DE19925159A1 - Generation of panoramic videos using modular panoramic video camera, involves forming sum of individual videos produced by several video camera heads, and correcting e.g. axial steps - Google Patents
Generation of panoramic videos using modular panoramic video camera, involves forming sum of individual videos produced by several video camera heads, and correcting e.g. axial stepsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung ist eine Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von digitalem Panoramavideo (Bild, Ton) entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 + 2.The invention is an apparatus and method for generating digital panoramic video (image, sound) according to the Preamble of claim 1 + 2.
Rundumvideos/filme sind seit Einführung des Bewegtbildes eine Herausforderung und seit zwei Jahrzehnten bedingt durchaus Stand der Technik.All-round videos / films have been a challenge since the introduction of moving images and have been conditional for two decades State of the art.
Diese bestehenden Rundumfilme werden mit speziellen Kameras bzw. Spezialweitwinkelobjektiven gedreht, der Film wird an schließend mit einem Spezialprojektor wieder sichtbar gemacht.These existing all-round films are shot with special cameras or special wide-angle lenses, the film is on finally made visible again with a special projector.
Das IMAX-Verfahren als das bekannteste (und qualitativ beste) erfordert eine ca. 1 Mio. DM teure 70 mm Filmkamera, ein spezielles Nikon 220 Grad Weitwinkelobjektiv (das leider nicht mehr hergestellt wird) und handgefertigtes 70 mm Filmmateri al. Nachträgliche digitale Bearbeitung ist nur unter extrem hohem finanziellen Einsatz möglich. Weltweit gibt es nur zwei Fir men die ein solches Material digitalisieren können. Preise sind nur nach Absprache über den Gesamtauftrag erhältlich und lie gen auf jeden Fall über 40 DM pro Einzelbild, d. h. ca. 1000 DM pro Sekunde Film. Die resultierende Bildgröße von 48 Megabyte (das bedeutet 1,125 Gigabyte pro Sekunde) stellt zudem sehr hohe Anforderungen an das System mit dem das digitalisierte Ma terial bearbeitet werden soll.The IMAX process as the best known (and qualitatively best) requires an approx. DM 1 million 70 mm film camera special Nikon 220 degree wide-angle lens (which unfortunately is no longer manufactured) and handmade 70 mm film material al. Subsequent digital processing is only possible with extremely high financial expenditure. There are only two Fir worldwide men who can digitize such material. Prices are only available after consultation about the entire order in any case over 40 DM per frame, d. H. about 1000 DM per second of film. The resulting image size of 48 megabytes (that means 1.125 gigabytes per second) also places very high demands on the system with which the digitized Ma material to be processed.
Ein weiteres Verfahren benutzt an Stelle der 70 mm Kamera eine Altavista Kamera deren Filmmaterial und Format dem des Diafilmes gleicht. Auch hier kommt das schon erwähnte Nikon Objektiv zum Einsatz. Die Digitalisierungskosten belaufen sich hier auf ca. 50% des o. a. Betrages. Bildgroße und Anspruche an das Finishing bzw. Bearbeitungssystem bleiben gleich.Another method uses an Altavista camera instead of the 70 mm camera whose film material and format are the same of the slide film resembles. The Nikon lens mentioned above is also used here. The digitization costs are here about 50% of the above Amount. Image size and demands on the finishing or processing system remain the same.
Ein Nachteil beider o. a. Systeme ist die kurze Aufnahmezeit (ca. 3 Min.) und der zusätzliche Aufwand Ton in diese Surround aufnahme zu integrieren. Zusätzlich erschweren Größe und hohes Gewicht den Einsatz solcher Kameras.A disadvantage of both of the above Systems is the short recording time (approx. 3 min.) And the additional effort of sound in this surround to integrate recording. In addition, size and high weight make the use of such cameras more difficult.
Die Videotechnik führte zu weiteren Lösungen.Video technology led to further solutions.
Rotierende Kameras mit kleineren (Extrem-)Weitwinkelobjektiven arbeiten erheblich kostengünstiger, können aber Bewe gungen nicht in der nötigen Bildanzahl (25/50 bzw. 24 Bilder pro Sekunde) aufnehmen, zudem haben diese Systeme eine er heblich geringere Bildauflösung.Rotating cameras with smaller (extreme) wide-angle lenses work considerably cheaper, but they can move not record the required number of images (25/50 or 24 images per second), and these systems also have a he considerably lower image resolution.
Andere Videosysteme arbeiten mit mehreren Kameras und Spiegelsystemen. Diese Systeme haben gegenüber den zuvor ge nannten den Vorteil eine bessere Auflösung und auch Bildanzahl liefern zu können, jedoch erfassen sie nur einen einge schränkten Bildbereich. Eine Wiedergabe der Bilder ist nur über spezielle Projektionssysteme machbar, ein nachträgliches Ver ändern, Bearbeiten oder eine Einbindung in ein Video oder Film kann nicht realisiert werden.Other video systems work with multiple cameras and mirror systems. These systems have compared to the previous ones mentioned the advantage of being able to deliver a better resolution and number of images, but they only capture one restricted image area. The images can only be reproduced using special projection systems Modification, editing or integration into a video or film cannot be realized.
Die Einführung des Digitalen Videostandards DV(DVGAM etc.) erhöht zwar die Bildqualität der Videosysteme, löst aber die grundsätzlichen Probleme nicht. Eine nachträgliche Bearbeitung in der Postproduktion zur Erzeugung von Videos oder Ein bindung in interaktive Applikation ist nicht möglich.The introduction of the digital video standard DV (DVGAM etc.) increases the image quality of the video systems, but solves them fundamental problems not. Subsequent processing in post-production to create videos or a binding in interactive application is not possible.
Sind bereits bei den Einzelsystemen auf geführt.Are already listed in the individual systems.
Aufgabe der Erfindung ist es ein leicht zu handhabendes System zur Verfügung zu stellen, das die Nachteile der schon genann ten Systeme soweit als möglich ausschaltet und zudem flexibler eingesetzt werden kann.The object of the invention is to provide an easy-to-use system that already has the disadvantages systems as far as possible and can also be used more flexibly.
Ein Kamerasteckkopf, der mit einer speziell angeordneten Reihe von Steckverbindungen versehen ist (abgestimmt auf die ver wendeten Objektive/Video-CCDs), nimmt eine Anzahl von Videokameraköpfen mit Mikrofon auf. Anzahl und Position weißen durch den zu erfassenden Bildwinkel bestimmt. Dadurch lassen sich Bildwinkel bis zu 360 Grad horizontal und nahezu 180 Grad vertikal erfassen.A camera plug head, which is provided with a specially arranged row of plug connections (matched to the ver lenses / video CCDs), accommodates a number of video camera heads with a microphone. White number and position determined by the angle of view to be recorded. This allows image angles up to 360 degrees horizontally and almost 180 Record degrees vertically.
Aufgezeichnet wird auf DV-Videorecordern, die über eine zentrale Steuerung betätigt werden. Ein zusätzliches Synch-Signal auf einer Audiospur gewährleistet die spätere Synchronität in der Weiterverarbeitung.It is recorded on DV video recorders that are operated via a central control. An additional synch signal on an audio track ensures later synchronicity in further processing.
Ein zusätzlicher Videoswitcher erlaubt es die einzelnen Videosignale der Köpfe auf zwei LCD-Monitoren vergleichend darzustel len und gegebenfalls zu korrigieren. An additional video switcher allows the individual video signals of the heads to be displayed on two LCD monitors for comparison len and correct if necessary.
Die aufgezeichneten Daten werden anschließend verlustfrei auf einen Rechner übertragen.The recorded data is then transferred to a computer without loss.
Dort werden mit einer speziellen Software die Videobilder der einzelnen Köpfe zu kompletten (Panorama)Bildern zusammen gefügt, aus denen dann je nach Anforderung verschiedene Arten von Videos generiert werden können.Using special software, the video images of the individual heads are combined to form complete (panorama) images added, from which different types of videos can then be generated depending on the requirements.
Das vorgestellte Kamerasystem ist selbst bei der maximalen Ausstattung mit Videoköpfen nicht größer als ca. 35 cm im Durch messer. Die im Prototypen verwendeten DV-Recorder sind sowohl in Größe als auch im Gewicht zu sehr kompakten leicht zu transportierenden Einheiten zusammenzufassen. Die Kosten für das Bandmaterial sind mit ca. 2 DM pro Kassette bei 1 Stunde Aufnahmezeit sehr gering.The presented camera system is not larger than approx. 35 cm in the through even with the maximum equipment with video heads knife. The DV recorders used in the prototype are too compact in size and weight summarize transporting units. The cost of the tape material is about 2 DM per cassette at 1 hour Recording time very short.
Die Verwendung vieler Standardbauteile im Kernbereich ermöglicht nicht nur ein zuverlässiges Funktionieren der Erfindung (Ersatz bei Teildefekten) sondern auch eine schnelle Anpassung an zukünftige technische Entwicklungen (höhere Auflösun gen bei CCDs und den digitalen Aufzeichnungsformaten, die Optik und der Bildwinkel bleiben gleich und damit auch der Ka merasteckkopf; oder Austausch der Digitalisier- und Finishingeinheit gegen schnellere Rechner).The use of many standard components in the core area not only enables the invention to function reliably (Replacement for partial defects) but also a quick adjustment to future technical developments (higher resolution conditions with CCDs and the digital recording formats, the optics and the angle of view remain the same and thus the Ka merasteckkopf; or exchange of the digitizing and finishing unit for faster computers).
Der Preis eines Basissystemes liegt nach derzeitiger Kalkulation bei einem sechstel bis einem achtel eines Filmkamerasystemes und liefert im normalerweise interessanten Bildbereich (360 Grad horizontal, 40 Grad vertikal) eine minimal schlechtere phy sikalische Auflösung des Bildes wie die Filmkameravariante (Filmkamera mit Scan auf 4k Auflösung ergibt eine resultierende Auflösung horizontal oben 8400 Bildpunkte, horizontal unten 12 800 Bildpunkte, vertikal 700). Die eigene Lösung erzeugt: ho rizontal oben/unten 8000 Bildpunkte vertikal 700 Bildpunkte. Zudem kann das System auch als 'elektronisches Weitwinkel' verwendet werden, da die Köpfe sich auch in anderen Anordnungen auf den Kamerakopf montieren lassen. (Bsp. Abb. 1, 2) Die Digitalisierungskosten liegen nahezu bei null, da prinzipiell nur die Stromkosten für die Digitalisierungszeit anfallen. Der Digitalisierungs-PC kann gleichzeitig als Finishing-Station verwendet werden und kostet selbst in extremer Ausstattung nicht mehr als 30.000 DM und ist somit mehrere Millionen D-Mark preiswerter als ein handgefertigter 70 mm Filmscanner.According to current calculations, the price of a basic system is one sixth to one eighth of a film camera system and, in the normally interesting image area (360 degrees horizontal, 40 degrees vertical), provides a minimally poorer physical resolution of the image than the film camera variant (film camera with scan to 4k resolution results a resulting resolution horizontally above 8400 pixels, horizontally below 12 800 pixels, vertically 700). Your own solution creates: horizontally above / below 8000 pixels vertically 700 pixels. The system can also be used as an 'electronic wide angle', as the heads can also be mounted on the camera head in other configurations. (E.g. Fig. 1, 2) The digitization costs are almost zero, since in principle only the electricity costs are incurred for the digitization time. The digitizing PC can also be used as a finishing station and, even with extreme equipment, costs no more than DM 30,000, making it several million German marks cheaper than a hand-made 70 mm film scanner.
Der Speicherbedarf bei dieser Art der Bearbeitung liegt lediglich bei ca. 50 Megabyte pro Sekunde bei 15 Videoköpfen (maximal 177 Megabyte pro Sekunde bei 49 Köpfen) und läßt sich damit auf jedem hochwertigen PC problemlos bearbeiten.The memory requirement for this type of processing is only around 50 megabytes per second with 15 video heads (maximum 177 megabytes per second with 49 heads) and can be easily processed on any high-quality PC.
