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03.12.01Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Folie 1 Inhalt Institut für Kartographie und Geoinformation Mobile 3D-GIS: Positionierung Augmented.

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1 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Folie 1 Inhalt Institut für Kartographie und Geoinformation Mobile 3D-GIS: Positionierung Augmented Reality Seminar Geoinformation WS 01/ 02 (7. Sem.) Referent: Sandra Mesenholl Betreuer: Thomas Kolbe Motivation > Begriffsdefinition Anwendungen Komponenten des AR-System Positionsbestimmung

2 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Folie 2 Inhalt Begriffsdefinition Was ist Augmented Reality? Technologie, die es ermöglicht virtuelle Objekte in die Realität einzublenden. Die virtuellen Objekte (z.B. Texte, Bezeichnungen, etc.) werden über die reellen Objekte gelegt oder mit der reellen Welt zusammengesetzt.  Ideal: Virtuelle und reelle Objekte bestehen gleichzeitig Motivation > Begriffsdefinition Anwendungen Komponenten des AR-System Positionsbestimmung

3 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Folie 3 Inhalt Motivation Warum ist Augmented Reality (AR) ein interessantes Thema? Warum ist die Kombination von reellen und virtuellen Objekten nützlich? AR ergänzt die Wahrnehmung des Benutzers von der reellen Welt Virtuelle Objekte zeigen Informationen an, die der Benutzer nicht direkt mit seinen eigenen Sinnen wahrnehmen kann. Informationen, die mit den virtuellen Objekten vermittelt werden, helfen dem Benutzer beim Vollziehen von Aufgaben in der reellen Welt. > Motivation  Begriffsdefinition Anwendungen Komponenten des AR-System Positionsbestimmung

4 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Folie 4 Inhalt Anwendungsbeispiele in definierten Umgebungen (z.B. geschlossenen Gebäuden): Fabrikation Medizin Motivation  Begriffsdefinition > Anwendungen Komponenten des AR-System Positionsbestimmung

5 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Folie 5 Inhalt Anwendungsbeispiele im Freien: Personennavigierung im Freien (z.B. Wanderer, Fußgänger) Stadtführer Bauplanung und -durchführung Motivation  Begriffsdefinition > Anwendungen Komponenten des AR-System Positionsbestimmung

6 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Folie 6 Inhalt Komponenten des AR-Systems Komponenten des AR-Systems: Head Mounted Display (HMD) Motivation  Begriffsdefinition Anwendungen > Komponenten des AR-System Positionsbestimmung

7 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Folie 7 Inhalt Komponenten des AR-Systems Komponenten des AR-Systems: Head mounted Display Tragbarer PC Geräte zur Positionsbestimmung evtl. Kopfhörer, Mikrophone evtl. Spracheingabe Motivation  Begriffsdefinition Anwendungen > Komponenten des AR-System Positionsbestimmung Ausblick

8 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Folie 8 Inhalt Drei wesentliche Faktoren des AR-Systems Drei wesentliche Faktoren bestimmen AR-Systeme: 1) Kombination von Realität und Virtualität 2) Interaktiv in Echtzeit 3) Einbeziehung des Betrachters in den 3D Kontext  Bestimmung der Position und der Blickrichtung des Betrachters Motivation  Begriffsdefinition Anwendungen > Komponenten des AR-System Positionsbestimmung

9 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Folie 9 Inhalt Positionsbestimmung Welche Freiheitsgrade gibt es? zKzK yKyK xKxK z K‘ y K‘ x K‘    3 Parameter für die Orientierung  insgesamt 6 Parameter 3 Parameter für die Translation Motivation  Begriffsdefinition Anwendungen Komponenten des AR-System > Positionsbestimmung

10 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Folie 10 Inhalt Positionsbestimmung Welche Sensoren/ Geräte werden zur Positionsbestimmung verwendet? GPS DGPS  absolute Positionsbestimmung Kompass, Neigungssensoren Inertialsystem: Kreisel  Orientierungsbestimmung evtl. Stereokamera bzw. Videokamera  Positionsbestimmung, Orientierungsbestimmung Motivation  Begriffsdefinition Anwendungen Komponenten des AR-System > Positionsbestimmung

11 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Folie 11 Inhalt Positionsbestimmung Zwei Arten der Sensorkombination: 1) DGPS, Kompass, Neigungssensor, Inertialsystem  Basissystem 2) DGPS, Kompass, Neigungssensor, Inertialsystem, Videokamera  Inertial-optisches System Motivation  Begriffsdefinition Anwendungen Komponenten des AR-System > Positionsbestimmung

