions.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Bilderfassungseinrichtung mit einer mindestens einen Bildaufnahmesensor aufweisenden Kamera zur Aufnahme von Szenen in ausgewählten Spektralbereichen in einer Dunkelkammer.The invention further relates to an image capture device having a camera having at least one image acquisition sensor for recording scenes in selected spectral regions in a darkroom.
Multispektrale Kameras zur Aufnahme von Bildern in ausgewählten Farbspektren sind an sich hinreichend bekannt. Sie werden benutzt, um aufgenommene Objekte hinsichtlich ihrer Spektralverteilung auszuwerten.Multispectral cameras for taking pictures in selected color spectra are well known. They are used to evaluate recorded objects with regard to their spectral distribution.
Multispektrale Kameras, die nur wenige spektrale Kanäle benötigen, enthalten in der Regel Filterräder. Sie werden mit ausgewählten Filtern bestückt, die bei der Messung sequentiell motorisch in den Strahlengang gebracht werden. Der feste Filtersatz, der mechanische Filterwechsel und die notwendigen Wechselzeiten charakterisieren diese beispielsweise in S. Helling, I. Seidel und W. Biehlig: Multispektrale Farbbildrekonstruktion mit sieben Kanälen, Tagungsband, 9. Workshop, Farbbildverarbeitung, 2003, Seiten 91 bis 98, beschriebenen Systeme.Multispectral cameras, which require only a few spectral channels, usually contain filter wheels. They are equipped with selected filters, which are brought sequentially into the beam path during the measurement. The fixed filter set, the mechanical filter change and the necessary changeover times characterize these, for example, in S. Helling, I. Seidel and W. Biehlig: Multispektrale color image reconstruction with seven channels, Proceedings, 9th Workshop, color image processing, 2003, pages 91 to 98 described systems ,
Multispektrale Kameras werden auch als multispektrale Mehrkamera-Systeme aufgebaut, die in der Regel aus einer Vielzahl von Bildsensoren bestehen, die auf einer gemeinsamen Plattform montiert sind. Diese multispektralen Mehrkamera- Systeme werden insbesondere zur Aufnahme von bewegten Szenen genutzt, wie sie bei der Erdfernerkundung auftreten. Diese Anwendungen erfordern parallel arbeitende multispektrale Systeme. Der mit einem multispektralen Mehrkamera- System verbundene Aufwand wird durch den Satelliten- oder flugzeuggestützten Einsatz gerechtfertigt. Durch die mehreren Bildsensoren in einer Kamera für die multispektrale Bilderfassung und die zugeordneten Filter oder Prismen für bestimmte Filtercharakteristiken sind die Spektralbereiche der Abbildungen und die Anzahl multispektraler Abbildungen klar begrenzt. Weiterhin sind Kameras mit dispersivem Abbildungssystem bekannt. Hier werden Kameras mit Sensorarray durch ein vor die Kamera montiertes dispersives Abbildungssystem zu einer multispektralen Kamera umgebaut. Die Kameras erfassen dann aber immer nur eine Szenenzeile, die spektral über die Sensorspalten aufgefächert werden. Der Einsatz derartiger Systeme erfordert den Schwenk der Kamera oder besser eine durchlaufende Szene, um nacheinander Zeile für Zeile aufzunehmen. Das Spektrum jeder Zeilenaufnahme liegt mit der Auflösung des dispersiven Abbildungssystems zeitgleich vor. Die starke Aufspreizung der Bestrahlung eines Zeilenpixels über eine ganze Spalte erfordert hohe Bestrahlungsstärken, um mit akzeptablen Integrationszeiten arbeiten zu können.Multispectral cameras are also built as multispectral multi-camera systems, which typically consist of a variety of image sensors mounted on a common platform. These multi-spectral multi-camera systems are used in particular for recording moving scenes, as they occur in remote sensing. These applications require parallel multispectral systems. The overhead associated with a multispectral multi-camera system is justified by satellite or airborne deployment. The multiple image sensors in a multispectral imaging camera and associated filters or prisms for particular filter characteristics clearly delimit the spectral regions of the images and the number of multispectral images. Furthermore, cameras with dispersive imaging system are known. Here cameras with a sensor array are converted to a multispectral camera by a dispersive imaging system mounted in front of the camera. The cameras then capture only one scene line, which is spectrally fanned out over the sensor columns. The use of such systems requires the pan of the camera or, more preferably, a continuous scene to record one line at a time. The spectrum of each line image is present at the same time as the resolution of the dispersive imaging system. The strong spread of the irradiation of a line pixel over an entire column requires high irradiance levels in order to work with acceptable integration times.