Der vermeintliche Nachteil des Systemes, der aus der eventuell sehr hohen Anzahl von Videoköpfen ensteht, deren Einstellung im Vergleich zu herkömmlichen Systemen zeitaufwendiger ist, stellt aber einen erheblichen Vorteil des Systemes dar. In gleich mäßige Ausleuchtung innerhalb einer Panoramaszene kann schon während der Aufnahme ausgeglichen werden. Die flexible Anordnung der Videoköpfe erlauben dem Drehteam die Einstellungen in zwei Schritten zu drehen (z. B. Take Nr. 1220 Grad in eine Richtung, dann Umbau der Beleuchtung etc., dann Take Nr. 2 mit 220 Grad in die entgegengesetzte Richtung). Die An wendung herkömmlicher Filmkamerasysteme würden den finanziellen Aufwand verdoppeln, bei Anwendung der Erfindung er gibt sich nur die Mehrbearbeitungszeit, die durch die doppelt vorhandenen Filmteile entsteht (es sind im Beispiel 440 Grad er fasst worden).The supposed disadvantage of the system, which arises from the possibly very high number of video heads, their adjustment is more time-consuming in comparison to conventional systems, but represents a considerable advantage of the system moderate lighting within a panorama scene can be compensated for during the recording. The flexible The arrangement of the video heads allows the rotating team to rotate the settings in two steps (e.g. Take No. 1220 degrees in one direction, then change the lighting etc., then take No. 2 at 220 degrees in the opposite direction). The An using conventional film camera systems would double the financial expenditure, if he applied the invention there is only the additional processing time that arises from the duplicate film parts (in the example it is 440 degrees) been caught).
Damit diese Möglichkeiten in dem Umfang überhaupt nutzbar sind, wurde ein Verfahren entwickelt mit dem es gelingt die so genannten Achsensprünge auszugleichen. Diese werden gemeinhin dadurch verursacht, daß die Bildpunkte der verschiedenen Videoköpfe nicht in einem Punkt hegen. Zudem werden hier die Bilder entzerrt, eventuell farbkorrigiert und zum gewünschten Komplettbild zusammengefügt; damit steht die Gesamtaufnahme der Nachbearbeitung bzw. Integration zur Verfügung.So that these possibilities can be used to the extent possible, a process was developed with which it succeeds to compensate for the axis jumps mentioned. These are commonly caused by the fact that the pixels of the different Don't have video heads on one point. In addition, the images are rectified here, possibly color corrected and to the desired one Complete picture put together; This means that the entire recording of postprocessing or integration is available.
Die kommerzielle Anwendung betrifft nicht nur die Erstellung von Panoramavideos/Filmen im herkömmlichen Sinne, son dern ermöglicht zusätzlich in der digitalen Videopostproduktion nachträglich Kameraschwenks, Zooms oder beides.The commercial application concerns not only the creation of panorama videos / films in the conventional sense, but also In addition, it enables camera panning, zooming or both in digital video post production.
Durch die digitale Vorlage des Materiales sind weiterhin Bearbeitungen möglich, die der interaktiven Nutzung des so entstande nen Videos erheblich mehr Möglichkeiten einräumen (z. B. Motiontracking für sogenannte HotSpots). Zur Erklärung: Motiontracking ist ein Verfahren bestimmte gleichbleibende Bildmuster innerhalb einer Video/Filmsequenz zu identifizieren und deren Horizontal/Vertikalpositionswerte abzuspeichern.Thanks to the digital presentation of the material, further processing is possible, which resulted from the interactive use of the material Give video a lot more options (e.g. motion tracking for so-called HotSpots). Explanation: Motion tracking is a process of certain constant image patterns within a video / film sequence to identify and save their horizontal / vertical position values.
HotSpots bezeichnen einen Begriff aus der Welt der Interaktiv/Multimediaanwendungen. Ein HotSpot ist ein Bildbereich, der innerhalb eines Bildes (oder auch eines Filmes) in einer Unterspur versteckt liegt. Kommt der Benutzer mit der Maus in diesen Bereich, führt die Anwendung eine bestimmte Funktion aus, d. h. dem Benutzer wird zum Beispiel eine Verzweigung in einen anderen Programmbereich angeboten oder er erhält detaillierte Informationen zu dem Bildbereich, der von diesem HotSpot ab gedeckt wird. Die Verbindung beider Verfahren ergibt einen dynamischen HotSpot.HotSpots are a term from the world of interactive / multimedia applications. A hot spot is an image area that is hidden in a sub-track within a picture (or a film). The user comes into this with the mouse Area, the application performs a specific function, i. H. for example, the user will branch into one offered another program area or he receives detailed information on the image area that depends on this HotSpot is covered. The combination of both methods results in a dynamic HotSpot.
Diese Möglichkeiten wurden bei den herkömmlichen Methoden entweder aus Kostengründen (Film) oder Qualitätsgründen (Video) bis dato nicht genutzt.These opportunities Up to now, traditional methods have not been used either for cost reasons (film) or quality reasons (video) used.
Eine Einbindung in die QTVR Technologie von Apple (derzeit meistgenutzter Standard) ist ebenfalls machbar und von mir in einem Vorab-Prototyp bereits verifiziert.An integration in the QTVR technology from Apple (currently the most used standard) is also feasible and by me a pre-prototype already verified.
Die Einbindung in die herkömmlichen Projektionssysteme ist ebenfalls einfacher, da die zu verwendenden Bildausschnitte er heblich einfacher an handelsübliche Projektoren angepasst werden können.The integration into the conventional projection systems is also easier because the image sections to be used can be adapted considerably more easily to standard projectors.
Selbst in der herkömmlichen Panoramafotografie kann das System hervorragend genutzt werden, da es problemlos in einem bewegten Umfeld eingesetzt werden kann und somit keine nachträgliche Bildretusche benötigt, die bei zeitversetzten Aufnah men mit einem einzelnen Fotoapparat oftmals nötig sind. Even in conventional panoramic photography, the system can be used excellently, since it can be easily combined in one moving environment can be used and thus no subsequent image retouching is required, the time-delayed recording men with a single camera are often necessary.
