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1 Technical Information Vicon Motion Capture für Engineering Anwendungen Themen > Anforderungen im Engineering > Kriterien bei der Wahl der Hardware > Aspekte zur Software > Die Lösung von Vicon Motion is our passion

2 Einleitung In diesem Dokument wird die 3D Motion Capture Lösung von Vicon mit anderen sich auf dem Markt befindenenden Lösungen verglichen, die auf optischer Basis arbeiten. Es sollen praktische Aspekte aufgezeigt werden, die jeder Benützer dieser Technologien in Betracht ziehen sollte, sowie Informationen bereitgestellt werden, die die Lösung von Vicon mit derer anderer Hersteller vergleicht. Die Konkurrenz bietet einige gute Lösungen zu diesem Thema an, leider sind aber einige Missverständnisse zum Ansatz von Vicon im Umlauf. Es werden hier keine detaillierten Informationen zu anderen Systemen gegeben, vielmehr eine Unterstützung zu Themen und Fragen, die sich jeder potentielle Benutzer stellen sollte, bevor er sich für eine Lösung entscheidet. Die drei wichtigsten Argumente Systems sprechen sind: Die wichtigsten Punkte die für die Wahl eines Vicon Flexibilität Vicon hat die kleinformatigen Bonita-Kameras mit Blick auf Anwendungen im Engineering Markt für Aufnahmevolument von ungefähr 10 x 10 x 10 m 3 entwickelt. Die Kameras sind sehr leicht und typischerweise 1/8 der Grösse von Kameras anderer Hersteller für diese Anwendungen. Die Kameras haben ein Zoomobjektiv und werden mit Stativen oder Wandhalterungen eingesetzt und durch das Ethernet-Kabel mit Strom versorgt. Das heisst, dass die Kameras schnell an verschiedensten Orten je nach Anwendung eingesetzt werden können. Einfacher Einsatz Die Software Vicon Tracker ist die einzige end-user Software die für Engineering Anwendungen entwickelt wurde. Andere Hersteller bieten Software, die alle Bereiche und Anwendungen abdecken, was zu einer Vielfalt an Funktionalität führt die der Kunden nicht benötigt, und damit zu hoher Komplexität. Das Interface von Vicon konzentriert sich auf das Wesentliche, womit der Anwender schnell und einfach zu Lösungen findet. Datenqualität Vicon ist seit 30 Jahren führender Hersteller von 3D Motion Capture Systemen, und hat in dieser Zeit die Algorithmen für die Datenverarbeitung der Rohdaten der Kameras kontinuierlich verbessert und optimiert. Vicon Tracker ist die einzige Software, die das Tracking für die definierten Objekte durchführt, und nicht nur für individuelle Marker. Dies führt nicht nur zu einer besseren Genauigkeit sondern ermöglicht auch, grössere Volumina aufzunehmen. Weiter kann ein Objekt mit nur einer Kamera verfolgt werden, im Gegensatz zu den üblichen Systemen, wo das Objekt von mindestens zwei Kameras erfasst werden muss. Anwendungen Dieses Dokument fokussiert sich auf den Engineering Markt, mit Anwendungen für die Verfolgung von starren Objekten. Diese Anwendung ist in den letzten Jahren immer populärer geworden, besoders seit die genaue Position und Orientierung von 3D Objekten wie zum Beispiel gesteuerte Roboter oder unbemannter Flugobjekte zur Steuerung oder Validierung der Kontrollsoftware bestimmt werden muss. Die Anforderungen könnten etwa so zusammengefasst werden: «Wir müssen die Position von einem oder mehreren Objekten mit einem bestimmten maximalen Fehler erfassen. Zudem benötigen wir die Bewegungsrichtung und die Geschwindigkeit der Objekte. Diese Informationen sollten innerhalb einer Verzögerung von x Millisekunden verfügbar sein.» Das hat für das Motion Capture-System folgende Konsequenzen: Die Hardware muss das System kontinuierlich tracken. Die Daten müssen kontinuierlich in die Software übertragen werden, wo die 3-dimensionale Position und Orientierung berechnet werden muss. Die Software muss ein Interface haben, welches die errechneten Positionen und Orientierungen der Objekte an eine weitere Software übergeben werden muss, zum Beispiel eine Kontrollsoftware des Benutzers. Daneben sind oft folgende Faktoren auch von Bedeutung: Die Genauigkeit des System, d. h. mit welchem Messfehler die 3D Positionen und Orientierungen bestimmt werden können. Die Latenz des Systems, d. h. mit welcher zeitlichen Verzögerung die Daten in der Software des Benutzers zur Verfügung stehen. Seite 2

3 Wir flexibel und portabel ist das System, sollte die Messanordnung geändert werden oder sogar im Aussenbereich gemessen werden. Ist das System schnell und einfach aufzubauen und zu erlernen? Ist das System genügend einfach für Routineanwendungen? Wie zuverlässig werden Objekte getrackt? Wie einfach ist das Interface um die Daten einem weiteren Programm zu übergeben? Die Erfahrung, Kenntnis und Motivation im Service des Lieferanten für die erwähnten Anwendungen. Hardware Vicon und einige andere Hersteller setzen auf eine passive auf Optik basierede Technologie. Das heisst, dass die Kameras stationär sind und um das Messvolumen herum positioniert sein müssen. Die Objekte müssen mit reflektierenden Markern versehen werden, die Kameras werden typischerweise auf Stativen oder mit Wanhalterungen montiert. Objektive Alle Kameras für die optische Bewegungserfassung müssen mit einem Objektiv ausgestattet werden. Dessen Wahl hat aber einen signifikanten Einfluss auf die Distanz mit der die Kamera von den Objekten aufgestellt werden muss, um das Messvolumen zu erfassen. Die Wahl des Objektivs muss zudem auf die Kamera abgestimmt sein. Zum Beispiel hat eine Vicon T40S Kamera einen maximalen horizontalen Öffnungswinkel von 67, die kleinere Bonita Kamera einen von 70. Andere Kameras haben teilweise Öffnungswinkel von 45 bis 50, was bedeutet, dass die Kameras in deutlich grösserer Distanz vom Messvolumen plaziert werden müssen um dieselbe Abdeckung zu erreichen. Verbindung Die Kameras von Vicon verbinden werden über ein einziges Kabel über einen Hub mit dem PC verbunden. Bonita Kameras werden über «Power-over-Ethernet» (PoE) Kabel und einem handelsüblichen Switch verbunden, während die T40 spezielle Kabel und einen speziellen Hub verwenden. Lösungen anderer Hersteller verwenden mehrere Anschlüsse pro Kamera oder bauen die Verbindung zu den Kameras seriell auf, was heisst, das weniger Kabel verwendet werden muss. Damit kann bei einer Störung aber die ganze Kette beeinträchtigt sein, oder die Flexibilität des Systems beeinträchtigt werden. Kameras Die Grösse und das Gewicht der Kameras haben einen Einfluss, wie «portabel» das System ist Die T-Serie von Vicon hat eine ähnliche Grösse wie die Kameras anderer Hersteller (ca. 2 kg schwer und 200 mm gross), die Bonita hingegen ist deutlich leichter und kleiner mit 250 g Figur 1: Die Vicon Bonita Objektive minimieren das Aufnahmevolumen für kleine Raumgrössen und 80 mm gross. Damit ist die Bonita im Vorteil für Systeme die flexbel einegesetzt werden müssen und daher eine Option, die man in Betracht ziehen sollte, wenn dies ein zentrales Kriterium für den Einsatz ist. Die technischen Eingenschaften sind natürlich mitentscheidend, welche Experimente durchgeführt werden können: Alle Vicon Kameras messen mit einer minimalen Frequenz von 250 Hz. Höhere Aufnahmefrequenzen haben die Kameras der T-Serie. Oft besteht auch die Möglichkeit für eine höhere Messfrequenz die Auflösung zu reduzieren oder Seite 3

4 das Messfeld zu verkleinern. Die Auflösung kann einen Einfluss auf die Messgenauigkeit haben, neben den Algorithmen die für die Auswertung der Daten in der Kamera eingesetzt werden. Daher ist es schwierig, direkt zwischen verschiedenen Kameras zu vergleichen. Vicon Bonita-Kameras haben eine Auflösung von 1 MP (Megapixel), die T-Serie bis zu 16 MP. Die Verwendung im Aussenbereich: grundsätzlich können alle Kameras im Aussenbereich eingesetzt werden, solange sie genügend gegen Wettereinflüsse geschützt sind. Die Herausforderung ist aber direktes, oder helles Sonnenlicht. Die T-Serie von Vicon hat bewährte Spezialfilter in der Optik, die auch bei starker Sonneneinstrahlung Messungen ermöglichen, ohne die Verwendung im Innenbereich zu beinträchtigen. Andere Hersteller ermöglichen die Messungen im Aussenbereich auch mit einer Kompensation des Hintergrundes in der Software, was aber die Messfrequenz halbiert mit einer höheren Latenz. Letzendlich ist ein weiterer Faktor die «Reichweite» der Kamera, das heisst, auf welche Distanz ein Marker noch Figur 2: Die Vicon Bonita Kamera erkannt werden kann. Dieser Faktor ist entscheidend bei eher grossen Messvolumina, typischerweise bei einer Distanz vom Objekt zur Kamera von 10 m und mehr. Die «Reichweite» kann durch grössere Marker oder durch stärkere Strobes verbessert werden. Vicon verwendet eine grosse Anzahl moderner LED s, ohne eine Filter davor, um eine hohe «Reichweite» der Kameras zu erreichen. Zusammenfassung: Zentrale Themen zur Wahl der Hardware Welche Raumgrösse steht zur Verfügung and welches Messvolumen soll erfasst werden? Mit der Wahl der Objektive wird bestimmt, wie nah ein Objekt noch erfasst werden kann, und welches das Maximalvolumen für die Messung ist. Muss das System flexibel oder sogar portabel sein, um es regelmässig zu verpacken um es anderswo zu installieren? Die Vicon Bonita ist klar die portabelste Kamera wegen ihrer kleinen Dimension und niedrigem Gewicht. Figur 3: Eine T-Serie Kamera im Aussbereich Welches Messvolumen soll erfasst werden? Für sehr grosse Volumina wie z. Bsp. eine Sporthalle, ist die Kamerawahl entscheidend. Bis zu 10 m x 10 m sind Bonitas eine gute Wahl. Wie schnell bewegen sich die Objekte und mit welcher Genauigkeit sollen sie erfasst werden? Selbst wenn 250 Hz oftmals ausreichen, für schnelle Objekte sind höhere Messraten erforderlich, ohne die Sensorfläche oder die Auflösung zu reduzieren. Software bieten sind: Verbindung zur Hardware und Konfiguration derselben Systemkalibration Die Unterschiede der Software zwischen den verschiedenen Herstellern ist signifikant und demzufolge entscheidend für die Systemwahl. Basisfunktionen, die alle Hersteller Definition der zu trackenden Objekte basierend auf den daran befestigten Markern Die Schnittstelle, die 3D Positionen und Ausrichtung im Raum zu einer anderen Software zu übertragen Typischerweise zieht ein Benutzer folgende Punkte in die Evaluation ein: Ermöglicht mir die Software das zu tun, was ich auch benötige? Wie gross ist der Zeitaufwand, die Software zu erlernen? Wie gut komme ich in der alltäglichen Arbeit mit der Software zurecht? Seite 4

5 Figur 4: Vicon Tracker mit 8 Objekten Vicon hat als einziger Anbieter eine Software ausschliesslich für das Tracking von Objekten in Engineering-Anwendungen entwickelt. «Vicon Tracker» wurde in einer ersten Version 2009 veröffentlicht und ist nun zur 3. Generatio weiterentwickelt worden. Andere Anbieter arbeiten mit einer Software, die alle möglichen Anwendungen abdeckt, einschliesslich Biomechanik und Entertainment, was zu einer grossen Palette von Funktionen führt, die im Engineering nicht benötigt werden, was zu einer hohen Komplexität und auch Kosten führt. Vicon geht generell den Weg, Software zu entwickeln, die auf die Bedürfnisse der Anwender je nach Gebiet entwickelt wurden. Aufwand für die Einarbeitung Der Aufwand zum Erlernen der Software, wie auch der kontinuierliche Fortschritt und das Lernerlebnis bei der Einarbeitung, ist sehr individuell. Die Vicon Software ist entwickelt, um die zentralen