Weiterhin sind elektronisch durchstimmbare Filter bekannt. Die wichtigsten Arten von elektronisch durchstimmbaren Filtern sind einstellbare Flüssigkeitskristallfilter (Liquid- Crystal Tunable Filters LCTF), akustisch einstellbare optische Filter (Acousto-Optic Tunable Filters AOTF) und elektro-optische Fabry-Perot Filter (Electro-Optic Fabry- Perot EOFP). Diese Filter können sehr elegant ohne mechanische Komponenten in ihrer spektralen Transmission gesteuert werden. Eine monochrome Kamera mit vorgesetztem Filter erfasst die Szene nacheinander mit einer Anzahl von N Bildern in N unterschiedlichen Spektralbereichen. Die Auswahl der Spektralbereiche und damit das Durchstimmen kann in wesentlich feineren Abstufungen erfolgen, als mit einem Filterrad.Furthermore, electronically tunable filters are known. The most important types of electronically tunable filters are adjustable liquid crystal filters (LCTF), acoustically adjustable optical filters (Acousto-Optic Tunable Filters AOTF) and electro-optical Fabry-Perot filters (Electro-Optic Fabry-Perot EOFP). These filters can be controlled very elegantly without mechanical components in their spectral transmission. A monochrome camera with prefixed filter captures the scene sequentially with a number of N images in N different spectral ranges. The selection of the spectral ranges and thus the tuning can be done in much finer gradations, as with a filter wheel.
Die oben genannten elektronisch durchstimmbaren Filter LCTF, AOTF und EOPF besitzen unterschiedliche Eigenschaften, die beispielsweise in S. Poger, E.The above-mentioned electronically tunable filters LCTF, AOTF and EOPF have different properties, described for example in S. Poger, E.
Angelopoulou: Multispectral Sensors in Computer Vision, in: Technical Report CS-Angelopoulou: Multispectral Sensors in Computer Vision, in: Technical Report CS-
2001-3, Stevens Institut of Technology, Hoboken, USA, beschrieben sind. Erst die2001-3, Stevens Institute of Technology, Hoboken, USA. First the
Kombination der mit den gewünschten Aufnahmeparametern aufgenommen Bilder lässt eine Entscheidung für die Auswahl eines elektronisch durchstimmbaren Filters zu. LCTF-Filter sind zu bevorzugen, wenn es auf eine große Apertur von mehr als 20 mm in Verbindung mit einem großen Durchstimmbereich von mehr als 450 nm ankommt. Multispektralkameras mit einstellbaren Flüssigkristallfiltern LCTF sind beispielsweise in C. Groh, H. Rothe: Echtzeitverarbeitung multispektraler Daten mit limitierter Übertragungsbandbreite, in: Tagungsband, 11. Workshop, Farbbildverarbeitung 2005, S. 29-36, beschrieben. In einem Ausführungsbeispiel sind zwei nebeneinander angeordnete Kameras jeweils mit einem LCT-Filter ausgerüstet, wobei der eine Filter im sichtbaren Wellenlängenbereich und der andere Filter im nahen Infrarot- Wellenlängenbereich durchgestimmt ist. Die hierdurch entstehenden zwei Datensätze werden durch Kreuzkorrelation aufeinander geschoben, um im Ergebnis einen dreidimensionalen Datensatz mit zwei räumlichen Koordinaten und den spektralen Kanälen als dritter Dimension zu erhalten.Combining the pictures taken with the desired recording parameters allows a decision for the selection of an electronically tunable filter. LCTF filters are preferable when approaching a large aperture of more than 20 mm combined with a large tuning range of more than 450 nm. Multispectral cameras with adjustable liquid crystal filters LCTF are described, for example, in C. Groh, H. Rothe: Real-time Processing of Multispectral Data with Limited Transmission Bandwidth, in: Tagungsband, 11th Workshop, Color Image Processing 2005, pp. 29-36. In one embodiment, two cameras arranged next to each other are each equipped with an LCT filter, wherein one filter in the visible wavelength range and the other filter in the near infrared wavelength range is tuned. The resulting two data sets are pushed together by cross-correlation in order to obtain the result of a three-dimensional data set with two spatial coordinates and the spectral channels as the third dimension.
Dieses multispektrale Kamerasystem soll für die flugkörpergestützte Fernerkundung eingesetzt werden.This multispectral camera system will be used for missile-based remote sensing.
DE 101 21 984 A1 offenbart die Nutzung multispektraler Techniken für den Vergleich und die Bewertung der Farbreproduktion bei der Bildwiedergabe.DE 101 21 984 A1 discloses the use of multispectral techniques for the comparison and evaluation of color reproduction in image reproduction.
DE 198 35 951 A1 offenbart ein multispektrales Farbreproduktionssystem, bei dem die große Datenmenge zur Darstellung eines jeden Spektrums ohne Verlust der für einen Beobachter sichtbaren Farbinformation wesentlich dadurch reduziert wird, dass in einem Kodiersystem angepasst an das menschliche Farbunterscheidungsvermögen die Multispektralkoeffizienten der linearen Spektraldarstellung nichtlinear verzerrt werden.DE 198 35 951 A1 discloses a multispectral color reproduction system in which the large amount of data for representing each spectrum is substantially reduced without loss of color information visible to an observer by non-linearly distorting the multispectral coefficients of the linear spectral representation in a coding system adapted to human color discrimination ,
Weitere Verfahren sind zum Auffinden und zur Identifikation von speziellen Komponenten in komplexen multispektralen Datensätzen bekannt, die bekannte an Mustern erlernte Signaturen dieser Szenenkomponenten nutzen.Other methods are known for finding and identifying specific components in complex multispectral data sets that use known signatures of these scene components learned from patterns.
DE 198 34 718 offenbart in diesem Zusammenhang die Nutzung von Texturen von Oberflächen. EP 0 604 124 B1 beschreibt die Nutzung von multispektralen Signaturtechniken zur Separierung eines multispektralen elektro-optischen Signals von einem Hintergrund, um atmosphärische Spurengase zu detektieren.DE 198 34 718 discloses in this context the use of textures of surfaces. EP 0 604 124 B1 describes the use of multispectral signature techniques to separate a multispectral electro-optic signal from a background to detect atmospheric trace gases.
Beispielsweise aus WO 2005/057129 A1 ist die Nutzung multispektraler Techniken auch zur Auswertung von Fernerkundungsdaten bekannt.For example, WO 2005/057129 A1 discloses the use of multispectral techniques for the evaluation of remote sensing data.
Diese beschriebenen Verfahren sind nicht adaptiv.These described methods are not adaptive.
In DE 298 24 467 U1 ist eine Vorrichtung zur Klassifizierung von Pixeln in Gruppen gemäß Ihren Spektren unter Verwendung mehrerer Breitbandfilter beschrieben, mit der adaptiv eine Klassifizierung von Fluorophoren durch einen ausgewählten Satz an breitbandigen Filterpaaren zur Fluoreszenzanregung erfolgt.DE 298 24 467 U1 describes an apparatus for classifying pixels in groups according to their spectra using a plurality of wideband filters, adaptively classifying fluorophores by a selected set of broadband filter pairs for fluorescence excitation.
DE 296 175 A5 offenbart ein Prozessorsystem zur Gewinnung und Verarbeitung von Fernerkundungsdaten, wobei eine adaptive Steuerung ohne Berücksichtigung unterschiedlicher Aufnahmebedingungen und Szenencharakteristika erfolgt. Durch Auswertung von Daten eines Vorfeldsensors werden bestimmte Szenencharakteristika, wie mittlere Bildhelligkeit, Varianzen, Korellationslängen usw. sowie atmosphärische Effekte analysiert und es werden Daten für eine optimale Steuerung und thematische Programmierung eines Hauptfeldsensors geliefert. 9 gelöst. Es ist eine Auswahleinheit zur Auswahl mindestens eines Szenenteils einer mit der Kamera aufzunehmenden Szene in einem zur Auswahl des Szenenteils geeignet großen Spektralbereich und eine Steuerungseinheit zur Ansteuerung des elektronisch steuerbaren optischen Filters und der Kamera derart vorhanden, dass eine Mehrzahl von Bildern derselben Szene in ausgewählten Spektralbereichen aufgenommen wird. Die Steuerungseinheit ist zur Adaption der durch dieDE 296 175 A5 discloses a processor system for obtaining and processing remote sensing data, wherein adaptive control takes place without regard to different recording conditions and scene characteristics. By evaluating data from a front-end sensor, certain scene characteristics such as average image brightness, variances, correlation lengths, etc. as well as atmospheric effects are analyzed, and data is provided for optimum control and thematic programming of a main field sensor. 9 solved. There is a selection unit for selecting at least one scene portion of a scene to be captured by the camera in a spectral range suitable for selecting the scene portion and a control unit for controlling the electronically controllable optical filter and the camera such that a plurality of pictures of the same scene are present in selected spectral ranges is recorded. The control unit is for adaptation by the
Ansteuerung des elektronisch steuerbaren optischen Filters vorgenommenen Auswahl von Spektralbereichen an die spektrale Charakteristik des mindestens einen ausgewählten Szenenteils und zur Kombination der Mehrzahl von in unterschiedlichen Spektralbereichen aufgenommenen Bildern und adaptiven Ansteuerung des elektronisch steuerbaren optischen Filters zur Optimierung der Auswahl von Spektralbereichen in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Kombination der Mehrzahl von Bildern eingerichtet.Control of the electronically controllable optical filter selection of spectral ranges to the spectral characteristics of the at least one selected scene portion and the combination of the plurality of recorded in different spectral ranges images and adaptive control of the electronically controllable optical filter for optimizing the Selection of spectral ranges depending on the result of the combination of the plurality of images set up.
