DE69621984T2

DE69621984T2 - Optimierung der Darstellung für Nachtsichtsysteme

Info

Publication number: DE69621984T2
Application number: DE69621984T
Authority: DE
Inventors: Alex L Kormos
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: L3 Technologies Inc
Priority date: 1995-05-08
Filing date: 1996-05-08
Publication date: 2003-02-06
Anticipated expiration: 2016-05-09
Also published as: US5781243A; EP0742460A2; DE69621984D1; EP0742460B1; KR960040827A; IL118093A; KR100225370B1; JP3105448B2; JPH09149409A; ES2175032T3; EP0742460A3; IL118093A0

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Nachtsichtsysteme und, genauer gesagt, ein Verfahren zum Optimieren der Anzeigeabmessung und der Wirkungsweise solcher Systeme.

2. Beschreibung der zutreffenden Standes der Technik

Nachtsichtsysteme wurden in jüngerer Zeit für die Verwendung in Verbindung mit Personenfahrzeugen und Marinefahrzeugen entwickelt. Solche Systeme sind beispielsweise in den US-Patentanmeldungen Serien-Nr. 08/226,728 vom 12. April 1994 (Anwaltsaktenzeichen Nr. PD-94072) und deren Continuation-In-Part-Anmeldung (Anwaltsaktenzeichen Nr. PD-94058), mit dem Titel "LOW COST NIGHT VISION FNHANCEMENT SYSTEM FOR MOBILE LAW ENFORCEMENT APPLTCATIONS" und "LOW COST NIGHT VISION SYSTEM FOR MOBILE LAW ENFORCEMENT AND MARINE APPLICATIONS" geoffenbart. Solche Systeme verwenden einen außen angebrachten Nachtsichtsensor (Infrarotkamera) und eine Anzeigeneinrichtung, welche typischerweise innerhalb des Fahrzeugs oder des Marinefahrzeugs montiert ist, um die äußere Szene für die Bedienungsperson oder den Fahrer des Fahrzeugs oder des Schiffes darzustellen.
Vor dem erfindungsgemäßen Vorschlag verwendeten Fahrzeuge, welche mit einer Nachtsichtausrüstung versehen wurden, hatten unabhängig von dem Gesichtsfeld des Sensors oder der Kamera ein Standard-Abbildungsformat von 4 : 3. Ein solches festgelegtes Gesichtsfeld hat verschiedene schwerwiegende Nachteile. Im allgemeinen liefert die Anzeige zu viel Information, welche den Fahrer verwirren kann. Eine Schrägsicht kann zu einer Täuschung der Tiefe führen, was das Ergebnis hat, daß der Fahrer Entfernungen nicht abschätzen kann, beispielsweise den Abstand zu einem vorausfahrenden Fahrzeug. Solche Probleme sind insbesondere in Anwendungsfällen schwerwiegend, in denen die Systemvergrößerung weniger als Eins beträgt, einem Fall also, welcher wünschenswert ist, um die Wiedergabeabmessung zu vermindern, so daß sie für die Verwendung typischerweise in einem Kraftfahrzeug oder für andere Anwendungsfälle passend ist.

AUFGABEN UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist demgemäß ein Ziel der Erfindung, Nachtsichtsysteme zu verbessern. Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, die Anzeigen oder Wiedergaben zu verbessern, welche in Verbindung mit Nachtsichtsystemen zur Anwendung kommen.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Anzeige für ein Nachtsichtsystem zu schaffen, welche verbesserte Tiefenwahrnehmung gestattet. Schließlich ist es ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Anzeige für ein Nachtsichtsystem mit verbesserten Informationsführungsmöglichkeiten zu schaffen.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Optimieren der Anzeige eines Nachtsichtsystems geschaffen, wie dies im anliegenden Anspruch 1 angegeben ist, wobei das Anzeigegesichtsfeld und das Sensorgesichtsfeld für die Nachtsichtausrüstung optimiert werden. Gemäß der Erfindung wird eine Beziehung zwischen dem gewählten Sensorgesichtsfeld und dem Anzeige-Formatverhältnis geschaffen, das in Abhängigkeit von der genannten Auswahl für eine bestimmte Anordnung des Sensors am Fahrzeug verwirklicht wird. Gemäß dieser Beziehung nimmt das Anzeige-Formatverhältnis oder Wiedergabe-Ansichtsverhältnis ab, wenn das gewählte Gesichtsfeld sich verengt, so daß nur soviel Information geliefert wird, wie die Bedienungsperson oder der Fahrer normalerweise durch die Windschutzscheibe mit unbewaffnetem Auge sieht. Die vertikale so Abmessung des Gesichtsfeldes der Anzeige, die dem Auge des Fahrers dargeboten wird, wird also so gewählt, daß sie nur nutzbare Information für den Fahrer liefert und die Straßenfläche unmittelbar vor dem Fahrzeug wird beispielsweise aus dem Gesichtsfeld eliminiert, da sie keine nutzbare Information liefert und tatsächlich das Auge aufgrund der hohen Bewegungsgeschwindigkeit ablenkt. Die Tiefenwahrnehmung wird verbessert, da eine übermäßige Vertikalinformation in der Anzeige, welche die Tiefensicht des Fahrers verzerrt, ebenfalls beseitigt wird. Die Zeitdauer, welche der Fahrer benötigt, um die in der Anzeige gebotene Information aufzunehmen, wird auch vermindert, wodurch die Anpassung des Fahrers an den Informationsinhalt der Anzeige verbessert wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung, von deren Neuheit auszugehen ist, werden vornehmlich in den anliegenden Ansprüchen definiert. Die vorliegende Erfindung wird sowohl bezüglich der Organisation und der Wirkungsweise zusammen mit weiteren Zielen und Vorteilen am besten durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen verständlich.
Fig. 1 ist eine schematisch perspektivische Ansicht eines Nachtsichtsystems, in welchem die bevorzugte Ausführungsform verwirklicht ist.
Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm zur Erläuterung eines optischen Systems gemäß der bevorzugten Ausführungsform.
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht, welche einen optimierten Anzeigeschirm oder eine optimierte Anzeigetafel gemäß der bevorzugten Ausführungsform zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

so Die folgende Beschreibung wird angegeben, um einen Fachmann in die Lage zu setzen, die Erfindung auszuüben und zu verwenden und legt die vom Erfinder in Betracht gezogenen besten Ausführungsformen zur Verwirklichung seiner Erfindung dar. Vielerlei Modifikationen liegen jedoch für die Fachleute auf der Hand, da die allgemeinen Prinzipien der vorliegenden Erfindung hier im einzelnen dargelegt sind, um leicht herzustellende und kommerziell verwertbare Ausführungsformen zu schaffen.
Fig. 1 ist eine schematische Abbildung einer beispielsweisen Installation eines billigen Nachtsichtsystems in einem Sicherheitsfahrzeug (in strichpunktierten Linien dargestellt). Das System 1000 enthält eine Nachtsichtkamera 1, welche in einem Zielmechanismus 500 auf dem Dach des Sicherheitsfahrzeugs oder Streifenwagens 1010 (in strichpunktierten Linien gezeichnet) montiert ist. Die Nachtsichtkamera 1 und der Zielmechanismus 500 sind auf dem Dach des Fahrzeugs 1010 durch geeignete Installationsmittel 1012 (nicht dargestellt) montiert.
Wie weiterhin in Fig. 1 dargestellt ist, ist die Nachtsichtkamera 1 mit einer Wiedergabeeinheit oder Anzeigeeinheit verbunden, welche in der beispielsweisen Ausführungsform etwa als "Datavision"-Uberkopfanzeige (HUD) verwirklicht sein kann, welche von Firma Hughes Aircraft Company erhältlich ist. Die "Datavision"-Überkopfanzeige HUD enthält einen Projektor 587, einen Kombinierer 1030, Wiedergabeelektronik 100, welche sich im Kofferraum befindet, und Datensignalkabelbäume und Leistungskabelbäume 1038 beziehungsweise 1039. Der Kombinierer 1030 ist an der Windschutzscheibe 1032 (strichpunktiert dargestellt) des Fahrzeugs 1010 montiert, um ein reelles Bild der Projektors 587 wiederzugeben. Die Kabelbäume 1038 und 1039 sind abgeschirmt und in geeigneten Befestigungskanälen untergebracht.
Die Videoanzeige ist nicht auf ein "Datavision"-Gerät HUD beschränkt. Alternativ kann eine aktive Flüssigkristallanzeigenmatrix (LCD), welche am Armaturenbrett des Fahrzeugs montiert ist, dazu verwendet werden, das reelle Bild von der Kamera wiederzugeben. Aktive Matrix-Flüssigkristallanzeigen sind von den Firmen Citizen, Sharp und Toshiba erhältlich, um nur einige zu nennen.
Anstatt ein reelles Bild wiederzugeben kann die Videoanzeige auch ein virtuelles Bild darstellen. Das virtuelle Bild kann durch "Virtual Image Glasses" wiedergegeben werden, welche durch Firma Virtual Vision, Redmond, Washington, erhältlich sind. Die Brille Für die virtuellen Bilder projizieren ein fernsehartiges Breitwandbild vor der Stoßstange des Fahrzeugs. Ein Officer trägt die Brille, um die Szene vor sich zu betrachten. Die Daten werden entweder durch fest verdrahtete Verbindung oder drahtlos von der Kamera zu der Brille übertragen, (beispielsweise mit gedehntem Spektrum). Anstelle der Brille kann ein an einem Helm angebrachtes Betrachtungsgerät verwendet werden, um das fernsehartige Breitbandbild vor der Stoßstange des Fahrzeugs zu projizieren.
Alternativ kann ein virtuelles Bild unmittelbar auf der Windschutzscheibe des Fahrzeugs durch eine virtuelle Anzeigeeinrichtung wiedergegeben werden, wie sie in der europäischen Patentanmeldung EP-A-0596729 offenbart und beansprucht ist, welche den Titel VIRTUAL IMAGE INSTRUMENT PANEL DISPLAY trägt und auf den Zessionar der vorliegenden Erfindung übertragen ist. Dieses System, welches Spiegel und eine aktive Matrix von Flüssigkristallanzeigen als Quelle enthält, kann beim Kraftfahrzeughersteller installiert werden oder kann als Nachrüstung eingebaut werden.
Das System 100 wird durch eine Fernsteuereinheit 566 gesteuert, die innerhalb des Fahrzeugs 1010 montiert ist. In der bevorzugten Ausführungsform wird die Fernsteuereinheit 566 durch einen Joystick 568 und eine Mehrzahl von Schaltern 572 verwirklicht. Die Kamera 1, die Fernsteuerung 566 und die Projektionseinheit sind miteinander durch den Datensignal-Kabelbaum 1038 und den Leistungs-Kabelbaum 1039 sowie mit der Wiedergabeelektronik 1040 verbunden, die sich im Kofferraum des Fahrzeugs 1010 befindet. Weitere Einzelheiten des Sichtverbesserungssystems 2 ergeben sich durch Bezugnahme auf die vorerwähnten US-Patentanmeldungen.
Fig. 2 zeigt schematisch ein optisches System 13, welches einen Infrarotsensor 11, beispielsweise die Kamera 1, wie sie in dem Nachtsichtsystem von Fig. 1 verwendet so wird, aufweist. Das optische System 13 fokussiert gleich beabstandete Punkte 15 längs einer Straße 17 auf eine Brennebenen-Gruppenanordnung 19. Wie in den vorerwähnten Patentanmeldungen offenbart kann die Brennebenen-Gruppenanordnung 19 eine Gruppe ungekühlter Detektoren sein, von denen schließlich über geeignete Kabel 21 ein Bild an eine Wiedergabeeinrichtung 23 geliefert wird.
Das optische System 13 von Fig. 2 ist ein optisches Weitwinkelsystem, d. h., ein System, das sowohl nahe als auch weite Gesichtsfeldpunkte beim Ausblick vor dem Fahrzeug 1010 enthält. In einem solchen System sind gleich beabstandete Punkte im Objektraum nicht linear auf der Brennebenen-Gruppenanordnung 19 verteilt. Diese nichtlineare Verteilung der optischen Hauptstrahlen erzeugt im Gehirn des Fahrers eine Fehleinschätzung des Abstandes. Analysiert man das System von Fig. 2, so sieht man, daß bei einer Verschmälerung des Sensorblickfeldes in der horizontalen Abmessung das Wiedergabe-Ansichtsverhältnis abnehmen muß, um die selbe Menge von Vertikalinformation an den Fahrer zu vermitteln (d. h., einen konstanten Vertikal-Blickfeldwinkel). In einer Reihe von Photographien desselben Fahrzeugs mit veränderlichem Linsenwinkel wird also die Beurteilung, wie weit sich das Fahrzeug entfernt befindet, fortschreitend schwieriger, wenn der Linsenwinkel größer und größer wird. Es existiert so viel äußere Information in der Szene, daß der Betrachter die Fähigkeit verliert, das dargestellte Bild mit der reellen Welt in Beziehung zu setzen. Obwohl die Größe des Fahrzeugs fortschreitend kleiner wird, wenn sich der Linsenwinkel vergrößert, sieht der Fahrrer zusätzlich im Grundsatz denselben relativen "Abstand" in jeder Ansicht. Die vorstehenden Betrachtungen gehen davon aus, daß die Größe eines Fahrzeugs für einen Fahrer relativ bekannt ist.
Die vorausgegangene Analyse zeigt die eigentümliche Beziehung zwischen den Blickfeldern des Sensors und der Wiedergabe auf. Diese Beziehung wird in der folgenden Tabelle empirisch quantifiziert, wobei "HFOV" das horizontale Blickfeld bezeichnet:

TABELLE I

SENSOR HFOV (GRAD) OPTIMALES WIEDERGABE-ANSICHTVERHÄLTNIS (HORIZONTAL : VERTIKAL)

58 5 : 2
33 4 : 2
27 5 : 3
16 4 : 3
Alle Ansichtsverhältnisse, welche in Tabelle I angegeben sind, gelten für eine 8,5 Zoll breite Horizontalwiedergabe, die bei annähernd 30 Zoll betrachtet wird, wobei die Kamera bzw. der Sensor auf dem Dach des Fahrzeugs befestigt ist, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Ist einmal das Wiedergabe-Ansichtsverhältnis für die Tiefenwahrnehmung optimiert, so kann der Konstrukteur des Systems sicher sein, daß dem Fahrer das absolute Minimum der dargestellten Information geboten wird. Eine solche Optimierung bewirkt eine Beschränkung auf die Wiedergabe von nur soviel Information, wie der Fahrer normalelweise mit unbewaffnetem Auge durch die Windschutzscheibe sieht.
Es wird von dem Erfinder auch für wünschenswert gehalten, die Anzahl der für die Betrachtung der Anzeige 23 erforderlichen Augenfixierungen minimal zu halten. Es ist aus der Technik der Konstruktion und der Integration von Fluganzeigen in einem Flugzeug bekannt, daß die Anzahl von Augenfixierungen, die zur Aufnahme von Information von einer Anzeige erforderlich ist, unmittelbar proportional zu dem Winkelbereich ist. Eine gute Faustregel ist, daß eine Augenfixierung sich aus bis zu drei feinen Augenbewegungen oder "Saccaden" zusammenfaßt und daß jede Augenbewegung nutzbare Information über eine kreisförmige Winkelfläche von fünf Grad liefert. Eine Minimierung der Anzahl der Augenfixierungen ist daher aus Sicherheitsgründen und für die Effizienz in der Anzeige bei Flugzeugen, Kraftfahrzeugen, Lastkraftwagen, Erholungsfahrzeugen oder anderen Arten von beweglichen Einrichtungen wünschenswert.
Die bevorzugte Ausführungsform minimiert die Anzahl von Augenfixierungen durch Minimieren der Menge von Anzeigeinformation, die der Betrachter verarbeiten muß.
Fernerhin ist die Wichtigkeit der Gesamt-Systemvergrößerung zwischen einem Objekt in der reellen Welt und einem Objekt zu beachten, das auf der Anzeige betrachtet rcl. Die Systemvergrößerung kann folgendermaßen errechnet werden:
Systemvergrößerung = θO/θD
hierin bedeuten
θO winkelmäßige Erstreckung eines Gegenstandes im Objektraum
θD = winkelmäßige Erstreckung des Gegenstandes, wie er auf der Anzeige bei der gegebenen Position des Auges des Fahrers gesehen wird.
hierin bedeuten
A = lineare Abmessung des abgebildeten Gegenstandes in Zoll
B = Abstand des Auges zur Anzeige in Zoll
Geht man von den obigen Beziehungen aus, so erkennt man, daß eine Systemvergrößerung, welche kleiner als 1 ist, Probleme bei der Beurteilung der Tiefe in der Anzeige 23 bereitet. Wenn die Systemvergrößerung stets auf dem Wert "1" gehalten würde, dann spielte das Blickfeld des Sensors 11 keine Rolle. Dies erfordert jedoch eine sehr große Wiedergabeeinrichtung 23 für große Blickwinkel im Sensor 11. Da eine große Wiedergabeeinrichtung in vielen Fahrzeugen einzubauen ist, werden die hier angegebenen Beziehungen sehr zweckmäßig verwertbar, wenn für das horizontale Blickfeld des Sensors 11 ein großer Blickwinkel gewünscht wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform, welche entsprechend der Erfindung ausgeführt ist, beträgt das Blickfeld des Sensors 11 siebenundzwanzig Grad in Horizontalrichtung und neun Grad in Vertikalrichtung. Bei einem mittleren Abstand 22 von der Wiedergabeeinrichtung 23 zu dem Auge 24 des Fahrers von 30 Zoll und einer Bildvergrößerung von 0,5 : 1 wird das Wiedergabe-Ansichtsverhältnis zu 3 : 1 gewählt, was in einer Wiedergabeeinrichtung 23 resultiert, welche 7,2 Zoll in der Breite (horizontal) und 2,4 Zoll in der Höhe (vertikal) mißt, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Die Wiedergabeeinrichtung 23 wird unmittelbar vor dem Fahrer angeordnet, an einem Ort, wo sich normalerweise am Armaturenbrett die Anzeigeinstrumente des Kraftfahrzeugs befinden, doch ist dies in keiner Weise der einzige mögliche Ort der Anordnung für die Wiedergabeeinrichtung 23.
Die obigen Ausführungen gelten für alle Formen von Anzeigen, die in einem Fahrzeug möglich sind. Es kann sich um Flachschirmgeräte, Kathodenstrahlröhren, projizierte Anzeigen oder unmittelbare Anzeigen handeln, welche in dieser Weise ausgebildet werden, unabhängig von der Anordnung der Wiedergabe- oder Anzeigeeinrichtung im Fahrzeug. Jede empirisch abgeleitete Beziehung zwischen dem Ansichtsverhältnis und dem Blickfeld des Sensors oder der Kamera (wenn die Kamera sichtbar ist) ändert sich in bestimmtem Maße, wenn sich das Blickfeld des Sensors oder der Kamera bezüglich der Fahrerszenerie vor dem Fahrzeug ändert. Eine allgemeine Formel ist bisher nicht abgeleitet worden, doch kann man leicht eine solche Formel geometrisch unter Anwendung der Trigonometrie ableiten. Die wichtige Überlegung bei der Auswahl des Wiedergabe-Ansichtsverhältnisses (im vorliegenden Falle 3 : 1) besteht darin, eine den Fahrer überschwemmende äußere Information im vertikalen Feld zu vermeiden. Aus diesem Grunde ist die Vertikalabmessung der Anzeige um so schmäler, je breiter das Blickfeld des Sensors in Horizontalrichtung ist.
Ein 9-Grad-Vertikalblickfeld ist bei der bevorzugten Ausführungsform optimal, wie durch empirische Versuche bestimmt wurde. In einer bevorzugten Ausführungsform war es ein besonderes Ziel, die Zeitdauer zu reduzieren, während der die Augen des Fahrers von dem Blick durch die Windschutzscheibe abgelenkt und auf das wiedergegebene Bild hingelenkt waren.
Die Fachleute erkennen, daß vielerlei Anpassungen und Modifikationen der soeben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform gebaut werden können, ohne daß der Grundgedanke der Erfindung verlassen wird. Es versteht sich daher, daß die Erfindung auch in anderer Weise als hier im einzelnen beschrieben innerhalb des Umfangs der anliegenden Ansprüche verwirklicht werden kann.

Claims

1. Verfahren zum Optimieren der Szenerie, die sich einem Betrachter durch ein Nachtsichtsystem bietet, in welchem ein Sensor (11) mit einem optischen Weitwinkelsystem (13) und eine Sichtanzeigeeinrichtung (19) verwendet werden, mit folgenden Schritten:

Anordnen des Sensors (11) derart, daß er ein Blickfeld einer ausgewählten Horizontalabmessung hat; und

Auswahl des Ansichtsverhältnisses der Wiedergabeeinrichtung (19) auf der Basis der Horizontalabmessung, wobei das Wiedergabe-Ansichtsverhältnis abnimmt, wenn das horizontale Blickfeld des Sensors schmäler wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Sensor (1, 11) oberhalb einer Windschutzscheibe (1032) befestigt wird und das Wiedergabe-Ansichtsverhältnis so gewählt wird, daß nur so viel Information geboten wird, wie ein Betrachter durch die Windschutzscheibe (1032) mit unbewaffnetem Auge (24) sieht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, welches weiter den Schritt der Auswahl des vertikalen Blickfeldes des Sensors (11) derart umfaßt, daß es 9 Grad beträgt.

4. Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, welches weiter den Schritt der Auswahl des horizontalen Blickfeldes des Sensors (11) derart enthält, daß es 27 Grad beträgt.

5. Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, welches weiter den Schritt der Auswahl des mittleren Abstandes (22) zwischen der Wiedergabeeinrichtung (23) und dem Auge (24) zu 30 Zoll (76,2 cm), der Systembildvergrößerung zu 0,5 : 1 und des Wiedergabe-Ansichtsverhältnisses zu 3 : 1 umfaßt

6. Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, welches weiter den Schritt der Auswahl des Wiedergabe-Ansichtsverhältnisses gemäß der folgenden Tabelle umfaßt, worin HFOV das horizontale Blickfeld bedeutet:

SENSOR HFOV (GRAD) GEWÄHLTES WIEDERGABE-ANSICHTSVERHÄLTNIS (HORIZONTAL : VERTIKAL)

585 : 2

334 : 2

275 : 3

16 4 : 3