Dreidimensionale Bewegungserfassung mit Consumer-Highspeedkameras : Eine Systementwicklung unter besonderer Berücksichtigung der Messunsicherheit

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2013
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Dissertation
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Zusammenfassung

Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Entwicklung und der Test eines auf Consumer-Highspeedkameras basierenden Bewegungserfassungssystems.

Consumer-Kameras sind flexibler einsetzbar als kommerzielle Bewegungserfassungssysteme, zugleich kostengünstiger und werden daher oft in der sportwissenschaftlichen Forschung verwendet. Durch ihren Einsatz entstehen jedoch prinzipbedingt höhere Messunsicherheiten, deren Bestimmung in der vorliegenden Arbeit ein besonderer Stellenwert eingeräumt wird.

Nach einem Überblick über aktuelle Bewegungserfassungssysteme und deren Genauigkeiten folgt eine Betrachtung der Messunsicherheit aus metrologischer Perspektive. Anschließend werden die Prozesse der Bilderfassung bei digitalen Consumer-Kameras sowie die zur Modellierung des Kameraabbildungsverhaltens notwendigen Parameteridentifikationsmethoden dargestellt. Diese reichen vom häufig genutzten DLT-Verfahren über Methoden mit Verzeichnungskorrektur bis zu Bündelausgleichsverfahren.

Im Anschluss werden die für die verwendeten Kameras geeigneten Methoden auf Basis funktionaler Hardwaretests ausgewählt und weitere für das Bewegungserfassungssystem notwendige Softwarekomponenten diskutiert. Dazu gehören neben der automatisierten Video- und Bildverarbeitung, spezielle Verfahren zur Korrektur von Consumer-Kamera-spezifischen Abweichungen, z.B. die Korrektur von Rolling-Shutter-Verzerrungen. Im zweiten Teil der Arbeit richtet sich der Fokus auf die Simulation der Effekte von Parameterungenauigkeiten auf die Systemgenauigkeit sowie
auf die Validierung und den Test des implementierten Systems. Dabei konnte die Rekonstruktionsgenauigkeit von 11.86mm bei einer Referenzrahmenkalibration durch den Einsatz der Kalibrationsmethode mit Bündelausgleichsverfahren
von Svoboda u. a. (2005) auf maximal 4.126mm (M=0.073 mm; SD=1.486 mm) reduziert werden. Diese Methode erlaubt
zudem eine einfachere Kalibration größerer Messvolumen ohne aufwändige Referenzrahmen und ist daher ideal für den sportwissenschaftlichen Einsatz geeignet.

Ein weiteres Ergebnis der Arbeit ist die theoretische Ableitung der Fehlerfortpflanzung für die Prozessschritte der Bewegungserfassung. In Kombination mit der entwickelten Simulationsumgebung wird damit die Grundlage für eine Prädiktion der erreichbaren Messunsicherheit bereits vor der eigentlichen Messung gelegt.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

In this thesis, a motion capturing system based on consumer highspeed cameras is developed and tested. It is aimed to be used in the field of Sport Science, especially in capturing environments where commercial motion capturing systems are still not suited to fulfill all needs.

Using consumer hardware, however, gives rise to additional uncertainties in the measurement process. Therefore, special emphasis is placed on the analysis of measurement uncertainty originating from the imaging process, from the distinctive features of consumer camera hardware as well as from the used software methods for calibration, image measurement and reconstruction. After reviewing the state of the art of motion capturing systems, modeling and parameter identification methods for camera calibration are presented and discussed. In a further step, modeling methods are selected based on functional camera hardware tests before the necessary software and hardware elements besides camera calibration are discussed and chosen for implementation in the motion capturing system. Topics include automated video processing, marker tracking, correction of rolling shutter effects as well as the alignment of multiple unsynchronized video streams.

In the second part of the thesis the focus is directed to the simulation of effects of parameter inaccuracies on system uncertainty as well as to the testing and validation of the implemented system. Combining simulation studies and measurements on the real system while using different types of calibration methods, the usability of software and system is evaluated.

As a result of the development, the reconstruction uncertainty of a typical system setup was reduced from static 11.86mm reconstruction error with a reference frame calibration method to max. 4.126mm (M=0.073 mm; SD=1.486 mm) with a moved reference point method. This method is based on the self calibration algorithm proposed by Svoboda, Martinec und Pajdla (2005), on correction software for the compensation of consumer camera inaccuracies and on an additional bundle adjustment step involving all reconstructed markers. A resultant advantage is the possibility to calibrate capturing volumes without the need of special reference frames reducing the reconstruction error at the same time by about factor 10.

As another result, the theoretical framework for error propagation from the initial estimates of reference and image points and their uncertainties to the final reconstructed marker trajectories is outlined. With the combination of the simulation environment, this will allow for the prediction of the achievable uncertainties of marker trajectories with the chosen system configuration and can therefore reduce the effort to set up a consumer camera based motion capturing system configuration.

Fachgebiet (DDC)
796 Sport
Schlagwörter
Konferenz
Rezension
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Zitieren
ISO 690KREDEL, Ralf, 2013. Dreidimensionale Bewegungserfassung mit Consumer-Highspeedkameras : Eine Systementwicklung unter besonderer Berücksichtigung der Messunsicherheit [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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July 26, 2013
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