Anwendungsbezogenes Tracking

Transkript

1 Institut für Computervisualistik Universität Koblenz 4. Juli 2011

2 Inhaltsverzeichnis 1 Sensorbasiertes Tracking GPS WLan Elektronischer Kompass Inertialsensoren 2 Bildbasiertes Tracking Markerbasiertes Tracking Markerloses Tracking 3 Hybrid Tracking Techniken 4 Fazit

3 GPS Satellitengestütztes Navigations- und Positionsbestimmungssystem 1973 vom US-Verteidigungsministerium entwickelt 31 Satelliten, die Erde zweimal täglich umkreisen 24-Slotanordnung

4 GPS Die Satelliten senden in festen Abständen Zeitsignale sowie ihre Position aus Laufzeit dieser Signale dient als Basis für die Trilateration Genauigkeit ca. 10 Meter Ungenauigkeiten der Uhren führen zu einem Zeitdrift 4. Satellit nötig

5 GPS Verbesserung der Genauigkeit durch: Differential GPS Assisted GPS Vorteile: Weltweit verfügbar Im Freien ausreichend genau Günstige Empfänger Nachteile: Nur im Freien verfügbar Indoor nur sehr ungenaue A-GPS Positionsbestimmung Keine Bestimmung der Orientierung

6 WLan Signalstärke und Laufzeit zwischen Accespoint und Empfänger zur Entfernungsmessung Drei Accespoints für 2D Positionsbestimmung, Vier für 3D Positionsbestimmung mittels Trilateration Genauigkeit von wenigen Metern

7 WLan Vorteile: Anwendbarkeit innerhalb von Gebäuden Günstige, in vielen Bereichen bereits vorhandene Hardware Nachteile: Karte mit Accespointpositionen wird benötigt Keine Bestimmung der Orientierung möglich

8 WLan

9 Elektronischer Kompass Horizontale Orientationsbestimmung mithilfe des Erdmagnetfeldes Schock- und Vibrationsresistent Störungen in der Nähe von eisenhaltingen Metallen Arbeitet autonom

10 Inertialsensoren Es gibt mehrere verschiedene Arten von Inertialsensoren jedoch arbeiten alle auf dem gleichen Prinzip, der Trägheit der Masse. Arbeiten autonom Nur relative Positionsbestimmung dies führt zu einem Drift Quadratische Fehlerakkumulation Stützsystem für initiale Position sowie Driftkorrektur nötig

11 Inertialsensoren Beschleunigungsmesser 1 Masse an Feder 2 Stauchung bzw. Streckung der Feder wird gemessen 3 Mittels zweifacher Integration wird daraus die Positionsänderung bestimmt

12 Inertialsensoren Beschleunigungsmesser Ein Freiheitsgrad pro Sensor Günstig und kompakt realisierbar Mit Hilfe der Gravitation ist es möglich die Orientierung zu bestimmen

13 Inertialsensoren Piezoelektrischer Sensor 1 Besteht aus Piezoelement und Gewichte 2 Die Piezoelemente erzeugen beim Einwirken von Kräften eine elektrische Ladung 3 Diese Ladung wird mithilfe von Elektroden erfasst 4 Da die Ladung proportional zu den einwirkenden Kräfte ist, kann daraus die Kraft und somit die Beschleunigung, welche für die Positionsbestimmung nötig ist, bestimmt werden

14 Inertialsensoren Gyroskop 1 Schnell drehende Scheibe im inneren der Konstruktion 2 Bei Bewegung behält die Scheibe ihre Richtung bei 3 Messung der Winkelgeschwindigkeit ermöglicht Berechnung der absoluten Orientierung 4 weiter Gyroskoparten: Lasergyroskop, Vibrationsgyroskop...

15 Inertialsensoren Vorteile: Brauchen keine Infrastruktur Günstig Kompakt realisierbar Nachteile: Nur relative Positionsbestimmung Fehlerakkumulation

16 Markerbasiertes Tracking Arbeitet auf sog. Markern Einlesen der Marker in der Software um eine Zuordnung herzustellen Berechnung der Kamerapose mithilfe der im Bild gefundenen Markern Ist ein Marker einmal gefunden, wird versucht, diesen zu verfolgen Suchbereich einschränken

17 Markerbasiertes Tracking Markerfindung AR-Toolkit 1 Kamerabild binarisieren 2 Labelingvorgang zur Regionendetektion 3 Regionen auf Konturen untersuchen 4 Vierecke identifizieren 5 Eckpunkte bestimmen

18 Markerbasiertes Tracking Vorteile: Präzise Günstig Hohe Mobilität Sehr Robust ohne großen technischen Aufwand realisierbar Outdoor einsetzbar Nachteile: Marker auf für unbeteiligte Personensichtbar Verdeckungen führen zu schlechten Trackingergebnissen Geringer High-Tech-Faktor

19 Markerloses Tracking Benötigt keine Veränderung der Umgebung Arbeitet auf Bildmerkmalen Punkte Linien Berechnung der Kamerapose mithilfe der im Bild gefundenen Merkmalen Veränderung der Perspektive wird durch sog. Matching ausgeglichen Unterteilung in Sequentielles und Modellbasiertes Tracking sowie Rekonstruktive Ansätze

20 Markerloses Tracking Natürliche Merkmale

21 Markerloses Tracking Sequentielles Tracking Relative Positionsbestimmung aus aufeinanderfolgenden Kamerabildern Veränderungen von Merkmalen werden analysiert Da die Berechnung der Pose immer auf der vorherigen beruht summieren sich Fehler stetig auf Ausgleich durch Referenzbilder Licht und Schatten verändern Merkmale Bestimmung der Startpose benötigt Referenzpunkte oder Stützsystem

22 Markerloses Tracking Modellbasiertes Tracking Benötigt 3D Modell der Umgebung sowie initiale Startposition Virtuelles Bild wird versucht dem Kamerabild anzunähern Dies liefert die absolute Position und somit entsteht kein Drift Bewegliche Objekte wie zum Beispiel Autos, Fußgänger oder Jalousien können die Bestimmung negativ beeinflussen Zur Bestimmung der Pose werden Kamera und Synthetisches Bild auf korrespondierende Merkmale untersucht

23 Markerloses Tracking Modellbasiertes Tracking

24 Markerloses Tracking Rekonstruktive Ansätze SLAM(Simultaneous localization and mapping) Kommen komplett ohne Informationen über die Umgebung aus Bisher hauptsächlich bei Robotern und autonomen Fahrzeugen im Einsatz Gleichzeitiges Erstellen einer Karte sowie die Bestimmung der Position mithilfe der erstellten Karte Henne-Ei-Problem Lösung mit Kalman Filtering oder Particle Filtering

25 Markerloses Tracking Rekonstruktive Ansätze Video

26 Hybrid Tracking Techniken Fusion verschiedener Trackingtechniken Unterteilung in drei Kategorien: komplementäre im Wettbewerb stehende kooperative

27 Hybrid Tracking Techniken Komplementäre Hybrid Tracking Techniken Alle Einzeltechniken unabhänging voneinander Erweiterung des Funktionsumfangs durch Kombination verschiedener Techniken z.b. Kombination von GPS und Elektronischem Kompass

28 Hybrid Tracking Techniken Im Wettbewerb stehende Hybrid Tracking Techniken Mehrere Sensoren bestimmen die gleichen Beziehungen Fehlerminimierung z.b. Inertialsensoren mit Ultraschallstützung

29 Hybrid Tracking Techniken Kooperative Hybrid Tracking Techniken Sensoren versorgen sich gegenseitig mit Informationen z.b. Stabilisierung von optischem Tracking durch ein Gyroskop

30 Alle Trackingtechniken haben Schwächen Kombination nötig um genaues, zuverlässiges und ortsunabhängiges Tracking zu ermöglichen Bei Smartphones sticht hier besonders das Markerlose Tracking kombiniert mit Inertialsensoren hervor

31 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit