AT508442B1 - Verfahren zur lagebestimmung eines objekts auf einer geländefläche - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Lagebestimmung eines Objekts auf einer Geländefläche mit Hilfe einer digitalen Bilderfassungseinrichtung beschrieben, wobei ein mathematisches Modell der Geländefläche erstellt und die erstellte Modellfläche (2) der Geländeabbildung durch die Bilderfassungseinrichtung zur Bestimmung der Lagekoordinaten (x, y, z) des Objekts auf der Modellfläche (2) der Objektabbildung zugeordnet wird. Um einfache Kalibrierungsbedingungen zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass ausgewählten Geländepunkten entsprechende Punkte (P1, P2, P3) auf der Modellfläche (2) in einer zentralen Projektion durch ein Drehen und Verschieben der Modellfläche (2) in eine den Abbildungskoordinaten (Xb, yb,) dieser durch die Bilderfassungseinrichtung abgebildeten Geländepunkte entsprechende Lage überführt werden und dass dann aus den als Projektionskoordinaten dienenden Abbildungskoordinaten (xb, yb) des Objekts die Lagekoordinaten (x, y, z) des Objekts auf der Modellfläche (2) ermittelt werden.

Description

österreichisches Patentamt AT508 442B1 2011-03-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Lagebestimmung eines Objekts auf einer Geländefläche mit Hilfe einer digitalen Bilderfassungseinrichtung, wobei ein mathematisches Modell der Geländefläche erstellt und die erstellte Modellfläche der Geländeabbildung durch die Bilderfassungseinrichtung zur Bestimmung der Lagekoordinaten des Objekts auf der Modellfläche der Objektabbildung zugeordnet wird.

[0002] Um den Weg oder die Geschwindigkeit von Objekten mit Hilfe von digitalen Bilderfassungseinrichtungen, üblicherweise digitale Kameras, vermessen zu können, ist es notwendig, den Abstand und die Ausrichtung der Bilderfassungseinrichtung gegenüber dem zu erfassenden Objekt einerseits und die Brennweite der Bilderfassungseinrichtung anderseits, also die äußeren und die inneren Parameter der Bilderfassungseinrichtung, vorzugeben, um aus der zweidimensionalen Abbildung auf die Bewegung des Objekts im Raum rückschließen zu können. Die Kalibrierung solcher üblicherweise für Sportereignisse eingesetzten Systeme ist daher aufwendig und setzt im Allgemeinen zumindest zwei aufeinander abzustimmende Bilderfassungseinrichtungen voraus. Um mit einer einzigen Bilderfassungseinrichtung das Auslangen zu finden, ist es zur Bestimmung der Flugweite von Körpern, insbesondere Skispringern, bekannt (DE 38 05 450 A1), das Landeprofil der Sprungschanze in einem mathematischen Modell zu erfassen und der durch eine Kamera erfassten Abbildung des Landegebiets ein aus dem Modellprofil abgeleitetes Netz von Linien läge- und perspektivgetreu zu überlagern. Voraussetzung hiefür ist allerdings wieder, dass die inneren und äußeren Parameter der den Aufsprungbereich der Schanze erfassenden Kamera bekannt sind.

[0003] Schließlich ist es bekannt (US 2001/0031067 A1), die dreidimensionale Lage und Ausrichtung einer Kamera gegenüber einem Spielfeld anhand der von der Kamera erfassten zweidimensionalen Abbildung eines Spielfeldabschnitts zu bestimmen, der eine geometrische Figur bekannter Größe, vorzugsweise einen mittigen Anstoßkreis zeigt. Aufgrund der perspektivischen Verkürzungen und dem Verlauf der den Anstoßkreis schneidenden Mittellinie kann auf den Schwenkwinkel, die Neigung und die Lage der Kamera entlang des Spielfelds rückgerechnet werden, wenn der Abstand der Bildebene der Kamera vom Kreismittelpunkt bekannt ist. Diese Voraussetzungen können jedoch bei einer Objektverfolgung im Gelände nicht erfüllt werden.

[0004] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, dass eine ausreichend genaue Ortsbestimmung des zu verfolgenden Objekts auf einer Geländefläche mit einem vergleichsweise geringen Aufwand sichergestellt werden kann, um aus den in Weltkoordinaten erfassten, zeitlich bezogenen örtlichen Objektlagen nicht nur den Weg des Objekts, sondern auch alle von diesen Weltkoordinaten ableitbaren Parameter, wie Weglängen und Geschwindigkeiten, ermitteln zu können.

[0005] Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass ausgewählten Geländepunkten entsprechende Punkte auf der Modellfläche in einer zentralen Projektion durch ein Drehen und Verschieben der Modellfläche in eine den Abbildungskoordinaten dieser durch die Bilderfassungseinrichtung abgebildeten Geländepunkte entsprechende Lage überführt werden und dass dann aus den als Projektionskoordinaten dienenden Abbildungskoordinaten des Objekts die Lagekoordinaten des Objekts auf der Modellfläche ermittelt werden.

[0006] Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass dann eine eindeutige Zuordnung der Abbildungskoordinaten des Objekts zu dessen in Weltkoordinaten erfassten Lage auf der Geländefläche möglich ist, wenn die die Geländefläche mit einer ausreichenden Genauigkeit abbildende mathematische Modellfläche in einer Zentralprojektion unter einer Ausrichtung betrachtet wird, die der Ausrichtung der Bilderfassungseinrichtung gegenüber der Geländefläche entspricht, sodass die Abbildung der Geländefläche durch die Bilderfassungseinrichtung mit der Projektion der Modellfläche korreliert. In diesem Fall können die durch die Bilderfassungseinrichtung erfassten Abbildungskoordinaten des Objekts als Projektionskoordinaten zur Ermittlung der Lagekoordinaten des Objekts auf der Modellfläche herangezogen werden, um über die 1/5 österreichisches Patentamt AT508 442 B1 2011-03-15

Lagekoordinaten auf der Modellfläche die Weltkoordinaten des Objekts auf der Geländefläche zu ermitteln. Zur Übereinstimmung der Abbildung der Geländefläche durch die Bilderfassungseinrichtung mit der Projektion der Modellfläche bedarf es keiner Kenntnis der inneren und äußeren Parameter der Bilderfassungseinrichtung, wenn die Modellfläche durch ein Drehen und Verschieben so gegenüber der Projektionsebene bewegt wird, dass ausgewählten Geländepunkten entsprechende Punkte auf der Modellfläche in einer Zentralprojektion der Modellfläche in Projektionspunkte überführt werden, die die Abbildungskoordinaten der von der Bilderfassungseinrichtung erhaltenen Abbildung dieser Geländepunkte aufweisen. Bei einer ausreichenden Anzahl von Geländepunkten kann aufgrund eines sich auf vorhandene Abweichungen der Projektion der Modellflächenpunkte von den durch die Abbildungskoordinaten festgelegten Sollpunkten stützenden, bekannten Fehlerminimierungsverfahrens die Modellfläche stets so verlagert werden, dass die Projektion der Modellflächenpunkte in die Sollpunkte überführt werden, sodass die Kenntnis der inneren und äußeren Parameter der Bilderfassungseinrichtung für eine genaue Zuordnung von über die Bilderfassungseinrichtung aufgenommenen Geländepunkten zu Modellflächenpunkten nicht notwendig ist, was den sonst für die Lagebestimmung eines Objektes mit Hilfe einer digitalen Bilderfassungseinrichtung erforderlichen Aufwand entscheidend herabsetzt.

[0007] Voraussetzung für eine genaue Lagebestimmung eines Objekts auf einer Geländefläche ist, dass die Geländefläche in einem mathematischen Modell ausreichend genau wiedergegeben werden kann, was durch eine Vermessung der Geländefläche beispielsweise über die punktweise Ermittlung der Weltkoordinaten der Geländefläche mittels eines Satellitennavigationssystems und gegebenenfalls eine Interpolation von Zwischenbereichen ohne Weiteres möglich ist. Insbesondere auf dem Gebiet von Sportereignissen interessieren häufig nur bestimmte Bereiche einer Geländefläche. Um diese Bereiche vorteilhaft zu erfassen und die daraus gewonnene Modellfläche gegenüber einer Projektionsebene so auszurichten, dass die Modellfläche in einer Zentralprojektion mit der Abbildung der Geländefläche durch die Bilderfassungseinrichtung übereinstimmt, kann entlang eines bevorzugten Spurbereichs auf der Geländefläche ein Objekt mit einer Einrichtung zur Erfassung der Weltkoordinaten bewegt und mittels der Bilderfassungseinrichtung aufgezeichnet werden, wobei den Abbildungskoordinaten des Objekts die zeitsynchron erfassten Weltkoordinaten zur Ausrichtung der Modellfläche gegenüber einer der Abbildungsebene entsprechenden Projektionsebenen zugeordnet werden.

[0008] Mit der Lageerfassung des Objekts auf der Modellfläche und der Übertragung dieser Lagekoordinaten in Weltkoordinaten können vom Weg des Objekts auf der Geländefläche abhängige Parameter ermittelt werden, beispielsweise die Geschwindigkeit des Objekts, die zurückgelegte Weglänge, Beschleunigungen oder Aufsetzpunkte des Objekts auf der Geländefläche nach einer Flugphase.

[0009] Anhand der Zeichnung wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert, und zwar wird die zentrale Projektion der von einer Geländefläche abgeleiteten, mathematischen Modellfläche auf eine Projektionsebene zur Überführung der Modellflächenprojektion in eine der Abbildung der Geländefläche durch die Bilderfassungseinrichtung entsprechende Form gezeigt.

[0010] Mit Hilfe einer digitalen Bilderfassungseinrichtung wird die Geländefläche, auf der die Lage eines Objekts bestimmt werden soll, erfasst und aufgrund der Erkennbarkeit bevorzugte Geländepunkte ausgewählt, deren Abbildungskoordinaten ermittelt werden, sodass die Bildpunkte dieser Geländepunkte in der Abbildungsebene eindeutig über die Abbildungskoordinaten bestimmt sind. Die Lage der abgebildeten Geländepunkte kann somit auf eine Projektionsebene 1 übertragen werden, die durch die Koordinatenachsen xp und yp vorgegeben ist, sodass die Lage der Bildpunkte B^ B2, B3 durch ihre Koordinaten xb und yb in der Projektionsebene 1 eindeutig definiert ist, wie dies für den Punkt B^ eingezeichnet ist. Die Geländefläche wird mathematisch über zum Beispiel tabellarisch abgespeicherte Weltkoordinaten in einer Modellfläche 2 wiedergegeben. Diese Modellfläche 2 wird in einer Zentralprojektion auf der Projektionsebene 1 abgebildet, wobei die ausgewählten, in den Bildpunkten Bi, B2, B3 abgebildeten Geländepunkte auf der Modellfläche 2 mit Pi, P2 und P3 bezeichnet sind. Gemäß dem dargestellten Beispiel wird die Modellfläche 2 in einer ersten strichpunktiert angedeuteten Näherung gegenüber der 2/5 österreichisches Patentamt AT508 442 B1 2011-03-15

Projektionsebene 1 so ausgerichtet, dass der Modellpunkt P3 in der Zentralprojektion mit dem entsprechenden Bildpunkt B3 zusammenfällt, während die Projektion B^ und B2' der Modellpunkte und P2 von den Bildpunkten Bi und B2 einen Abstand aufweisen. Durch ein Verschieben und ein Drehen der Modellfläche 2 in die in vollen Linien eingezeichnete Lage gelingt es, die Projektionspunkte B^ und B2' in die Bildpunkte B^ und B2 überzuführen, sodass die Projektion der in vollen Linien dargestellten Modellfläche 2 auf der Projektionsebene 1 der Abbildung der Geländefläche durch die Bilderfassungseinrichtung entspricht. Die Transformation der Modellfläche 2 in die Solllage, in der die zweidimensionale Abbildung der Geländefläche der Projektion der Modellfläche 2 entspricht, kann über eine Fehlerminimierung auf der Basis der Abstände der Projektionspunkte Bi' und B2' von den zugehörigen Bildpunkten Bi und B2 ermittelt werden.

[0011] Nach der beschriebenen Kalibrierung kann anhand der Abbildungskoordinaten eines durch die Bilderfassungseinrichtung abgebildeten Geländepunktes diesem in der Projektionsebene 1 ein Projektionspunkt und diesem Projektionspunkt ein Modellpunkt auf der Modellfläche 2 eindeutig zugeordnet werden. Da die Modellfläche 2 ein mathematisches Abbild der Geländefläche anhand von Weltkoordinaten darstellt und der Modellfläche 2 ein dreidimensionales Lagekoordinatensystem x, y und z räumlich fest zugeordnet ist, können anhand der Lagekoordinaten x, y und z eines Punktes auf der Modellfläche 2 diesem Punkt die abgespeicherten Weltkoordinaten zugeordnet werden.

[0012] Um ein Objekt auf einer Geländefläche mit Hilfe einer digitalen Bilderfassungseinrichtung erfassen und hinsichtlich seiner Lage bestimmen zu können, wird in herkömmlicher weise zunächst die Abbildung des Hintergrunds des zu erfassenden Objekts bearbeitet, um das Objekt besser gegenüber dem Hintergrund abgrenzen und eindeutig erfassen zu können. Das vom Hintergrund abgehobene Objekt, das sich in einer Bildpunktwolke abbildet, wird anhand des gewichteten Mittelpunkts der Bildpunktwolke erfasst, dessen Abbildungskoordinaten als Projektionsdaten eingesetzt werden, um einen entsprechenden Lagepunkt auf der Modellfläche 2 zu erhalten. Anhand der Lagekoordinaten x, y, z dieses Modellpunkts können dann die zugehörigen Weltkoordinaten abgefragt und der Ort des Objekts auf der Geländefläche durch Weltkoordinaten bestimmt werden. Aufgrund einer zeitlichen Abfolge wiederholter Ortsbestimmungen kann somit der Weg des Objekts auf der Geländefläche erfasst und aus den zeitbezogenen Wegkoordinaten Objektgeschwindigkeiten und -beschleunigungen ermittelt werden. Da beim Aufsetzen des Objekts nach einem Flug die Objektbahn eine Unstetigkeitsstelle bildet, kann mit Hilfe dieser Unstetigkeitsstelle auch der Aufsetzpunkt des Objekts auf der Geländefläche errechnet werden. Die Flugbahn selbst kann nicht erfasst werden, weil ja während des Flugs das Objekt von der Geländefläche abhebt. Im Allgemeinen ist aber die Abflugstelle aufgrund der geometrischen Form der Geländefläche bekannt.

[0013] Das beschriebene Verfahren zur Lagebestimmung eines Objekts auf einer Geländefläche kann beispielsweise bei Skirennen vorteilhaft eingesetzt werden. Das Profil einer Abfahrtsstrecke liegt meistens vor, sodass aus diesen Profildaten und geodätischen Höhendaten eine Modellfläche der Abfahrtsstrecke erstellt werden kann. Für die Kalibrierung des Systems kann ein Vorläufer mit einer Einrichtung zur Erfassung der Weltkoordinaten, zum Beispiel mit einem Satellitennavigationssystem, versehen werden, sodass bei einer zeitlichen Synchronisation den einzelnen durch die Bilderfassungseinrichtung aufgenommenen Positionen des Vorläufers entsprechende Weltkoordinaten zugeordnet werden können. Anhand der somit erfassten räumlichen Spur des Vorläufers kann die Modellfläche der Abfahrtsstrecke gegenüber einer der Abbildungsebene entsprechenden Projektionsebene so ausgerichtet werden, dass die zentrale Projektion der Modellfläche der Abbildung der Abfahrtsstrecke entspricht, wie dies anhand der Zeichnung beschrieben wurde.

[0014] Die Rennläufer selbst werden wie der Vorläufer von der Bilderfassungseinrichtung aufgenommen, wobei anhand der Abbildung des Rennläufers dessen Position auf der Rennstrecke ermittelt werden kann. Die zeitbezogenen Weltkoordinaten der einzelnen durch die Bilderfassungseinrichtung erfassten Positionen des Rennläufers auf der Rennstrecke können zur Weg-, Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsberechnung herangezogen werden. Diese Daten 3/5

Claims (3)

1. österreichisches Patentamt AT508 442B1 2011-03-15 können aber auch grafisch aufbereitet und nicht nur zu Analysezwecken, sondern auch zur Erfassung besonderer Umstände, beispielsweise von Stürzen, verwendet werden. Da alle Berechnungen so durchgeführt werden können, dass die Bildverarbeitung innerhalb der Periodendauer eines TV-Bildes abgeschlossen ist, können die errechneten Ergebnisse gleichsam in Echtzeit auch für TV-Grafiken zur Verfügung gestellt werden. [0015] Es braucht wohl nicht besonders hervorgehoben zu werden, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch auf ebene Geländeflächen angewandt werden kann, wie sie beispielsweise durch ein Fußballfeld dargestellt sind. In diesem Fall vereinfacht sich das Verfahren, weil die ebene Geländefläche durch drei Geländepunkte eindeutig festgelegt werden kann. Patentansprüche 1. Verfahren zur Lagebestimmung eines Objekts auf einer Geländefläche mit Hilfe einer digitalen Bilderfassungseinrichtung, wobei ein mathematisches Modell der Geländefläche erstellt und die erstellte Modellfläche der Geländeabbildung durch die Bilderfassungseinrichtung zur Bestimmung der Lagekoordinaten des Objekts auf der Modellfläche der Objektabbildung zugeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ausgewählten Geländepunkten entsprechende Punkte (P^ P2, P3) auf der Modellfläche (2) in einer zentralen Projektion durch ein Drehen und Verschieben der Modellfläche (2) in eine den Abbildungskoordinaten (xb, yb) dieser durch die Bilderfassungseinrichtung abgebildeten Geländepunkte entsprechende Lage überführt werden und dass dann aus den als Projektionskoordinaten dienenden Abbildungskoordinaten (xb, yb) des Objekts die Lagekoordinaten (x, y, z) des Objekts auf der Modellfläche (2) ermittelt werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass entlang eines bevorzugten Spurbereichs auf der Geländefläche ein Objekt mit einer Einrichtung zur Erfassung der Weltkoordinaten bewegt und mittels der Bilderfassungseinrichtung aufgezeichnet wird und dass den Abbildungskoordinaten des Objekts die zeitsynchron erfassten Weltkoordinaten zur Ausrichtung der Modellfläche (2) gegenüber einer der Abbildungsebene entsprechenden Projektionsebene (1) zugeordnet werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus den, den Lagekoordinaten (x, y, z) des Objekts auf der Modellfläche (2) entsprechenden Weltkoordinaten vom Weg des Objekts abhängige Parameter, insbesondere Weglängen, Geschwindigkeiten und Aufsetzpunkte des Objekts auf der Geländefläche nach Flugphasen, ermittelt werden. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 4/5