1.1 Kamerasteckkopf: Der Kamerasteckkopf besteht aus einer ansatzweise kugelförmigem Halterung, die es ermöglicht modifi
zierte handelsübliche IEEE-1394, digitale HDTV-Köpfe (oder Analogvideoköpfe im Vorprototyp) aufzunehmen. Diese Köpfe sind
insofern modifiziert, als die normalerweise vorhandenen festen Kabelverbindungen gelöst und durch einen Stecker ersetzt wer
den. Die Anzahl und Anordnung der Steckverbindung ergibt sich aus den Bildwinkeln und der Auflösung der verwendeten Ka
meraköpfe respektive der verwendeten Objektive.
In einem Vorprototyp wurden 12 analoge Industrie-Einchipfarb-CCDs verwendet, die eine resultierende Auflösung von
6000 × 460 Bildpunkten bei einer Winkelauflösung von 360 Grad horizontal/30 Grad vertikal erzielten; die physikalische Auflö
sung dieser Anordnung beträgt 3400 × 270 Bildpunkte. Eine weitere Testreihe (Simulation mit einem Kopf) mit einem digitalem
3-CCD-Kopf ergab eine resultierende Auflösung von 8000 × 700 Bildpunkten (bei 15 Kameraköpfen) und einen effektiven Bild
winkel von 360 Grad horizontal/40 Grad vertikal. Die finale Verteilung der Steckverbindungen konnte bisher aus finanziellen
Gründen noch nicht endgültig ermittelt werden.
Aufbau des Kopfes siehe Abb. 1 und 2. Die Objektive müssen feste Brennweiten haben (also keine Zoomobjektive) und
stehen in einem festen Winkel zueinander. Die im Steckkopf vorhandenen Kontakte versorgen die Köpfe mit Strom und über
tragen die Bild- und Toninformation an die angeschlossenen Videorecorder. Der Ton wird lediglich in den linken Audiokanal
eingespielt, da die Kanäle der 'Surroundaufnahme' durch die Anzahl der Köpfe gegeben sind (optional kann auch ein festin
stalliertes Mikrophonsystem 6 Recorder versorgen; das entspricht dem heutigen 'State-of-the-Art'). Die zusammengefaßten Ka
bel verlassen in einer gebündelten Zentralleitung den Steckkopf. Optional ist für die Steckverbindung der Köpfe ein digitales
Signal vorgesehen, das die Belegung des Steckkopfes (Kameranummern) in die Zentralleitung einspeist. Je nach verwendeten
Kamaraköpfen wird über die Zentralleitung bzw. die Kontakte auch die motorische/elektronische Justierung der Kameraköpfe
(Weißabgleich, Shutterangle) ermöglicht).1.1 Camera plug-in head: The camera plug-in head consists of a partially spherical holder, which enables modified commercially available IEEE-1394 to accommodate digital HDTV heads (or analog video heads in the pre-prototype). These heads are modified insofar as the normally existing fixed cable connections are removed and replaced by a connector. The number and arrangement of the plug connection results from the picture angles and the resolution of the camera heads used or the lenses used.
In a pre-prototype, 12 analog industrial single-chip color CCDs were used, which achieved a resulting resolution of 6000 × 460 pixels with an angular resolution of 360 degrees horizontally / 30 degrees vertically; the physical resolution of this arrangement is 3400 × 270 pixels. Another series of tests (simulation with one head) with a digital 3-CCD head resulted in a resulting resolution of 8000 × 700 pixels (with 15 camera heads) and an effective image angle of 360 degrees horizontally / 40 degrees vertically. The final distribution of the plug connections has not yet been finally determined for financial reasons.
For the structure of the head, see Fig. 1 and 2. The lenses must have fixed focal lengths (ie no zoom lenses) and are at a fixed angle to each other. The contacts in the plug head supply the heads with power and transmit the picture and sound information to the connected video recorders. The sound is only played into the left audio channel, since the channels of 'surround recording' are given by the number of heads (optionally, a permanently installed microphone system can supply 6 recorders; this corresponds to today's 'state-of-the-art') . The combined cables leave the plug head in a bundled central line. A digital signal is optionally provided for the plug connection of the heads, which feeds the assignment of the plug head (camera numbers) into the central line. Depending on the camera heads used, the motorized / electronic adjustment of the camera heads (white balance, shutter angle) is also possible via the central cable or the contacts).
1.2 Zentralsteuereinheit (Abb. 3): Die Zentralsteuereinheit besteht aus einer (speziell auf die Anzahl der Recorder angepaßten) LANG-Steuerung (standardisiertes Protokoll zur synchronen Steuerung von Videorecordern), die die DV(CAM)-Recorder a) in Aufnahmebereitschaft versetzt und b) die eigentliche Aufnahme der Recorder startet. Zusätzlich speist diese Einheit in einem gewissen Takt kurze Audiosignale in den freien Kanal des Recorders; dieses gewährleistet für die spätere Nachbearbeitung, daß eventuell auftretende 'Framedelays', die durch die LANG-Steuerung oder die Recorder beim Aufnahmestart verursacht werden, ausgeglichen werden können.1.2 Central control unit ( Fig. 3): The central control unit consists of a LANG controller (standardized for the number of recorders) (standardized protocol for the synchronous control of video recorders), which puts the DV (CAM) recorder a) in recording standby and b ) the actual recording of the recorder starts. In addition, this unit feeds short audio signals into the free channel of the recorder in a certain cycle; This ensures for later post-processing that any 'frame delays' that may be caused by the LANG control or the recorder at the start of the recording can be compensated.
