DE-102025121216-B3 - Unterwasser-Bildaufnahmeeinrichtung und Verfahren zur Aufnahme von Unterwasserbildern

Abstract

Eine Unterwasser-Bildaufnahmeeinrichtung (1) mit einer LED-Beleuchtungseinheit (5), einer Gated-Bilderfassungseinheit (4) und einer Steuerungseinheit (11) wird beschrieben. Die Steuerungseinheit ist zur Ermittlung der Beleuchtungsstärke der Umgebung in dem Bildaufnahmebereich der Gated-Bilderfassungseinheit (4) ohne Ausleuchtung durch die LED-Beleuchtungseinheit (5) und zur Ermittlung der Partikelkonzentration im Bildaufnahmebereich der Gated-Bilderfassungseinheit (4) eingerichtet. Es erfolgt eine Bildaufnahme in den abhängig von der ermittelten Beleuchtungsstärke und Partikelkonzentration auswählbaren Betriebsmodi: a) Nicht zusätzlich ausgeleuchtete Bildaufnahme, wenn die ermittelte Beleuchtungsstärke der Umgebung einen vorgegebenen Beleuchtungs-Schwellwert überschreitet ,unabhängig davon, ob die ermittelte Partikelkonzentration einen vorgegebenen Trübungs-Schwellwert über- oder unterschreitet; b) Zusätzlich dauerhaft ausgeleuchtete Bildaufnahme, wenn die ermittelte Beleuchtungsstärke den vorgegebenen Beleuchtungs-Schwellwert unterschreitet und die ermittelte Partikelkonzentration den vorgegebenen Trübungs-Schwellwert unterschreitet; und c) Gepulste mehrfache Ausleuchtung mit damit synchronisierter gepulsten Gated-Bildaufnahme, wenn die ermittelte Beleuchtungsstärke der Umgebung den vorgegebenen Beleuchtungs-Schwellwert unterschreitet und die Partikelkonzentration den vorgegebenen Trübungs-Schwellwert überschreitet.

Inventors

• Jendrik Schmidt

Assignees

• Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20250530

Claims (15)

1. Unterwasser-Bildaufnahmeeinrichtung (1) mit: - einer LED-Beleuchtungseinheit (5); - einer Gated-Bilderfassungseinheit (4), die für eine Bildaufnahme mehrfach in sequentiellen Belichtungszeitfenstern belichtbar und zu einer mit der LED-Beleuchtungseinheit (5) synchronisierten Bildaufnahme eingerichtet ist, und - einer Steuerungseinheit (11), die mit der LED-Beleuchtungseinheit (5) und der Gated-Bilderfassungseinheit (4) verbunden und zur Ansteuerung der LED-Beleuchtungseinheit (5) und der Gated-Bilderfassungseinheit (4) eingerichtet ist, um Unterwasserbilder mit der Gated-Bilderfassungseinheit (4) aufzunehmen, dadurch gekennzeichnet , dass die Steuerungseinheit (11) zur Ermittlung der Beleuchtungsstärke der Umgebung in dem Bildaufnahmebereich der Gated-Bilderfassungseinheit (4) ohne Ausleuchtung durch die LED-Beleuchtungseinheit (5) und zur Ermittlung der Partikelkonzentration im Bildaufnahmebereich der Gated-Bilderfassungseinheit (4) und zur Bildaufnahme in den abhängig von der ermittelten Beleuchtungsstärke und Partikelkonzentration auswählbaren Betriebsmodi: a) der Bildaufnahme mit der Gated-Bilderfassungseinheit (4) ohne Ausleuchtung mit der LED-Beleuchtungseinheit (5), wenn die ermittelte Beleuchtungsstärke einen vorgegebenen Beleuchtungs-Schwellwert überschreitet, unabhängig davon, ob die ermittelte Partikelkonzentration einen vorgegebenen Trübungs-Schwellwert über- oder unterschreitet; b) der Bildaufnahme mit der Gated-Bilderfassungseinheit (4) während der Ausleuchtung mit der LED-Beleuchtung, wenn die ermittelte Beleuchtungsstärke den vorgegebenen Beleuchtungs-Schwellwert unterschreitet und die ermittelte Partikelkonzentration den vorgegebenen Trübungs-Schwellwert unterschreitet; und c) der Bildaufnahme mit der gepulst betriebenen Gated-Bilderfassungseinheit (4) mit mehrfacher gepulster Ausleuchtung durch die LED-Beleuchtungseinheit (5) über die Bildaufnahmezeit für ein Bild mit dem synchronisiert zur gepulsten Ausleuchtung mit der LED-Beleuchtungseinheit (5) angesteuerten Gated-Bilderfassungseinheit (4), wobei die Gated-Bilderfassungseinheit (4) verzögert nach einem Ausleuchtungspuls der LED-Beleuchtungseinheit (5) eine Belichtung der Gated-Bilderfassungseinheit (4) vornimmt, wenn die ermittelte Beleuchtungsstärke den vorgegebenen Beleuchtungs-Schwellwert unterschreitet und die Partikelkonzentration den vorgegebenen Trübungs-Schwellwert überschreitet, eingerichtet ist.
2. Unterwasser-Bildaufnahmeeinrichtung (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass die Steuerungseinheit (11) zur Erfassung der Beleuchtungsstärke und/oder der Partikelkonzentration aus den mit der Gated-Bilderfassungseinheit (4) aufgenommenen Bildern eingerichtet ist.
3. Unterwasser-Bildaufnahmeeinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet , dass die Steuerungseinheit (11) zur Aufnahme eines Bildes im Betriebsmodus c) in einem unmittelbar vor der Gated-Bilderfassungseinheit (4) liegenden Aufnahmebereich ohne aufgenommene Objekte und zur Ermittlung der Partikelkonzentration aus der von den Partikeln im Wasser verursachten Rückstreuung, die in dem mit der Gated-Bilderfassungseinheit (4) aufgenommenen Bild abgebildet sind, eingerichtet ist.
4. Unterwasser-Bildaufnahmeeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen Umweltsensor (14), der zur Erfassung der Beleuchtungsstärke und/oder der Partikelkonzentration im Wasser eingerichtet und mit der Steuerungseinheit (11) zur Ermittlung der Beleuchtungsstärke und/oder der Partikelkonzentration verbunden ist.
5. Unterwasser-Bildaufnahmeeinrichtung (1) nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet , dass der mindestens eine Umweltsensor (14) aus der Gruppe von Radiometer, Trübungssensor, Rückstreusensor, Partikelkonzentrationssensor und Luxmeter ausgewählt ist.
6. Unterwasser-Bildaufnahmeeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Steuerungseinheit (11) zur regelmäßigen Ermittlung der Beleuchtungsstärke und Prüfung, ob die ermittelte Beleuchtungsstärke den vorgegebenen Beleuchtungs-Schwellwert überschreitet, eingerichtet und zum Umschalten in den Betriebsmodus a) eingerichtet ist, sobald die ermittelte Beleuchtungsstärke den vorgegebenen Beleuchtung-Schwellwert überschreitet.
7. Unterwasser-Bildaufnahmeeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Steuerungseinheit (11) zur regelmäßigen Ermittlung der Partikelkonzentration und zum Wechsel in den Betriebsmodus c), wenn die ermittelte Partikelkonzentration den vorgegebenen Trübungs-Schwellwert überschreitet und die ermittelte Beleuchtungsstärke den vorgegebenen Beleuchtungs-Schwellwert unterschreitet, und zum Wechsel in den Betriebsmodus b), wenn die Partikelkonzentration den vorgegebenen Trübungs-Schwellwert unterschreitet und die ermittelte Beleuchtungsstärke den vorgegebenen Beleuchtungs-Schwellwert unterschreitet, eingerichtet ist.
8. Unterwasser-Bildaufnahmeeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die LED-Beleuchtungseinheit (5) Farbgruppen von Leuchtdioden (LED(R), LED(G), LED(B)) hat, wobei die Farbgruppen der Leuchtdioden (LED(R), LED(G), LED(B)) jeweils Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen emittieren.
9. Unterwasser-Bildaufnahmeeinrichtung (1) nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet , dass die Steuerungseinheit (11) zur sukzessiven Aufnahme von Bildern jeweils mit Ausleuchtung einer Farbgruppe der LED-Beleuchtungseinheit (5) eingerichtet ist.
10. Unterwasser-Bildaufnahmeeinrichtung (1) nach Anspruch 8 oder 9 , dadurch gekennzeichnet , dass die Steuerungseinheit (11) zur Bildaufnahme mit Ausleuchtung durch alle Farbgruppen der LED-Beleuchtungseinheit (5) gleichzeitig eingerichtet ist.
11. Unterwasser-Bildaufnahmeeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die LED-Beleuchtungseinheit (5) mehrere LED-Treiber (15) zur Ansteuerung jeweils einer Leuchtdiode (LED) oder einer Gruppe von Leuchtdioden (LEDs) hat, wobei die LED-Treiber (15) mit einem gemeinsamen Triggersignal (T1a, T1b, T1c, C1) der Steuerungseinheit (11) angesteuert werden und eine Trigger-Laufzeitkompensationseinheit (16) zur synchronen Einstellung der Puls-Emissionszeitpunkte aller Leuchtdioden (LEDs) der LED-Beleuchtungseinheit (5) haben.
12. Unterwasser-Bildaufnahmeeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Steuerungseinheit (11) zur dauerhaften Ausleuchtung (CW / PWM) mit der LED-Beleuchtungseinheit (5) im Betriebsmodus b) mindestens über die Bildaufnahmezeit der Gated-Bilderfassungseinheit (4) für ein Bild der Umgebung eingerichtet ist.
13. Unterwasser-Bildaufnahmeeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Gated-Bilderfassungseinheit (4) zu einer Belichtung in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Erfassungsdistanz eines Bildes zur Unterwasser Bildaufnahmeeinrichtung (1) einstellbaren Verzögerungszeit (t d ) nach einem Ausleuchtungspuls der LED-Beleuchtungseinheit (5) und der Belichtung der Gated-Bilderfassungseinheit (4) eingerichtet ist.
14. Unterwasser-Bildaufnahmeeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet , dass die LED-Beleuchtungseinheit (5) zur Ausleuchtung mit Pulsfrequenzen von mehr als 100 kHz und Flankensteilheiten der optischen Pulse von weniger als 5 Nano-Sekunden eingerichtet sind.
15. Verfahren zur Aufnahme von Unterwasserbildern mit einer Unterwasser-Bildaufnahmeeinrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 , gekennzeichnet durch wahlweise Auswahl eines Betriebsmodus: a) zur Bildaufnahme mit der Gated-Bilderfassungseinheit (4) ohne Ausleuchtung der LED-Beleuchtungseinheit (5), wenn die ermittelte Beleuchtungsstärke der Umgebung in dem Bildaufnahmebereich der Gated-Bilderfassungseinheit (4) einen vorgegebenen Beleuchtungs-Schwellwert überschreitet, unabhängig davon, ob die Partikelkonzentration einen vorgegebenen Trübungs-Schwellwert über- oder unterschreitet; b) zur Bildaufnahme mit der Gated-Bilderfassungseinheit (4) während der Ausleuchtung mit der LED-Beleuchtungseinheit (5), wenn die ermittelte Beleuchtungsstärke den vorgegebenen Beleuchtungs-Schwellwert unterschreitet und die Partikelkonzentration den vorgegebenen Trübungs-Schwellwert unterschreitet; und c) zur Bildaufnahme mit der gepulst betriebenen Gated-Bilderfassungseinheit (4) mit mehrfacher gepulster Ausleuchtung über die Bildaufnahmezeit für ein Bild mit der synchronisiert zur gepulsten Ausleuchtung mit der LED-Beleuchtungseinheit (5) angesteuerten Gated-Bilderfassungseinheit (4), wobei die Gated-Bilderfassungseinheit (4) verzögert nach einem Ausleuchtungspuls der LED-Beleuchtungseinheit (5) eine Belichtung der Gated-Bilderfassungseinheit (4) vornimmt, wenn die ermittelte Beleuchtungsstärke den vorgegebenen Beleuchtungs-Schwellwert unterschreitet und die Partikelkonzentration den vorgegebenen Trübungs-Schwellwert überschreitet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Unterwasser-Bildaufnahmeeinrichtung mit:- einer LED-Beleuchtungseinheit;- einer Gated-Bilderfassungseinheit, die für eine Bildaufnahme mehrfach in sequentiellen Belichtungszeitfenstern belichtbar und zu einer mit der LED-Beleuchtungseinheit synchronisierten Bildaufnahme eingerichtet ist, und- einer Steuerungseinheit, die mit der LED-Beleuchtungseinheit und der Gated-Bilderfassungseinheit verbunden und zur Ansteuerung der LED-Beleuchtungseinheit und der Gated-Bilderfassungseinheit eingerichtet ist, um Unterwasserbilder mit der Gated-Bilderfassungseinheit aufzunehmen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Aufnahme von Unterwasserbildern mit einer solchen Unterwasser-Bildaufnahmeeinrichtung. J. Schmidt; E. Peters; M. Stephan; O. Zielinski: „Point spread function measurements for underwater imaging: an analysis of wavelength-specific behavior for image deconvolution.“ in: Optics express (2025) 33 (2), S. 1772-1790. DOI: 10.1364/OE.541377 zeigen für Unterwasser-Bildaufnahmen, dass die Trübung und das Streuverhalten eine hohe spektrale Abhängigkeit aufweisen. Die Standard-Ausrüstung für optische Kamerasysteme an autonomen (AUV) oder ferngesteuerten (ROV) Unterwasserplattformen umfasst aktuell typischerweise empfindliche CMOS Kameras und LED Scheinwerfer. Bestehen erhöhte Anforderungen wie verbesserte Sichtweiten oder 3D Bildgebung, können die Plattformen um zusätzliche Systeme wie Laserscanner oder Range-Gating erweitert werden, welche mit speziellen, eigenen Kombinationen aus aktiver Beleuchtung und optischem Empfänger einhergehen, wie z.B. das in A. Driewer, I. Abrosimov, J. Alexander, M. Benger, M. O'Farrell, K. H. Haugholt, C. Softley, J. T. Thielemann, J. Thorstensen, and C. Yates: „UTOFIA: an underwater time-of-flight image acquisition system“, in: Proc. SPIE 10434, Electro-Optical Remote Sensing XI, 1043404 (5 October 2017); https://doi.org/10.1117/12.2277944 beschriebene UTOFIA System. Range Gating ist eine etablierte Technik zur Verbesserung der Sichtweite im Unterwasserbereich. Bisherige Systeme basieren auf Nanosekunden-gepulsten Laser-Scheinwerfern kombiniert mit Bildverstärker-, Single-Photon-Avalanche-Diode- (SPAD) oder speziellen CMOS Kameras, die in der Lage sind Belichtungszeitfenster von wenigen Nanosekunden zu realisieren. Hier haben sich primär 2 verschiedene Techniken etabliert: Die Single-Shot und die Mehrfach-Belichtungsmethode. In ersterem Fall erhellt ein einziger, starker Laserpuls (typische Pulsenergien im uJ-Bereich pro Puls) die Szenerie und die Bildrate ist gleich der Pulsfrequenz. In letzterer Methode werden mehrere Laserpulse bei höherer Pulsfrequenz emittiert und ein Bild aus der Integration über viele Einzelbelichtungen generiert, dies erfordert eine niedrigere Pulsenergie der Lichtquelle, jedoch gleichzeitig eine Kamera, welche höherfrequent belichten kann. Vergleicht man die typischen Sichtweiten passiver optischer Systeme, wie von J. Ronald V. Zaneveld; W. Scott Pegau (2003): Robust underwater visibility parameter. In: Optics express 11 23, S. 2997-3009 beschrieben, mit den Sichtweiten von Range-Gating Systemen, wie von Maccarone, Aurora; McCarthy, Aongus; Ren, Ximing; Warburton, Ryan E.; Wallace, Andy M.; Moffat, James et al. (2015): Underwater depth imaging using timecorrelated single-photon counting. In: Optics express 23 (26), S. 33911-33926. DOI: 10.1364/OE.23.033911 beschrieben, zeigt dies, dass Range Gating Systeme in der Lage sind unter den entsprechenden Bedingungen (erhöhte Trübung und wenig Umgebungslicht) einen Sichtweitegewinn um etwa den Faktor 2-3 für Intensitätsbilder zu generieren, sowie einen signifikant größeren Sichtweitengewinn für die reine 3D Tiefeninformation. Dabei konkurriert die Lichtquelle des Range-Gated Systems immer mit dem Umgebungslicht und im Falle des Unterwassereinsatz ist, anders als Überwasser, eine spektrale Filterung weniger effektiv, da typischerweise am meisten Umgebungslicht bei der Emissionswellenlänge des Scheinwerfers verfügbar ist, da diese auf die Wellenlänge maximaler Transmission ausgelegt ist (typischerweise im Grünen um 532 nm). CN 1 04 364 673 A offenbart ein Gating-Bildaufnahmesystem, das auf Fahrzeugplattformen oder Unterwasserplattformen eingesetzt werden kann. Das Gated-Imaging-System führt mindestens zwei Bilder (Frames) zusammen, die mit Systembeleuchtung oder auch ohne Systembeleuchtung aufgenommen worden sein können. Die Bildaufnahme kann mit unterschiedlichen Bildsensoren (z.B. Wärmesensoren, CMOS, CCD usw.) erfolgen. Dabei kann ein passives Bild, das keine Lichtquelle verwendet, und ein aktives Bild genutzt werden. Aktive Bilder können eine Zeitsequenz haben mit einem Beleuchtungsimpuls gefolgt von einer Verzögerung der Sensorbelichtung, wie für kontinuierliches Gating definiert ist. Die Beleuchtungsimpulse können unterschiedliche Dauer haben und von Verzögerungen gefolgt sein. Sensoren mit unterschiedlichen Belichtungsdauern in unterschiedlichen Zeitsequenzen können bis zu