Themen einfach zu halten, um schnell zu wichtigen Ergebnissen zu kommen: das System aufsetzen, Objekte definieren, starten des Trackings sind meist eine Frage von Minuten, da das User Interface nach einem Arbeitsablauf organisiert ist. Die zentralen Schritte sind: Einrichten des Systems. Beim Aufstarten der Sofware wird die gesamte verbundene Hardware automatisch eingebunden und eine Baumstruktur ermöglicht hierarchisch die Systemparamter festzulegen. Einmal erledigt, werden die Einstellungen gespeichtert und sind in Zukunft direkt verfügbar. Kalibration der Kameras. Alle passiven optischen Systeme verlangen eine Kalibration der Kameras, wenn deren Ort verändert wurde. Typischerweise wird dieser Vorgang mit einem Kalibrationsobjekt durchgeführt, auf dem Marker an definierten Positionen angebracht sind. Als einziger Anbieter verwendet Vicon aktive Marker. Dies, da passive Marker oft ihre Reflektionseigenschaft verlieren durch häufigen Gebrauch und so die Kalibraionsgenauigkeit beeinträchtigt wird. Um die Qualität der Kalibration zu gewährleisten, umgeht Vicon das Problem mit 5 aktiven Markern, wo andere Produkte 2 oder 3 passive Marker einsetzen. Definition der Objekte. Der Vorgang zur Festlegung von Objekten ist je nach Software Figur 5: Das Vicon Kalibrationsobjekt sehr unterschiedlich, auch ist oft deren maximale Anzahl beschränkt. Wiederum ist bei Vicon der Vorgang sehr einfach gehalten: 1 - Benennung des Objektes, 2 - Die Seite 5

6 Marker identifizieren, die zum entsprechenden Objekt gehören. Oder anders formuliert, nachdem alle Objekte mit Markern versehen sind, braucht man sie noch zu benennen und sie in der Software auszuwählen. Ist nur ein Objekt im Messbereich, ist es noch einfacher: man wählt alle Marker an und kann gleich mit der Messung beginnen, ein Vorgang von ein paar Sekunden. Andere Softwareprodukte verlangen eine ganz andere Vorgehensweise, da sie für verschiedene Einsatzbereiche eingesetzt werden, einige «lernen» sogar die Objekte selbständig zu erkennen. Was als cleveres Konzept erscheint, ist aber in der Schnelligkeit und Einfachheit dem Konzept von Vicon klar unterlegen. Vicon ist mit der Möglichkeit, jede Markeranordnung eines Objektes zu erkennen hochflexibel. Datenerfassung: Da die meisten Programme die Objekte in Echtzeit erfassen, ist eine Aufzeichnung nicht zwingend notwendig. Vicon Tracker bietet die Möglichkeit, die Daten aufzuzeichnen um sie dann zeitecht zu einer weiteren Software zu streamen. Dies vereinfacht die Entwicklung von Software zur weiteren Datenverarbeitung signifikant, da man ohne Messaufbau entwickeln kann. Tracker im Alltag Bei der Entwicklung war eines der Ziele, mit der Software ein «starten und vergessen» zu ermöglichen, und sie so für Tage oder Wochen messen zu lassen. Solange die Kameras nicht bewegt werden oder die Marker auf den Objekten verändert werden, ist kein Eingriff in die Software notwendig, so dass die 3D-Positionen und -Orientierungen kontinuierlich gestreamt werden können. Und, sollte eine Änderung stattgefunden haben, kann diese mit ein paar Mausklicks korrigiert werden. Hunderte Kunden schätzen genau diese Stärken von Vicon Tracker im täglichen Gebrauch, die damit andere Produkte hinter sich lässt. Das Interface zu anderen Softwarepaketen Das Streamen der 3D Daten von irgend einer Anzahl Objekte wird vom Tracker Streaming Interface erledigt. Damit ist es möglich, individuelle Softwarelösungen zu entwickeln. Direkt unterstützt werden MatLab, LabView, einige Programmiersprachen (wie C++,.NET, Python), oder populäre Middleware Interfacepakete wie VRPN, das die Daten dann direkt in populäre Engineering Software weiterleitet wie VirTools, WoldWiz, Panda3D und VRJuggler. Genauigkeit und niedrige Latenzzeit Die 3D Genauigkeit eines Motion Capture Systems hängt von vielen Faktoren ab, unter anderem auch der Auflösung der Kamera, der Datenverarbeitung in der Kamera, der Anzahl und der Position der Kameras oder der in der Software verwendeten Algorithmen. Vicon ist seit jeher dank der konsequenten Weiterentwicklung alles Komponenten der Marktführer, was durch verschiedene Vergleiche von anderen Lösungen bestätigt wurde. Vicon hat zudem eigens für den Engineering Markt weitere Innovationen einfliessen lassen. Da die relativen Abstände der Marker auf einem Objekt fest sind, wird durch diese zusätzliche Information eine deutlich höhere Genauigkeit der Messung erreicht, als nur durch die Messung der Positionen einzelner Marker. Das geht so weit, dass nur mit Vicon ein Objekt verfolgt werden kann, auch wenn es nur mit einer Kamera erfasst wird, was mit der Verfolgung einzelner Marker unmöglich ist. Werden die Marker einzeln verfolgt, müssen die Positionen mit einer soganannten Trinagulation berechnet werden, was nur geht, wenn diese mit mindestens zwei Kameras erfasst werden. Der praktische Vorteil ist damit klar, dass die Objekte auch am Rand des Messvolumens erfasst werden können, oder wenn sie verdeckt sind ausser für eine Kamera. Da Windows kein Echtzeitsystem ist, kann die Latenzzeit für die Daten nicht garantiert werden. Sie sich aber in der Praxis zeigt, ist diese normalerweise unter 8 ms für die meisten Anwendungen. Zusammenfassung: Aspekte zur Software Wie viel Zeit will ich zum Erlernen und täglichen Gebrauch der Software einsetzen? Der Arbeitsablauf von Vicon Tracker ist optimiert für Engineering Anwendungen and minimiert den Aufwand für das Erlernen und die tägliche Arbeit konsequent. Welche Messgenauigkeit und Latenzzeit sind für mich relevant? Vicon Tracker ist optimiert für den Einsatz von Objekten. Wozu sollen die gemessenen Daten verwendet werden? Vicon bietet eine Schnittstelle zu vielen Softwarepaketen, und das SDK zur Entwicklung des Datenstreamings ist einfach einzusetzen. Zum Schluss Vicon s Erfahrung mit Engineering Anwendungen datiert zurück bis in die 90er Jahre, wo die ersten Kunden die Vision hatten, mit dieser Technologie primär in medizintechnischen Anwendungen ihre Ideen mit Daten zu erhärten. Seit damals hat Vicon auch den Schritt zu Engineering Anwendungen gemacht, so dass heute viele führende Firmen und Universitäten Vicon Benützer sind. Seite 6

7 Vicon versteht die Anwendungen der Kunden und was die Voraussetzungen für einen erfolgreichen Einsatz sind. Unser Verkaufs- und Serviceteam kennt die Technologie und kann Sie mit ihren Erfahrungen unterstützen, eine optimale Lösung zu finden. Vicon ist der Marktführer für die optische Datenerfassung, mit der dazu gehörenden Unterstützung, Innovation und der Erfahrung die notwendig ist. Viele Innovationen gehen auf Ideen von Vicon zurück, wie zum Beispiel die dynamische Kalibration, die automatische Markererkennung, Realtime Feedback, anspruchsvolle Bildverarbeitungssoftware in den Kameras und marktspezifische Software je nach Anwendung. Die Innovation geht weiter, was unseren Kunden Vertrauen schenkt, mit Vicon auch zukünftige Anforderungen erfüllen zu können. Die Vicon Produkte werden heute von hunderten Kunden im Engineering Bereich täglich eingesetzt, da sie eine hohe Zuverlässigkeit bieten, ausgereift sind, breit getestet und in vielen Bereichen eingesetzt werden, wo die optische Bewegungserfassung zugezogen wird. Lasse Roren / Juni 2015 Die prophysics AG ist spezialisiert auf die konzeptionelle Beratung in der Projektphase, die fachgerechte Installation, Schulung und Optimierung von Systemen rund um die 2D- und 3D-Bewegunserfassung sowie der dazu passenden Messgrössen. prophysics AG Schaffhauserstrasse Kloten Switzerland info@prophysics.ch phone