1.3 Videoswitcher/LCI)-Monitore(Abb. 3): Hierbei handelt es sich um handelsübliche analoge Komponenten. Die Videoswitcher
schalten wahlweise verschiedene Eingänge (einzelner Kamerakopf) auf einen von zwei möglichen Videoausgängen (LCD 1
oder LCD 2) um die Gesamtkamera optimal einzustellen. Bei steigender Anzahl von Kameraköpfen können die Switcher kaska
diert werden. Je nach Art der Videoköpfe wird der Videoswitcher zwischen Kamerasteckkopf (bei analogen Köpfen) und den Re
cordern eingebunden oder an den analogen Ausgang der Recorder geschaltet (digitale IEEE-1394 Köpfe oder digitale HDTV-
Köpfe).
Dieser Switcher ist bezogen auf die Erfindung optional, da die Aufnahmeeinheiten (handelsübliche Digitalrecorder) in den
meisten Fällen (ebenfalls optional) einen integrierten LCD-Bildschirm besitzen. Der Switcher bietet aber den Vorteil weniger
Platz zu beanspruchen und beliebige Kameras direkt vergleichbar zu machen.1.3 Videoswitcher / LCI) monitors ( Fig. 3): These are commercially available analog components. The video switches optionally switch different inputs (single camera head) to one of two possible video outputs (LCD 1 or LCD 2 ) in order to optimally adjust the overall camera. As the number of camera heads increases, the switchers can be cascaded. Depending on the type of video heads, the video switcher is integrated between the camera plug-in head (for analog heads) and the recorders or connected to the analog output of the recorders (digital IEEE-1394 heads or digital HDTV heads).
This switcher is optional based on the invention, since the recording units (commercially available digital recorders) in most cases (likewise optional) have an integrated LCD screen. However, the switcher offers the advantage of taking up less space and making any camera directly comparable.
1.4 Zusammengefaßte Kopfsteuerung (Abb. 3): wie in 1.1 schon erwähnt besitzen die Köpfe optional motorische/elektronische Justierung und werden dann über diese Einheit eingestellt. Die Steuereinheiten gehören - wenn vorhanden - zum Lieferumfang der CCD-Kameras und werden für die Erfindung in ein gemeinsames Gehäuse mit zentraler Stromversorgung eingebaut; bei hoher Anzahl von Köpfen wird auch hier ein Switcher zwischengeschaltet, der in Verbindung mit dem Videoswitcher steht und zwischen den einzelnen Steuereinheiten umschaltet, um eine hohe Bediensicherheit bzw. Bedienkomfort zu gewährleisten.1.4 Summarized head control ( Fig. 3): as already mentioned in 1.1, the heads have optional motorized / electronic adjustment and are then set via this unit. The control units - if available - are included in the scope of delivery of the CCD cameras and are installed for the invention in a common housing with a central power supply; If there are a large number of heads, a switcher is also connected here, which is connected to the video switcher and switches between the individual control units in order to ensure a high level of operating safety and ease of use.
1.5 Recorder (Abb. 3, Abb. 4): Auch hier handelt es sich um handelsübliche (portable) digitale Videorecorder, die die eingehen den digitalen (oder analogen) Audio-/Videosignale digital im 4 : 3 oder 16 : 9 Format aufzeichnen. Hier sind ebenfalls Varianten möglich, die sich in Betriebssicherheit, höherer Auflösung (Videoköpfe der Recorder) oder besserem Sampling (Abtastung der Farbkanäle) niederschlagen. Die Steuerung erfolgt in jedem Fall mit der in 1.2 erwähnten Steuereinheit.1.5 Recorder ( Fig. 3, Fig. 4): Again, these are commercially available (portable) digital video recorders that record the incoming digital (or analog) audio / video signals digitally in 4: 3 or 16: 9 format. Variants are also possible here, which are reflected in operational safety, higher resolution (video heads of the recorders) or better sampling (scanning of the color channels). The control takes place in any case with the control unit mentioned in 1.2.
1.6 Digitalisier- und Finisheinheit: Die Basis bildet auch hier ein handelsüblicher PC. Derzeit eignet sich ein Apple Macintosh neuester Bauart dafür am besten, da bei diesen Geräten die IEEE-1394 Schnittstelle sowohl hardwaremäßig als auch in das Be triebssystem integriert ist. Die Übertragung der Daten vom Digitalrecorder erfolgt als direkte '1-zu-1' Kopie auf die Festplatten) des PCs (Spezifikation des IEEE-1394-Übertragungsstandards). Das Digitalisieren der ausgewählten Sequenzen kann über handelsübliche Software (Adobe Premiere, Apple Final Gut etc.) im Batchbetrieb erfolgen.1.6 Digitizing and finishing unit: The basis here is also a commercially available PC. An Apple Macintosh is currently suitable The latest design is best for this, since with these devices the IEEE-1394 interface is both hardware and in the loading drive system is integrated. The data from the digital recorder is transferred as a direct '1-to-1' copy to the hard drives) of the PC (specification of the IEEE 1394 transmission standard). The digitization of the selected sequences can be done via commercially available software (Adobe Premiere, Apple Final Gut etc.) are carried out in batch mode.
1.7 Das für die Erfindung relevante Verfahren geht davon aus, daß beim visuellen Erfassen minimale Fehler innerhalb einer
Bildinformation vom menschlichen Gehirn automatisch korrigiert werden, solange sie nicht im Widerspruch zur Erfahrung
stehen. Weiterhin müssen sich die Bildwinkel der einzelnen Linsen/Kameraeinheiten überschneiden. Zahlreiche Versuchsrei-
hen haben gezeigt, daß diese Überlappung mindestens 6 Grad betragen muß. Abb. 5 verdeutlicht zum einen, daß im
Nahbereich von ca. 30 Zentimeter die Kamera nicht funktioniert, da manche Bereiche nicht erfaßt werden. Im Überlappungs
bereich, der darauf folgt, zeigen die Strahlen durch die stilisierten Objekte (Kreise a, b), die Problematik des Achsensprunges.