Mit Hilfe der Ansteuerung der elektronisch steuerbaren optischen Filter in Abhängigkeit von der spektralen Charakteristik des mindestens einem ausgewählten Szenenteils und der Auswertung des Ergebnisses der Kombination der mehreren in voneinander unterschiedlichen Spektralbereichen aufgenommenen Szenen ist eine aktive Adaptierung bei der Auswahl relevanter Filter (Spektralbereiche) möglich. Es wird somit ein intensives rückgekoppeltes Zusammenwirken der Kamera mit dem durchstimmbaren optischen Filter ermöglicht. Die Bilderfassungseinrichtung ist flexibel und effektiv für unterschiedliche Messaufgaben einsetzbar und liefert aufgrund der Fähigkeit zur aktiven Adaptierung der spektralen Charakteristik der Kameraparameter optimal an die Anwendung angepasste Bildinformation.With the aid of the control of the electronically controllable optical filter as a function of the spectral characteristic of the at least one selected scene portion and the evaluation of the result of the combination of the multiple recorded in different spectral ranges scenes active adaptation in the selection of relevant filters (spectral regions) is possible. It is thus possible an intensive feedback interaction of the camera with the tunable optical filter. The image capture device can be used flexibly and effectively for different measurement tasks and, due to the ability to actively adapt the spectral characteristics of the camera parameters, optimally provides image information adapted to the application.
Als Spektralbereiche können sichtbare Spektralbereiche im Bereich von 380 bis 780 nm genutzt werden, die vom Menschen als Farbe wahrgenommen werden. Es ist aber auch denkbar, dass die Spektralbereiche mindestens teilweise außerhalb des sichtbaren Farbspektrums liegen.Visible spectral ranges in the range from 380 to 780 nm can be used as spectral ranges, which are perceived by humans as color. However, it is also conceivable that the spectral ranges are at least partially outside the visible color spectrum.
Die Steuerungseinheit ist vorzugsweise zur Optimierung der Auswahl von Spektralbereichen hinsichtlich der maximalen Unterscheidbarkeit von Szenenteilen, der geringstmöglichen Anzahl von Filtern, der geringstmöglichen Unterscheidbarkeit von Szenenteilen oder der maximal möglichen Anzahl von Filtern als Optimierungskriterium eingerichtet.The control unit is preferably set up to optimize the selection of spectral ranges with regard to the maximum distinctness of scene parts, the lowest possible number of filters, the lowest possible distinctness of scene parts or the maximum possible number of filters as an optimization criterion.
Vorzugsweise ist eine mit einer Pilotkamera gekoppelte Anzeigeeinheit zur Darstellung der mit der Pilotkamera aufgenommen Abbildung sowie eine Auswahleinrichtung vorgesehen, die mit der Steuerungseinheit verbunden und zur Auswahl von Szenenteilen und Spektralbereichen durch einen Nutzer eingerichtet ist. Die Ansteuerung des optischen Filters erfolgt dann in Abhängigkeit von der von der Intensität unabhängigen spektralen Charakteristik des mindestens einen ausgewählten Szenenteils bzw. von den ausgewählten Spektralbereichen. Um die Auswahl von Abbildungsausschnitten zu ermöglichen wird das mit der Pilotkamera ungefilterte Bild auf der Anzeigeeinheit unverfälscht dargestellt.Preferably, a display unit coupled to a pilot camera for displaying the image taken with the pilot camera and a selection device are provided, which is connected to the control unit and set up for selecting scene parts and spectral ranges by a user. The control of the optical filter then takes place as a function of the intensity-independent spectral characteristic of the at least one selected scene portion or of the selected spectral ranges. To the Selection of image cropping to allow the unfiltered with the pilot camera image is displayed on the display unit unadulterated.
Durch die Anzeigeeinheit wird für den Nutzer das mit der Pilotkamera aufgenommene Bild sichtbar dargestellt und kann als Information zur Auswahl relevanter Spektralbereiche durch den Nutzer verwendet werden, ohne das das dem Nutzer dargestellte Bild durch Einschränkung auf den ausgewählten Kanal einen eingeschränkten Informationsgehalt erhält.The display unit displays the image recorded by the pilot camera visibly for the user and can be used by the user as information for selecting relevant spectral ranges, without the image displayed to the user being restricted to the selected channel.
Optional zur separaten Pilotkamera kann auch mit Hilfe eines Strahlteilers unter Umgehung des optischen Filters die ungefilterte Szene durch die Kamera zu Auswahlzwecken aufgenommen werden.As an option for a separate pilot camera, the unfiltered scene can also be recorded by the camera for selection purposes with the aid of a beam splitter, bypassing the optical filter.
In einer alternativen Ausführungsform wird an Stelle des optischen Filters eine Beleuchtungseinheit eingesetzt, um die Szene in auswählbaren Spektralbereichen auszuleuchten. Hierzu muss die Bilderfassungseinrichtung in einer Dunkelkammer angeordnet sein, um eine gezielte multispektrale Aufnahme der Szene in ausgewählten Farbspektralbereichen zu ermöglichen. Eine vollständige Abschirmung der Szene von Fremdstrahlung, d. h. die Erzielung vollkommener Dunkelheit, ist wünschenswert aber nicht zwingend erforderlich. Wichtig ist nur, dass die Dunkelkammer gewährleistet, dass von der Beleuchtungseinheit abhängige Nutzsignal in einem bezogen auf die jeweilige Messaufgabe hinreichend großen Verhältnis zu dem von Umgebungspflicht abhängigen Störsignal steht.In an alternative embodiment, a lighting unit is used instead of the optical filter to illuminate the scene in selectable spectral ranges. For this purpose, the image capture device must be arranged in a darkroom in order to enable a targeted multispectral recording of the scene in selected color spectral regions. A complete shielding of the scene from extraneous radiation, d. H. Achieving complete darkness is desirable but not mandatory. It is only important that the darkroom ensures that dependent on the lighting unit useful signal in relation to the respective measurement task sufficiently large ratio to the dependent on environmental duty noise.
Als Steuerungseinheit kann vorzugsweise ein Computer genutzt werden. Die Anzeigereinheit kann dann ein an den Computer angeschlossener Monitor sein. Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:As a control unit preferably a computer can be used. The display unit may then be a monitor connected to the computer. The invention will be explained in more detail by way of example with reference to the accompanying drawings. It shows:
Fig. 1 Blockdiagramm einer Bilderfassungseinrichtung mit Kamera, Pilotkamera und elektronisch steuerbarem optischen Filter.Fig. 1 block diagram of an image capture device with camera, pilot camera and electronically controllable optical filter.
Figur 1 lässt ein Blockdiagramm einer Bilderfassungseinrichtung mit einer Kamera 1 mit einem vorgesetzten elektronisch steuerbaren optischen Filter 2 erkennen. Das optische Filter 2 kann bspw. ein einstellbares Flüssigkristallfilter LCTF, ein akustisch einstellbares optisches Filter AOTF oder ein elektro-optisches Fabry-Perot-Filter IOPF sein. Das optische Filter 2 wird über einen Controller 3 mit einer Steuerungseinheit 4 angesteuert, an dessen Eingang zu dem das der Ausgang der Kamera 1 anliegt.FIG. 1 shows a block diagram of an image capture device with a camera 1 with a preset electronically controllable optical filter 2. The optical filter 2 may be, for example, an adjustable liquid crystal filter LCTF, an acoustically adjustable optical filter AOTF or an electro-optical Fabry-Perot filter IOPF. The optical filter 2 is controlled by a controller 3 with a control unit 4, at the input to which the output of the camera 1 is applied.
Eine Pilotkamera 5 ist auf dieselbe Szene bzw. einem Ausschnitt aus einer Szene ausgerichtet, indem die Ausrichtung der Kamera 1 und der Pilotkamera 5 sowie die Objektive 6a, 6b der Kamera 1 und der Pilotkamera 5 entsprechend eingestellt sind.A pilot camera 5 is aligned to the same scene or a section of a scene by the orientation of the camera 1 and the pilot camera 5 and the lenses 6a, 6b of the camera 1 and the pilot camera 5 are set accordingly.
Der Ausgang der Pilotkamera 5 ist ebenfalls zu der Steuerungseinheit 4 geleitet.The output of the pilot camera 5 is also routed to the control unit 4.
An die Steuerungseinheit 4 ist eine Anzeigeeinheit 7 angeschlossen, um das ungefiltert aufgenommene Bild der Pilotkamera 5 darzustellen.To the control unit 4, a display unit 7 is connected to represent the unfiltered recorded image of the pilot camera 5.
Die Versorgung der Bilderfassungseinrichtung mit elektrischer Energie erfolgt mit einer Stromversorgungseinheit 8.The supply of the image capture device with electrical energy takes place with a power supply unit 8.
Die Bilderfassungseinrichtung erfasst eine Szene bzw. einen Ausschnitt einer Szene ortsaufgelöst und multispektral, um dann anhand der mindestens einen ausgewählten relevanten Szenenteile das durchstimmbare optische Filter 2 und die Parameter der Kamera 1 optimal und aktiv an die Aufgabenstellung zu adaptieren. Dies kann z. B. bei einer Inspektionsaufgabe erfolgen um einen maximalen Kontrast des Inspektionsmerkmals gegenüber der unmittelbaren Umgebung zu erreichen. Die Pilotkamera 5 dient der Prozessführung und Prozesskontrolle in Echtzeit und erfasst die Szene. Im Bild der Pilotkamera 5 auf der Anzeigeeinheit sind die anwendungsrelevanten Live-Szenenteile auswählbar. Die Adaption und die Steuerung des optischen Filters 2 und optional der Kamera 1 erfolgt durch die Steuerungseineinheit 4.The image capture device captures a scene or a section of a scene in a spatially resolved and multispectral manner in order to optimally and actively adapt the tunable optical filter 2 and the parameters of the camera 1 to the task based on the at least one selected relevant scene parts. This can be z. B. in an inspection task to achieve a maximum contrast of the inspection feature against the immediate environment. The pilot camera 5 is used for process control and process control in real time and recorded the scene. In the image of the pilot camera 5 on the display unit, the application-relevant live scene parts are selectable. The adaptation and the control of the optical filter 2 and optionally the camera 1 are performed by the control unit 4.
Die Bilderfassungseinrichtung kann bspw. zur Aufnahme von Szenen mit Glanzeffekten und Gegenlicht eingesetzt werden, die eine hohe Dynamik haben und mehrere Aufnahmen mit unterschiedlichen Belichtungszeiten, so genannte HDR- Aufnahmen (High Dynamic Range) - bei gleicher Filtereinstellung erfordern. Die aktive Adaptierung mit Hilfe der zweiten Kamera 5 und der Steuerungseinheit 4 würde bei 32 Filterpositionen (10nm-Schritte) und je 4 HDR-Aufnahmen ein Stapel von 128 Bilder mit einer extremen Datenmenge (mehr als 500 MB) von einer einzigen Szene bzw. Probe entstehen. Durch die adaptive an die Applikation angepasste Filterwahl und Datenkomprimierung kann die Aufnahmezeit und die Datenmenge erheblich reduziert werden. Hierzu wird das elektronisch steuerbare optische Filter 2 und ggf. die Parameter der Kamera 1 in Abhängigkeit von der mit der Pilotkamera 5 aufgenommenen Abbildung optimal angesteuert. Dabei wird ein Szenenteil aus der Abbildung ausgewählt und die von der Intensität der Bildinformation unabhängige spektrale Charakteristik des Szenenteils bestimmt. In Abhängigkeit von dieser spektralen Charakteristik werden eine Reihe von Filtereinstellungen bzw. Spektralbereichen ausgewählt, um eine Anzahl von Szenen mit den mehreren voneinander unterschiedlichen Filtereinstellungen aufzunehmen und die Anzahl von Szenen einander zu überlagern. Das Ergebnis der Kombination der aufgenommenen Szenen wird hinsichtlich definierter Optimierungskriterien bewertet, um die adaptiv die Bildaufnahme durch Anpassung der Filtereinstellungen und wiederholte Aufnahme von Szenen mit den angepassten Filtereinstellungen zu optimieren. The image capture device can be used, for example, to record scenes with glossy effects and backlight, which have a high dynamic range and require multiple exposures with different exposure times, so-called HDR (High Dynamic Range) recordings - with the same filter setting. The active adaptation using the second camera 5 and the control unit 4 would, at 32 filter positions (10 nm increments) and 4 HDR recordings each, produce a stack of 128 images with an extreme amount of data (more than 500 MB) from a single scene or sample arise. The adaptive filter selection and data compression adapted to the application can considerably reduce the recording time and the amount of data. For this purpose, the electronically controllable optical filter 2 and possibly the parameters of the camera 1 are optimally controlled as a function of the image taken with the pilot camera 5. In this case, a scene part is selected from the image and the spectral characteristic of the scene part which is independent of the intensity of the image information is determined. In response to this spectral characteristic, a series of filter settings or spectral ranges are selected to accommodate a number of scenes having the plurality of mutually different filter settings and overlaying the number of scenes. The result of combining the recorded scenes is evaluated for defined optimization criteria to adaptively optimize the image acquisition by adjusting the filter settings and repeatedly capturing scenes with the adjusted filter settings.

