Tracking Systeme CAR-Seminar 12.01.06 Andreas v. Daake TU-Clausthal.
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Tracking Systeme
CAR-Seminar 12.01.06
Andreas v. DaakeTU-Clausthal
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Tracking Systeme
Anforderungen
Techniken
1. Zeit-/Frequenzmessung (TOF)
2. Räumliche Scans
3. Inertialsysteme
4. Mechanische Kopplung
5. Direkte Feldmessung
Hybrides Tracking
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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
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Anforderungen
• Präzision
• Update-Rate
• Freiheitsgrade
• Reichweite/Mobilität
• Preis
Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrid Systeme
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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
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1. Zeit-/Frequenzmessung a) Ultraschall
• Prinzip: Messen der Flugzeit des Signals zwischen Objekt und Referenz
• Signal: Ultraschall (40kHz)
EmitterReceiver
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1. Zeit-/Frequenzmessung a) Ultraschall
• „3-D-Mouse“ von Logitech
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1. Zeit-/Frequenzmessung a) Ultraschall
•Relativ einfach zu realisieren
•Kostengünstig
•Robust
•Klein
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1. Zeit-/Frequenzmessung a) Ultraschall
•Umgebungsgeräusche (CRT, CD-Laufwerke, Reflexionen)
•Signaldämpfung
•Variierende Schallgeschwindigkeit
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1. Zeit-/Frequenzmessung b) GPS
• Prinzip: Mindestens 24 Satelliten umkreisen die Erde
• Signal: Gepulstes Radio-Signal welches den Sendezeitpunkt enthält
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1. Zeit-/Frequenzmessung b) GPS
• Global Positioning Satellit „GPS-Block IIA“
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1. Zeit-/Frequenzmessung b) GPS
•Weltweit verfügbar
•Hohe Präzision möglich
•Sichtkontakt nötig
•Nur SPS zugänglich
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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
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2. Räumliche Scans
• Erfassung der Umgebung mit Video-/Infrarotkameras
• Abtastung mit rotierenden Lichtstrahlen
a) Multiscopy
b) Mustererkennung
c) Videometrie
d) Beam Scanning
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2. Räumliche Scans a) Multiscopy
• Erkennen eines Markers mit mehreren Kameras
• Bestimmung der Position durch Triangulierung
Stereoscopy
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2. Räumliche Scans b) Mustererkennung
• Erkennen von Geometrischen Mustern mit einer Kamera
• Das gesehene 2D-Muster ist eine Funktion des Originalsmusters
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2. Räumliche Scans c) Videometrie
• Kamera auf dem Objekt/Kopf
• Orientierung an der Umgebung z. B. Gebäudedecke
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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
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2. Räumliche Scans
•Sehr präzise
•Hohe Update-Rate
•Konstante Lichtverhältnisse nötig
•Hoher Rechenaufwand
•Marker müssen in gutem Zustand sein
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3. Inertialsysteme
• Bestimmung relativer Bewegung durch Massenträgheit
a) Mechanische Gyroskope
b) Beschleunigungssensorik
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3. Inertialsysteme a) Mechanische Gyroskope
• Prinzip: Kreiselbewegung definiert eine Referenzachse
• Sensoren messen die Bewegung zu dieser Achse
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3. Inertialsysteme b) Beschleunigungssensorik
• Prinzip: Bestimmung der Auslenkung einer federgelagerten Masse durch:
• Kapazitive Sensoren
• Druckmessung mit Piezo-Elementen
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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
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4. Mechanische Kopplung
• Positionsbestimmung über:
• gelenkverbundene Gestänge
• Seile
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4. Mechanische Kopplung
•Sehr präzise
•Hohe Update-Rate
•Kostengünstig zu realisieren
•Eingeschränkter Aktionsradius
•Nicht benutzerfreundlich
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5. Direkte Feldmessung
• Sensoren am Objekt nutzen Physikalische Felder zur Positions- und
Orientierungsbestimmung
• Diese Felder werden von einem Referenzpunkt erzeugt
a) Gravitationsfeldsensoren
b) Magnetsensoren
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5. Direkte Feldmessung a) Gravitationsfeldsensoren
• Prinzip: Messen der Richtung der Gravitation der Erde
• Mechanisch durch Ausschlagsmessung eines Pendels
• Optisch durch Flüssigkeitverdeckte Lichtquellen
Lichtquellen Sensoren
LichtundurchlässigeFlüssigkeit
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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
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5. Direkte Feldmessung b) Magnetsensoren
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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
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5. Direkte Feldmessung b) Magnetsensoren
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DC-System „Flock Of Birds“ von Ascension Technology
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5. Direkte Feldmessung b) Magnetsensoren
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5. Direkte Feldmessung b) Magnetsensoren
•Geringe Größe
•Kostengünstig
•Starke Störanfälligkeit
•Geringe Reichweite
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Hybrides Tracking
• Kombination verschiedener Techniken zur Erhöhung von:
• Zuverlässigkeit
• Genauigkeit
• Update-Rate
• Anzahl der Freiheitsgrade
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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
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Hybrides Tracking
• Optisches – Trägheits - Tracking System „IS 1200“ von InterSense
• Beschleunigungssensoren + Mustererkennung
• Hohe Update-Rate
• Hohe Präzision
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Hybrides Tracking
• Optisch – Magnetisches - Tracking
Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrides Tracking
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Hybrides Tracking
Anforderungen --- TOF - Räumliche Scans - Inertialsysteme - Mech. Kopplung – Feldmessung --- Hybrides Tracking
Tracking Systeme
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