12 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Folie 12 Inhalt Das Problem der Positionsbestimmung Bestandteile des Orientierungssensors: Kompass, Neigungssensoren (absolute Orientierung) Inertialsystem: Kreisel (relative Änderung) Erläuterung des Problems der Positionsbestimmung im Freien am Beispiel des Basissystems (DGPS, Kompass, Neigungssensor, Inertialsystem): Lösungsansatz: Schrittweises lösen  1. Lösungsbestimmung für die Positionierung  2. Lösungsbestimmung für die Orientierung Annahme: die Position ist mittels DGPS hinreichend genau bestimmt  Bestimmung von 3 Parametern Motivation  Begriffsdefinition Anwendungen Komponenten des AR-System > Positionsbestimmung

13 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Folie 13 Inhalt Das Problem der Positionsbestimmung Die größten Fehlerquellen: Verfälschungen beim Orientierungssensor Durch Laufzeitverzögerungen verursachte dynamische Fehler  Notwendigkeit der Kalibrierung der Sensoren und der Entwicklung von Algorithmen, um eine effektive Kombination der Kompass- und Kreiseldaten zu erlangen Motivation  Begriffsdefinition Anwendungen Komponenten des AR-System > Positionsbestimmung

14 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Folie 14 Inhalt Das Problem der Positionsbestimmung Erläuterung des dynamischen Fehlers verursacht durch Laufzeitverzögerungen: Kompass: 16 Hz Kreisel: 1 kHz Explizit: 90 ms Laufzeitverzögerung zwischen den Messungen der beiden Orientierungssensoren aufgrund von innewohnenden Sensoreigenschaften  Problemlösung mittels einer Art Kalman-Filter, um die Abstimmung zwischen beiden Sensoren zu erleichtern Motivation  Begriffsdefinition Anwendungen Komponenten des AR-System > Positionsbestimmung

15 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Folie 15 Inhalt Das Problem der Positionsbestimmung Funktionsweise des Filters: 1.Er kombiniert die beiden Sensoren mit der Aktualisierungsgeschwindigkeit des Kreisels (1kHz). Kreisel kompensiert Fehler des Kompasses Ausgleich der Laufzeitverzögerung Glättung Konvergierung der Filterausgaben mit den Kompassmessungen, wenn die Bewegung anhält Prädiktion Motivation  Begriffsdefinition Anwendungen Komponenten des AR-System > Positionsbestimmung

16 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Folie 16 Inhalt Das Problem der Positionsbestimmung Vorteile durch den Einsatz des Filters: Fehler des Kreisels Akkumulation der Drift  Filter benutzt die absolute Orientierung des Kompasses zur Kalibrierung  Kompass kompensiert Fehler des Kreisels Folgerungen:  der eine Sensor kompensiert die Schwächen des anderen und umgekehrt  Wenn nur der Kompass als Orientierungssensor benutzt würde, wären die Fehler weit höher Motivation  Begriffsdefinition Anwendungen Komponenten des AR-System > Positionsbestimmung

17 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Folie 17 Inhalt Das Problem der Positionsbestimmung Erreichte Genauigkeit: Spitzenfehler: um 2° Mittlerer Fehler: unter 1°  besitzt relativ kleine Fehler  aber: noch nicht optimal Verbesserung des Systems durch Hinzufügen eines weiteren Sensors: Videokamera Motivation  Begriffsdefinition Anwendungen Komponenten des AR-System > Positionsbestimmung

18 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Folie 18 Inhalt Das Problem der Positionsbestimmung Komponenten der Sensorkombination: DGPS Kompass, Neigungssensor Inertialsystem Videokamera  Inertial-optisches System Motivation  Begriffsdefinition Anwendungen Komponenten des AR-System > Positionsbestimmung

19 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Folie 19 Inhalt Das Problem der Positionsbestimmung Funktionsweise dieses Systems 1. Merkmal beobachtet 3. Reelles Haus 4. Bestimmung der Verschiebungsvektors 2. Prädiktion des Merkmals mittels des Inertialsystems  Einschränkung des Suchraums mittels des Inertialsystems Motivation  Begriffsdefinition Anwendungen Komponenten des AR-System > Positionsbestimmung

20 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Folie 20 Inhalt Das Problem der Positionsbestimmung Vergleich des Basissystems mit dem inertial-optischem System Erreichte Genauigkeit: bis auf ein paar Pixel an der wirklichen Position Nachteile: im Moment noch kein wirkliches Echtzeitverfahren, weil es sehr rechenintensiv ist Motivation  Begriffsdefinition Anwendungen Komponenten des AR-System > Positionsbestimmung


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