Claims

Patentansprüche claims
1. Bilderfassungseinrichtung mit einer mindestens einen Bildaufnahmesensor aufweisenden Kamera (1 ) und mit einem elektronisch steuerbaren optischen Filter (2) vor dem Bildaufnahmesensor zur multispektralen Aufnahme von Szenen in ausgewählten Spektralbereichen, gekennzeichnet durch eine Auswahleinheit zur Auswahl mindestens eines Szenenteils einer mit der Kamera (1 ) aufzunehmenden Szene in einem zur Auswahl des Szenenteils geeignet großen Spektralbereich und durch eine Steuerungseinheit (4) zur Ansteuerung des elektronisch steuerbaren optischen Filters (2) und der Kamera (1 ) derart, dass eine Mehrzahl von Bildern derselben Szene in voneinander unterschiedlichen ausgewählten Spektralbereichen aufgenommen wird, wobei die Steuerungseinheit (4) zur Adaption der durch die Ansteuerung des elektronisch steuerbaren optischen Filters (2) vorgenommenen Auswahl von Farbspektralbereichen an die spektrale Charakteristik des mindestens einen ausgewählten Szenenteils und zur Kombination der Mehrzahl von in unterschiedlichen Spektralbereichen aufgenommenen Bilder und adaptiven Ansteuerung des elektronisch steuerbaren optischen Filters (2) zur Optimierung der Auswahl von Spektralbereichen in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Kombination der Mehrzahl von Bildern eingerichtet ist.1. Image acquisition device with a camera (1) having at least one image acquisition sensor and with an electronically controllable optical filter (2) in front of the image acquisition sensor for multispectral recording of scenes in selected spectral regions, characterized by a selection unit for selecting at least one scene part of a camera (1 ) and a control unit (4) for controlling the electronically controllable optical filter (2) and the camera (1) in such a way that a plurality of images of the same scene are recorded in mutually different selected spectral ranges wherein the control unit (4) for adapting the selection of color spectral regions by the activation of the electronically controllable optical filter (2) to the spectral characteristic of the at least one selected scene part and to the combination of the Meh number of images recorded in different spectral regions and adaptive control of the electronically controllable optical filter (2) is set up to optimize the selection of spectral regions as a function of the result of the combination of the plurality of images.
2. Bilderfassungseinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Optimierung der Auswahl von Spektralbereichen hinsichtlich der maximalen Unterscheidbarkeit von Szenenteilen, der geringstmöglichen Anzahl von Filtern oder der geringstmöglichen Unterscheidbarkeit von Szenenteilen oder der maximal möglichen Anzahl von Filtern als Optimierungskriterium erfolgt. 2. Image capture device according to claim 1, characterized in that the optimization of the selection of spectral regions with respect to the maximum distinctness of scene parts, the lowest possible number of filters or the lowest possible distinctness of scene parts or the maximum possible number of filters as an optimization criterion.
3. Bilderfassungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (4) zur Ansteuerung von Parametern der Kamera (1 ) eingerichtet ist.3. Image acquisition device according to claim 1 or 2, characterized in that the control unit (4) for controlling parameters of the camera (1) is set up.
4. Bilderfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahleinheit zur Auswahl eines Szenenteils einer mit der Kamera (1 ) aufzunehmenden Szene einen zwischen einem Objektiv der Kamera (1 ) und dem elektronisch steuerbaren optischen Filter (2) angeordneten Strahlenteiler und eine hinter dem Strahlenteiler angeordnete Aufnahmeeinheit hat.4. Image acquisition device according to one of the preceding claims, characterized in that the selection unit for selecting a scene part of a scene to be recorded with the camera (1) between a lens of the camera (1) and the electronically controllable optical filter (2) arranged beam splitter and a has behind the beam splitter receiving unit.
5. Bilderfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahleinheit zur Auswahl eines Szenenteils einer mit der Kamera (1 ) aufzunehmenden Szene eine Pilotkamera (5) hat.5. Image acquisition device according to one of the preceding claims, characterized in that the selection unit for selecting a scene part of a scene to be recorded with the camera (1) has a pilot camera (5).
6. Bilderfassungseinrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pilotkamera (5) mindestens einen Teil der Aufnahmeeinheit bildet.6. Image capture device according to claim 3 and 4, characterized in that the pilot camera (5) forms at least part of the receiving unit.
7. Bilderfassungseinrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, gekennzeichnet durch eine mit der Pilotkamera (5) gekoppelte Anzeigeeinheit (7) zur Darstellung der mit der Pilotkamera (5) aufgenommenen Abbildung und mit einer Auswahleinrichtung, die mit der Steuerungseinheit (4) verbunden und zur Auswahl von Farbspektralbereichen durch einen Nutzer eingerichtet ist, wobei die7. Image acquisition device according to one of claims 4 or 5, characterized by a with the pilot camera (5) coupled to the display unit (7) for displaying the with the pilot camera (5) recorded image and with a selector device which is connected to the control unit (4) and for selecting color spectral ranges by a user, wherein the
Ansteuerung des elektronisch steuerbaren optischen Filters (2) und/oder der Parameter der ersten Kamera (1 ) in Abhängigkeit von den ausgewählten Spektralbereichen erfolgt.Triggering of the electronically controllable optical filter (2) and / or the parameters of the first camera (1) in dependence on the selected spectral ranges takes place.
8. Bilderfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine mit der Pilotkamera (5) gekoppelte Anzeigeeinheit (7) zur Darstellung der mit der Pilotkamera (5) aufgenommenen Abbildungen und mit einer Auswahleinrichtung, die mit der Steuerungseinrichtung (4) verbunden und zur Auswahl von Szenenteilen durch einen Nutzer eingerichtet ist, wobei die Ansteuerung des optischen Filters (2) und/oder der Parameter der Kamera (1 ) in Abhängigkeit von spektralen Charakteristiken der ausgewählten Szenenteile erfolgt.8. Image acquisition device according to one of the preceding claims, characterized by a with the pilot camera (5) coupled to the display unit (7) for displaying the images with the pilot camera (5) and with a selection device, which with the Control device (4) is connected and set up for the selection of scene parts by a user, wherein the control of the optical filter (2) and / or the parameters of the camera (1) takes place in dependence on spectral characteristics of the selected scene parts.
9. Bilderfassungseinrichtung mit einer mindestens einen Bildaufnahmesensor aufweisenden Kamera (1 ) zur Aufnahme von Szenen in ausgewählten Farbspektralbereichen in einer Dunkelkammer, gekennzeichnet durch eine Beleuchtungseinheit zur Ausleuchtung der aufzunehmenden Szene in auswählbaren Farbspektralbereichen und durch eine Steuerungseinheit (4) zur Ansteuerung der Beleuchtungseinheit und der Kamera (1 ) derart, dass eine Mehrzahl von Bildern derselben Szene in ausgewählten Spektralbereichen aufgenommen wird, wobei die Steuerungseinheit (4) zur Adaption der durch die Ansteuerung der Beleuchtungseinheit vorgenommenen Auswahl von Spektralbereichen an die spektrale9. image capture device with a camera having at least one image sensor (1) for recording scenes in selected Farbspektralbereichen in a darkroom, characterized by a lighting unit for illuminating the scene to be recorded in selectable Farbspektralbereichen and by a control unit (4) for controlling the lighting unit and the camera (1) such that a plurality of images of the same scene are recorded in selected spectral ranges, wherein the control unit (4) for adapting the selection of spectral ranges to the spectral ranges made by the actuation of the illumination unit
Charakteristik eines ausgewählten Szenenteils und zur Kombination der Mehrzahl von in unterschiedlichen Spektralbereichen aufgenommenen Bilder und adaptiven Ansteuerung der Beleuchtungseinheit zur Optimierung der Auswahl von Spektralbereichen in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Kombination der Mehrzahl von Bildern eingerichtet ist.Characteristics of a selected scene portion and the combination of the plurality of images recorded in different spectral regions and adaptive control of the illumination unit for optimizing the selection of spectral ranges depending on the result of combining the plurality of images is set up.
10. Bilderfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (4) ein Computer und die Anzeigeeinheit (7) ein an dem Computer angeschlossener Monitor ist. JG/vk-ih-mr-jl 10. Image capture device according to one of the preceding claims, characterized in that the control unit (4) is a computer and the display unit (7) is a monitor connected to the computer. JG / vc-ih-mr-jl
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