Zudem wird durch Abbildung (klar, daß alle Objekte auf einer Achse (Abb. 6a) ausgehend vom 'optischen' Mittelpunkt der
Konstruktion, in allen räumlichen Tiefen auf den resultierenden Bildebenen nahezu deckungsgleich sind und der Achsen
sprung nur in einem minimalen Bildbereich auftritt. Aufgrund dieser Eigenschaft wird diese Achse ersteinmal als spätere 'Stoß
kante' der Einzelbilder angenommen. Da jeweils eine Linse im vorgegebenen Versuchsaufbau etwas erfassen kann, was die da
neben liegende Linse nicht mehr erfasst, stellt das 'Abschneiden' von bestimmten Bildbereichen in der Überlappung (Abb. 6
c, d) auf den ersten Blick eine willkürliche Vereinfachung des späteren Gesamtbildes dar. Da aber auch von einer idealen Linse
genau diese Punkte nicht wahrgenommen werden ist dieses Verfahren folgerichtig. Wichtig ist der Bildbereich neben der Stoß
kante, der in kleinen Bereichen Einblicke zuläßt, die mit der Ideallinse nicht erfaßbar sind und somit nicht der Realität ent
sprechen; diese Überinformation wird aber vom Betrachter nicht als falsch oder störend empfunden, da sie im Bildkontext
durchaus richtig erscheinen (weiter entfernte Objekte erscheinen etwas breiter als in der Wirklichkeit).
Da leider für fast kein Linsensystem exakte Wette als Daten vorliegen, muß in einem einfachen Versuchsaufbau der Erfassungs
winkel bestimmt oder verifiziert werden (Abb. 7). Dieser Versuchsaufbau liefert neben dem optisch verwertbaren Bereich (Licht
abfall, Unschärfe an den äusseren Kanten Abb. 7c) gleichzeitig die Daten für das Verzerrungsmuster der verwendeten Linse.
Aus diesem Muster läßt sich ein Entzerrungsgitter generieren. Diese Basisdaten plus die Baumaße des Kamerakopfes dienen als
erste Grundlage für die Basiskonfiguration eines Rechnermodelles. Je nach Linsen/Kamerasystem müssen in diesen virtuellen
Versuchsaufbau 5 bis 7 Kameraköpfe einbezogen werden (Abb. 8).
Im Rechner wird der spätere Kamerasteckkopf vorkonstruiert und in einen virtuellen Versuchsaufbau gesetzt. Die räumlich in
die Tiefe versetzten Gitter geben optische Informationen über die auftretenden Achsensprünge. Da 'Rechnerlinsen' nicht mit
den optischen Verzerrungen echter Linsen behaftet sind (einfache Fluchtpunktberechnung), ergibt sich nach Zusammenfügen
der Einzelbilder an den vorher bestimmten Stoßkanten ein bestimmtes 'eckiges' Muster (Abb. 9). Die Schnittpunkte der Gitter
(Abb. 9a) bilden Stützpunkte einer Schar von Bezierkurven, die in der vertikalen Bildachse zentriert übereinander liegen (Abb.
10). Der zentrale Teil dieses Gitters wird als Verzerrungsraster auf alle Einzelbilder angewendet (Abb. 11) und ergibt angewen
det auf die Einzelbilder eine homogene virtuelle Weitwinkelaufnahme, die die vertikalen Achsen der Objekte weiterhin verti
kal läßt (Abb. 12).
Fügt man nun beide Verzerrungsmuster zu einem zusammen, resultiert daraus ein Vorgang, der aus dem einzelnen Videobild
zuerst ein 'Idealbild' macht, und dieses dann in das zweite Pattern (Muster) einpasst.
Nun muß jedoch einschränkend gesehen werden, daß reale Bilder sich nicht einfach an den Stoßkanten zusammensetzen las
sen, sondern einen Übergangsbereich (weiche Blende) benötigen (Abbildung (13 und) 14). Damit kommt auch wieder die Proble
matik des Achsensprunges in diesem Übergangsbereich ins Spiel. Um die Bildfehler in diesem Bereich auszugleichen wird das
Bild im Randbereich sozusagen 'räumlich nach hinten gebogen'. Die Mittelung der Werte, die aus dem virtuellen Versuchs
aufbau gewonnen werden (bzw. durch Fluchtpunktberechnungen) führen zu einer minimalen Verzerrung (zur Verdeutli
chung Abb. 15) im Überlappungsbereich. Diese Verzerrung ist abhängig von der verwendeten Linse und dem Überlap
pungsbereich, ist aber visuell nicht mehr wahrnehmbar (bei großer Überlappung sogar nicht mehr nötig). Im folgenden wird
die Mittelung der Werte für mehrere Tiefengitter durchgeführt, dadurch ergibt sich abhängig von der zunehmenden räumli
chen Entfernung der Gitter ein immer kleiner werdender Abstand zur Stoßkante und aus der iterativen Anwendung der Verzer
rung eine Kurvenfunktion. Damit ist die Problematik für den Kameraring der im Äquator des Steckkopfes liegt gelöst.
Die Bilder eines zweiten/dritten Ringes ober- oder unterhalb des ersten montiert, lassen sich prinzipiell nach gleichem Ver
fahren zusammenfügen. Es muß jedoch ein weiterer Entzerrvorgang eingefügt werden. Da alle Köpfe einen Teil einer Kugel er
fassen, deren Zentrum im Mittelpunkt des Kopfes liegt, ist das resultierende Bild Teil einer Kugelabwicklung. Damit liegen die
Mittelpunkte der Bilder auf einem Kreissegment dessen Radius sich aus Linsengeometrie (und damit vertikaler Winkelanord
nung der Reihe) sowie Auflösung des CCD-Chips ergibt. Das so zusammengesetzte Bild wird dann von einem Polarkoordina
ten- auf ein Standardkoordinatensystem umgerechnet und der ersten Reihe hinzugefügt.1.7 The method relevant to the invention assumes that minimal errors within image information are automatically corrected by the human brain during visual detection as long as they do not conflict with experience. Furthermore, the image angles of the individual lenses / camera units must overlap. Numerous test series have shown that this overlap must be at least 6 degrees. Fig. 5 shows on the one hand that the camera does not work in the close range of approx. 30 centimeters because some areas are not captured. In the overlap area that follows, the rays through the stylized objects (circles a, b) show the problem of the axis jump. In addition, it becomes clear (that all objects on one axis ( Fig. 6a), starting from the 'optical' center of the construction, are almost congruent in all spatial depths on the resulting image planes and that the axis jump occurs only in a minimal image area In this characteristic, this axis is initially assumed to be the later 'butt edge' of the individual images, since one lens in the given experimental setup can detect something that the lens next to it can no longer detect, 'cutting off' certain image areas in the overlap ( Fig 6 c.) d at first glance an arbitrary simplification of the subsequent overall image represents. Since, however, not perceived by an ideal lens precisely these points, this process is logical. Importantly, the image area is edge next to the shock in small areas insight allows that are not detectable with the ideal lens and thus not ent sprec reality This over-information is not perceived by the viewer as wrong or disturbing, since it appears to be correct in the context of the image (objects further away appear somewhat wider than in reality).
Since there is unfortunately no exact bet as data for almost no lens system, the detection angle must be determined or verified in a simple test setup ( Fig. 7). In addition to the optically usable area (light drop, blurring at the outer edges Fig. 7c), this experimental setup also provides the data for the distortion pattern of the lens used. An equalization grid can be generated from this pattern. This basic data plus the dimensions of the camera head serve as the first basis for the basic configuration of a computer model. Depending on the lens / camera system, 5 to 7 camera heads must be included in this virtual test setup ( Fig. 8).
The future camera plug head is pre-designed in the computer and placed in a virtual test setup. The grids, which are offset in depth, provide visual information about the axis jumps that occur. Since 'computer lenses' are not affected by the optical distortion of real lenses (simple vanishing point calculation), a certain 'angular' pattern results after the individual images have been put together at the previously determined abutting edges ( Fig. 9). The intersection points of the grids ( Fig. 9a) form support points of a family of Bezier curves that are centered one above the other in the vertical image axis ( Fig. 10). The central part of this grid is used as a distortion grid on all individual images ( Fig. 11) and, when applied to the individual images, results in a homogeneous virtual wide-angle image that still allows the vertical axes of the objects to be vertical ( Fig. 12).
If you now combine the two distortion patterns into one, this results in a process that first turns the individual video image into an 'ideal image' and then fits this into the second pattern.
However, it must be seen in a restrictive manner that real images cannot simply be put together at the abutting edges, but require a transition area (soft screen) (Figure (13 and) 14). This is where the problem of the axis jump comes into play in this transition area. In order to compensate for the image errors in this area, the image in the edge area is 'spatially bent backwards', so to speak. The averaging of the values obtained from the virtual test setup (or by vanishing point calculations) leads to minimal distortion (for clarification Fig. 15) in the overlap area. This distortion depends on the lens used and the area of overlap, but is no longer visually perceptible (even no longer necessary if there is a large overlap). In the following, the averaging of the values for several depth grids is carried out, depending on the increasing spatial distance of the grids, the distance to the abutting edge becomes smaller and smaller and a curve function results from the iterative application of the distortion. This solves the problem for the camera ring in the equator of the plug head.
The pictures of a second / third ring mounted above or below the first can basically be put together using the same procedure. However, another equalization process must be inserted. Since all heads capture part of a sphere, the center of which is in the center of the head, the resulting image is part of a sphere development. The centers of the images lie on a segment of a circle, the radius of which results from the lens geometry (and thus vertical angle arrangement of the series) and the resolution of the CCD chip. The image composed in this way is then converted from a polar coordinate to a standard coordinate system and added to the first row.
1.8 Unter Anwendung dieses Verfahrens ordnet eine Software also jeder Kamera entsprechend ihrer Position ein bestimmtes Muster zu. Die so ent- bzw. verzerrten Bilder können dann übergangslos aneinandergesetzt, zusammengerechnet und als Ein zelbilder ausgegeben werden. Die Ausgabe als Einzelbilder im TGA- oder TIFF-Format ist derzeit nötig, da kein Rechnerformat derartig große Filme abspielen kann. Für die Weiterverarbeitung in der Videopostproduktion müssen die Bilder in vielen Fällen ebenfalls gesplittet werden.1.8 Using this procedure, software assigns a specific camera to each camera according to its position Pattern too. The thus corrected or distorted images can then be seamlessly juxtaposed, added together and as one individual images are output. The output as single images in TGA or TIFF format is currently necessary because there is no computer format can play such large films. In many cases, the images must be used for further processing in video post production can also be split.
1.8.1 Rechnerbasierte Interaktivapplikationen können jedoch in Standardvideoauflösungen oder kleineren Auflösungen direkt
abspielbare Filme nutzen. Dazu wird gewissermaßen ein Sichtfenster in kleinen Schritten von links nach rechts (oder umge
kehrt) über die Panoramabildsequenz geführt. Jeder Schritt an sich erzeugt eine Videosequenz. Alle so entstandenen Sequen
zen werden zu einer fortlaufenden Gesamtsequenz zusammengefügt. Dadurch entsteht eine Bildmatrix aus X × Y Einzelbildern,
wobei X die Anzahl der Schritte der Fensterverschiebung und Y die Anzahl der Bilder innerhalb der Panoramavideosequenz an
gibt. Diese Matrix kann unter Apple QuickTime® als sogenanntes VR-Object definiert werden. Diese Anwendung kehrt zwar
den Sinn dieser QuickTimeanwendung völlig um, ermöglicht aber die interaktive Betrachtung des Panoramafilmes (Diese spe
ziellen Ausgabe wurde bereits unter QuickTime® von mir realisiert).
Die vorherige Anwendung von Standardsoftwareapplikationen (die Motiontracking erlauben) auf die entstandene Panoramavi
deosequenz ermöglicht es HotSpotdaten in einen oder mehrere Alphakanäle zu übertragen. Wird nun das zuvor beschriebene
Verfahren angewendet, werden diese Informationen ebenfalls in die Matrix übertragen und erlauben damit zusätzliche Inter
aktivität beim Betrachten des Panoramas.
