Institut für Kartographie und Geoinformation Inhalt Mobile 3D-GIS: Positionierung Augmented Reality Seminar Geoinformation WS 01/ 02 (7. Sem.) Begriffsdefinition Motivation Anwendungen Komponenten des AR-System Positionsbestimmung Referent: Sandra Mesenholl Betreuer: Thomas Kolbe 03.12.01 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality

Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Begriffsdefinition Inhalt 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 Begriffsdefinition Motivation Anwendungen Komponenten des AR-System Positionsbestimmung 03.12.01 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality

Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Motivation Inhalt 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. Begriffsdefinition Motivation Anwendungen Komponenten des AR-System Positionsbestimmung 03.12.01 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality

Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Anwendungsbeispiele Inhalt in definierten Umgebungen (z.B. geschlossenen Gebäuden): Fabrikation Begriffsdefinition Motivation Anwendungen Komponenten des AR-System Positionsbestimmung Medizin 03.12.01 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality

Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Anwendungsbeispiele Inhalt im Freien: Personennavigierung im Freien (z.B. Wanderer, Fußgänger) Begriffsdefinition Motivation Anwendungen Komponenten des AR-System Positionsbestimmung Stadtführer Bauplanung und -durchführung 03.12.01 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality

Komponenten des AR-Systems Inhalt Komponenten des AR-Systems: Head Mounted Display (HMD) Begriffsdefinition Motivation Anwendungen Komponenten des AR-System Positionsbestimmung 03.12.01 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality

Komponenten des AR-Systems Inhalt Komponenten des AR-Systems: Head mounted Display Tragbarer PC Motivation Begriffsdefinition Anwendungen Komponenten des AR-System Positionsbestimmung Ausblick Geräte zur Positionsbestimmung evtl. Kopfhörer, Mikrophone evtl. Spracheingabe 03.12.01 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality

Drei wesentliche Faktoren des AR-Systems Inhalt Drei wesentliche Faktoren bestimmen AR-Systeme: 1) Kombination von Realität und Virtualität 2) Interaktiv in Echtzeit 3) Einbeziehung des Betrachters in den 3D Kontext Begriffsdefinition Motivation Anwendungen Komponenten des AR-System Positionsbestimmung  Bestimmung der Position und der Blickrichtung des Betrachters 03.12.01 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality

Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Positionsbestimmung Inhalt Welche Freiheitsgrade gibt es? Motivation Begriffsdefinition Anwendungen Komponenten des AR-System Positionsbestimmung 3 Parameter für die Translation zK‘ yK‘ xK‘ a g b 3 Parameter für die Orientierung  insgesamt 6 Parameter zK yK xK 03.12.01 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality

Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Positionsbestimmung Inhalt 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 03.12.01 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality

Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Positionsbestimmung Inhalt Zwei Arten der Sensorkombination: 1) DGPS, Kompass, Neigungssensor, Inertialsystem  Basissystem Motivation Begriffsdefinition Anwendungen Komponenten des AR-System Positionsbestimmung 2) DGPS, Kompass, Neigungssensor, Inertialsystem, Videokamera  Inertial-optisches System 03.12.01 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality

Das Problem der Positionsbestimmung Inhalt 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 Bestandteile des Orientierungssensors: Kompass, Neigungssensoren (absolute Orientierung) Inertialsystem: Kreisel (relative Änderung) 03.12.01 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality

Das Problem der Positionsbestimmung Inhalt 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 03.12.01 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality

Das Problem der Positionsbestimmung Inhalt 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 Begriffsdefinition Motivation Anwendungen Komponenten des AR-System Positionsbestimmung 03.12.01 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality

Das Problem der Positionsbestimmung Inhalt Funktionsweise des Filters: Er kombiniert die beiden Sensoren mit der Aktualisierungsgeschwindigkeit des Kreisels (1kHz). Motivation Begriffsdefinition Anwendungen Komponenten des AR-System Positionsbestimmung Ausgleich der Laufzeitverzögerung Glättung Konvergierung der Filterausgaben mit den Kompassmessungen, wenn die Bewegung anhält Prädiktion Kreisel kompensiert Fehler des Kompasses 03.12.01 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality

Das Problem der Positionsbestimmung Inhalt 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 03.12.01 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality

Das Problem der Positionsbestimmung Inhalt Erreichte Genauigkeit: Spitzenfehler: um 2° Mittlerer Fehler: unter 1° besitzt relativ kleine Fehler aber: noch nicht optimal Motivation Begriffsdefinition Anwendungen Komponenten des AR-System Positionsbestimmung Verbesserung des Systems durch Hinzufügen eines weiteren Sensors: Videokamera 03.12.01 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality

Das Problem der Positionsbestimmung Inhalt Komponenten der Sensorkombination: DGPS Kompass, Neigungssensor Inertialsystem Videokamera  Inertial-optisches System Motivation Begriffsdefinition Anwendungen Komponenten des AR-System Positionsbestimmung 03.12.01 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality

Das Problem der Positionsbestimmung Inhalt Funktionsweise dieses Systems 1. Merkmal beobachtet Motivation Begriffsdefinition Anwendungen Komponenten des AR-System Positionsbestimmung 2. Prädiktion des Merkmals mittels des Inertialsystems  Einschränkung des Suchraums mittels des Inertialsystems 3. Reelles Haus 4. Bestimmung der Verschiebungsvektors 03.12.01 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality

Das Problem der Positionsbestimmung Inhalt Vergleich des Basissystems mit dem inertial-optischem System Motivation Begriffsdefinition Anwendungen Komponenten des AR-System Positionsbestimmung Erreichte Genauigkeit: bis auf ein paar Pixel an der wirklichen Position Nachteile: im Moment noch kein wirkliches Echtzeitverfahren, weil es sehr rechenintensiv ist 03.12.01 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality