Tracking Systeme CAR-Seminar 12.01.06 Andreas v. Daake TU-Clausthal.

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1 Tracking Systeme CAR-Seminar 12.01.06 Andreas v. Daake TU-Clausthal

2 2/36 Tracking Systeme Anforderungen Techniken 1.Zeit-/Frequenzmessung (TOF) 2.Räumliche Scans 3.Inertialsysteme 4.Mechanische Kopplung 5.Direkte Feldmessung Hybrides Tracking

3 3/36 Tracking Systeme Anforderungen Anwendung in der Augmented Reality zur Einbettung Virtueller Objekte in die reale Welt Überlagerung von Koordinatensystemen Positionsbestimmung Realer Objekte, die mit virtuellen interagieren sollen Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrid Systeme

4 4/36 Tracking Systeme Anforderungen Präzision Update-Rate Freiheitsgrade Reichweite/Mobilität Preis Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrid Systeme

5 5/36 Tracking Systeme 1.Zeit-/Frequenzmessung Am beweglichen Objekt befindliche Emitter senden Signale aus von einem räumlich festen Referenzpunkt werden dieses Signale empfangen und ausgewertet a)Ultraschall b)GPS c)Phasenverschiebung Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrid Systeme

6 6/36 Tracking Systeme 1.Zeit-/Frequenzmessung a) Ultraschall Prinzip: Messen der Flugzeit des Signals zwischen Objekt und Referenz Signal: Ultraschall (40kHz) EmitterReceiver Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrid Systeme

7 7/36 Tracking Systeme 1.Zeit-/Frequenzmessung a) Ultraschall 3-D-Mouse von Logitech Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrid Systeme

8 8/36 Tracking Systeme 1.Zeit-/Frequenzmessung a) Ultraschall Relativ einfach zu realisieren Kostengünstig Robust Klein Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrid Systeme

9 9/36 Tracking Systeme 1.Zeit-/Frequenzmessung a) Ultraschall Umgebungsgeräusche (CRT, CD-Laufwerke, Reflexionen) Signaldämpfung Variierende Schallgeschwindigkeit Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrid Systeme

10 10/36 Tracking Systeme 1.Zeit-/Frequenzmessung b) GPS Prinzip: Mindestens 24 Satelliten umkreisen die Erde Signal: Gepulstes Radio-Signal welches den Sendezeitpunkt enthält Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrid Systeme

11 11/36 Tracking Systeme 1.Zeit-/Frequenzmessung b) GPS Global Positioning Satellit GPS-Block IIA Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrid Systeme

12 12/36 Tracking Systeme 1.Zeit-/Frequenzmessung b) GPS Weltweit verfügbar Hohe Präzision möglich Sichtkontakt nötig Nur SPS zugänglich Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrid Systeme

13 13/36 Tracking Systeme 1.Zeit-/Frequenzmessung c) Phasenverschiebung Alle Emitter senden mit verschiedenen Frequenzen Empfänger vergleichen das empfangene Signal mit einem Referenzsignal Aus der relativen Phasenänderung wird die Positionsänderung bestimmt Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrid Systeme

14 14/36 Tracking Systeme 2.Räumliche Scans Erfassung der Umgebung mit Video-/Infrarotkameras Abtastung mit rotierenden Lichtstrahlen a)Multiscopy b)Mustererkennung c)Videometrie d)Beam Scanning Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrid Systeme

15 15/36 Tracking Systeme 2.Räumliche Scans a) Multiscopy Erkennen eines Markers mit mehreren Kameras Bestimmung der Position durch Triangulierung Stereoscopy Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrid Systeme

16 16/36 Tracking Systeme 2.Räumliche Scans b) Mustererkennung Erkennen von Geometrischen Mustern mit einer Kamera Das gesehene 2D-Muster ist eine Funktion des Originalsmusters Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrid Systeme

17 17/36 Tracking Systeme 2.Räumliche Scans c) Videometrie Kamera auf dem Objekt/Kopf Orientierung an der Umgebung z. B. Gebäudedecke Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrid Systeme

18 18/36 Tracking Systeme 2.Räumliche Scans d) Beam Scanning Rotierende, optische Strahlen werden von der Referenz ausgesendet Positionsbestimmung aus dem Zeitpunkt des Auftreffens auf das Objekt Laser Bird 2 von Ascension Technology Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrid Systeme

19 19/36 Tracking Systeme 2.Räumliche Scans Sehr präzise Hohe Update-Rate Konstante Lichtverhältnisse nötig Hoher Rechenaufwand Marker müssen in gutem Zustand sein Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrid Systeme