Eventuell noch nötige Farb-, Helligkeitskorrekturen sowie Passerverschiebungen (verursacht durch Spiel der Kamerasteckköp
fe) und Synchronisierung der Einzelvideosequenzen zueinander können ebenfalls innerhalb der Software mit bekannten Algo
rithmen eingestellt werden.1.8.1 Computer-based interactive applications can, however, use directly playable films in standard video resolutions or smaller resolutions. To this end, a viewing window is passed over the panorama image sequence in small steps from left to right (or vice versa). Each step in itself creates a video sequence. All sequences created in this way are combined to form a continuous overall sequence. This creates an image matrix of X × Y individual images, where X indicates the number of steps for moving the window and Y the number of images within the panorama video sequence. This matrix can be defined under Apple QuickTime® as a so-called VR object. Although this application completely reverses the purpose of this QuickTime application, it enables interactive viewing of the panorama film (this special edition was already implemented by me under QuickTime®).
The previous application of standard software applications (which allow motion tracking) to the resulting panorama video sequence enables HotSpot data to be transferred to one or more alpha channels. If the method described above is now used, this information is also transferred to the matrix and thus allows additional interactivity when viewing the panorama.
Any necessary color, brightness corrections and register shifts (caused by the play of the camera plug heads) and synchronization of the individual video sequences can also be set within the software using known algorithms.
1.9 Der Prototyp dieser Software wurde durch Scripting und Verbindung von Einzelkomponenten handelsüblicher Softwarepa kete von mir realisiert. So wurden für den realen Versuchsaufbau mit Adobe Premiere Bildsequenzen digitalisiert (diese Sequen zen wurden zur Steigerung der Bildqualität in jeweils ein Standbild zusammengerechnet). Die aufgenommenen Bilder wurden in Adobe Illustrator nachgezeichnet und gemittelt. Aus den so entstandenen Bezierkurven wurde ausgehend von deren Mittel punkt ein gleichmäßiges Raster entwickelt. Diese beiden Raster bildeten Ausgang und Ende eines 'Morphingprozesses' in Avid ElasticReality. Konstruktion des 'virtuellen' Modelles (und auch des ersten Vorprototyps) erfolgte in Yonowat Amapi und Play ElectricImage zur Umsetzung der 3d-Kameras. In letzerem wurden dann auch die 'Gitterversuchsreihen' erzeugt. Die so er zeugten Einzelbilder wurden in Adobe AfterEffects zusammengesetzt und maskiert (temporäres Abschneiden der Überlappungs bereiche), die daraus resultierenden Einzelbilder dienten wiederum als Vorlage innerhalb von Adobe Illustrator zur Erzeugung der Bezierkurven zur Verzerrung der Rechnerbilder, auch aus diesen Bezierkurven wurde eine gemittelte Kurvenschar (zur hö heren Genauigkeit) erstellt. Diese Kurvenschar wurde wiederum in Adobe AfterEffects importiert und mit den unverzerrten und unmaskierten Mittelbild maskiert, sodaß sich das allgemeine Verzerrungsmuster ergab. Das Verzerrungsmuster diente als Hin tergrund zur Erzeugung eines 'Meshwarps' auf ein leeres Bild mit der identischen Größe des berechneten 3d Bildes. Dieser Warp wurde nun auf alle maskierten Bilder kopiert, dadurch ergab sich das 'orthogonale Weitwinkel'. Der Austausch der Rech ner-3d-Bilder mit solchen Rechnerbildern die weiter entfernte Raumgitter besitzen ergibt die Geradenschar (innerhalb des Überlappungs/Überblendbereiches), die wiederum für die Erzeugung eines zweiten 'MeshWarp' Grundlage war. Dieser zweite Warp wurde über den ersten kopiert. Die anfangs in ElasticReality vorgenommene Entzerrung wurde nun auf ein unverzerrtes Rasterbild angewendet. Dieses verzerrte Muster diente innerhalb von AfterEffects wiederum als Vorlage für einen weiteren 'MeshWarp', der auf die später folgenden Videosequenzen angewendet wurde. Alle Verzerrungen wurden in einer wesentlich höheren Auflösung als der Videoauflösung generiert um hier eine hohe Genauigkeit zu erzielen. Die späteren Farb-, Hellig keits- und Passerkorrekturen wurden ebenfalls in AfterEffects ausgeführt.1.9 The prototype of this software was created by scripting and connecting individual components of commercially available software pa kete realized by me. Image sequences were digitized for the real experimental setup using Adobe Premiere (these sequences zen were added to a still image to increase the image quality). The pictures taken were traced and averaged in Adobe Illustrator. The resulting Bezier curves were based on their mean point developed a uniform grid. These two grids formed the beginning and end of a 'morphing process' in Avid ElasticReality. Construction of the 'virtual' model (and also the first pre-prototype) was carried out in Yonowat Amapi and Play ElectricImage for the implementation of the 3d cameras. The 'grid test series' were then generated in the latter. The so he generated frames were assembled and masked in Adobe AfterEffects (temporary clipping of the overlap areas), the resulting individual images were used as templates within Adobe Illustrator for creation the Bezier curves for the distortion of the computer images, also from these Bezier curves an averaged family of curves (for the higher accuracy). This family of curves was again imported into Adobe AfterEffects and with the undistorted and unmasked center image masked, so that the general distortion pattern resulted. The distortion pattern served as a hint Background for generating a 'mesh warp' on an empty image with the identical size of the calculated 3D image. This Warp was now copied to all masked images, which resulted in the 'orthogonal wide angle'. Exchange of rech ner-3d images with such computer images that have more distant space grids result in the straight family (within the Overlap / crossfade area), which in turn was the basis for the creation of a second 'MeshWarp'. This second Warp was copied over the first one. The equalization initially made in ElasticReality has now been changed to an undistorted one Raster image applied. This distorted pattern served as a template for another within AfterEffects 'MeshWarp', which was applied to the following video sequences. All of the distortions were significant in one higher resolution than the video resolution generated in order to achieve high accuracy. The later color, bright Speed and register corrections were also carried out in After Effects.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19925159A DE19925159A1 (en) | 1999-06-02 | 1999-06-02 | Generation of panoramic videos using modular panoramic video camera, involves forming sum of individual videos produced by several video camera heads, and correcting e.g. axial steps |
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ID=7909935
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