20 20/36 Tracking Systeme 3.Inertialsysteme Bestimmung relativer Bewegung durch Massenträgheit a)Mechanische Gyroskope b)Beschleunigungssensorik Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrid Systeme

21 21/36 Tracking Systeme 3.Inertialsysteme a) Mechanische Gyroskope Prinzip: Kreiselbewegung definiert eine Referenzachse Sensoren messen die Bewegung zu dieser Achse Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrid Systeme

22 22/36 Tracking Systeme 3.Inertialsysteme b) Beschleunigungssensorik Prinzip: Bestimmung der Auslenkung einer federgelagerten Masse durch: Kapazitive Sensoren Druckmessung mit Piezo-Elementen Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrid Systeme

23 23/36 Tracking Systeme 3.Inertialsysteme Unabhängig von externer Referenz Hohe Update-Rate da die Kräfte kontinuierlich anliegen Einfacher Aufbau Kleiner Aufbau Drift unvermeidlich Numerische Fehler summieren sich mit der Zeit auf Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrid Systeme

24 24/36 Tracking Systeme 4.Mechanische Kopplung Positionsbestimmung über: gelenkverbundene Gestänge Seile Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrid Systeme

25 25/36 Tracking Systeme 4.Mechanische Kopplung Sehr präzise Hohe Update-Rate Kostengünstig zu realisieren Eingeschränkter Aktionsradius Nicht benutzerfreundlich Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrid Systeme

26 26/36 Tracking Systeme 5.Direkte Feldmessung Sensoren am Objekt nutzen Physikalische Felder zur Positions- und Orientierungsbestimmung Diese Felder werden von einem Referenzpunkt erzeugt a)Gravitationsfeldsensoren b)Magnetsensoren Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrid Systeme

27 27/36 Tracking Systeme 5.Direkte Feldmessung a) Gravitationsfeldsensoren Prinzip: Messen der Richtung der Gravitation der Erde Mechanisch durch Ausschlagsmessung eines Pendels Optisch durch Flüssigkeitverdeckte Lichtquellen LichtquellenSensoren Lichtundurchlässige Flüssigkeit Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrid Systeme

28 28/36 Tracking Systeme 5.Direkte Feldmessung b) Magnetsensoren Prinzip: Messung der Feldstärke und Richtung eines von einem Referenzpunkt ausgesandten Magnetfeldes Somit können Abstand und Winkel zur Referenz bestimmt werden Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrid Systeme

29 29/36 Tracking Systeme 5.Direkte Feldmessung b) Magnetsensoren Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrid Systeme

30 30/36 Tracking Systeme 5.Direkte Feldmessung b) Magnetsensoren AC: Durchflutung der Spulen mit Sinusförmigem Strom Störanfällig in Umgebungen mit Metall DC: Durchflutung der Spulen mit gepulstem Gleichstrom Messung erst nach Aufbau des Magnetfeldes Keine Ummagnetisierungsstörungen an Metallischen Gegenständen Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrid Systeme

31 31/36 Tracking Systeme 5.Direkte Feldmessung b) Magnetsensoren Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrid Systeme DC-System Flock Of Birds von Ascension Technology

32 32/36 Tracking Systeme 5.Direkte Feldmessung b) Magnetsensoren Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrid Systeme

33 33/36 Tracking Systeme 5.Direkte Feldmessung b) Magnetsensoren Geringe Größe Kostengünstig Starke Störanfälligkeit Geringe Reichweite Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrid Systeme

34 34/36 Tracking Systeme Hybrides Tracking Kombination verschiedener Techniken zur Erhöhung von: Zuverlässigkeit Genauigkeit Update-Rate Anzahl der Freiheitsgrade Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrides Tracking

35 35/36 Tracking Systeme Hybrides Tracking Übliche Kombinationen: Ultraschall – Gyroskop:Kleinräumige 6-DOF-Systeme GPS – Gyroskop :Großräumige 6-DOF-Systeme Infrarot – Magnetisch :Medizinische AR Optisch – Trägheit :sehr präzise 6-DOF-Systeme Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrides Tracking

36 36/36 Tracking Systeme Hybrides Tracking Optisches – Trägheits - Tracking System IS 1200 von InterSense Beschleunigungssensoren + Mustererkennung Hohe Update-Rate Hohe Präzision Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrides Tracking

37 37/36 Tracking Systeme Hybrides Tracking Optisch – Magnetisches - Tracking Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrides Tracking

38 38/36 Tracking Systeme Hybrides Tracking Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrides Tracking

39 Tracking Systeme CAR-Seminar 12.01.06 Andreas v. Daake TU-Clausthal