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Die
Erfindung betrifft eine Auswertevorrichtung und ein Auswerteverfahren
zur Erfassung und Auswertung von Bildsequenzen von bewegten Messobjekten
in einem Crashversuch.
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Hochgeschwindigkeitsversuche,
insbesondere Crashversuche, werden in der Automobilindustrie durchgeführt, um
Erkenntnisse über
Bewegungsabläufe
von Kraftfahrzeugen und Dummies bei simulierten Verkehrsunfällen zu
erhalten und insbesondere vorhandene sowie neue Sicherheitseinrichtungen
für Kraftfahrzeuge
zu testen.
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Während der
Hochgeschwindigkeitsversuche werden die schnell ablaufenden, dynamischen Vorgänge meist
mittels geeigneter Sensorsysteme aufgezeichnet und anschließend entweder
qualitativ bewertet oder rechnergestützt ausgewertet.
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Die
Druckschrift
DE 196
23 026 A1 offenbart eine Hochgeschwindigkeitsfilmkamera,
die in Hochgeschwindigkeitsversuchen als einzelne, sogenannte "Crashkamera" eingesetzt werden
kann. Diese Kamera ermöglicht
beispielsweise die Aufnahme und spätere Bewertung der Kopfbahnkurve
eines Dummies während
eines simulierten Unfalls. Eine rechnergestützte Auswertung der aufgenommenen Bildsequenzen
zur Bestimmung von Bewegungsdaten ist in dieser Druckschrift nicht
offenbart.
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Die
Druckschrift
US
2003/0083844 A1 beschreibt ein Verfahren und ein Messsystem
zur Positionsbestimmung von einer Vielzahl von Strahlungsquellen,
die als Markierungen auf bewegten Objekten (z.B. dem Dummy) bei
einem Crash-Versuch angebracht sind. Das Messsystem umfasst mindestens drei
lineare optische Sensoren, deren Messdaten zur Positionsbestimmung
der Strahlungsquellen herangezogen werden.
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Die
Druckschrift
DE 43
08 776 C2 offenbart eine Einrichtung zum Überwachen
des Außenraums eines
Fahrzeugs. Bei der beschriebenen Einrichtung ist vorgesehen, über mehrere
in einem Fahrzeug angeordnete Kameras die Umgebung des Fahrzeugs, insbesondere
hinsichtlich des Straßenverlaufs,
Hindernisse und anderer Verkehrsteilnehmer zu überwachen.
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Die
Druckschrift
US 6,651,482
B1 , die wohl den nächstkommenden
Stand der Technik bildet, offenbart einen Versuchsaufbau für einen
Crashversuch, wobei mehrere Hochgeschwindigkeitskameras aus unterschiedlichen
Beobachtungsrichtungen und mit unterschiedlichen Beobachtungsabständen die Bewegungsabläufe eines
Kraftfahrzeugs während
eines Crashversuchs für
eine spätere
Bewertung aufnehmen. Eine rechnergestützte Auswertung der aufgenommenen
Bildsequenzen zur Bestimmung von Bewegungsdaten ist in dieser Druckschrift
nicht offenbart.
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Die
bekannten optischen Messverfahren erlauben somit entweder nur eine
qualitative Auswertung und keine genaue Positionsbestimmung der
bewegten Objekte bzw. messsystembedingt nur eine genaue Positionsbestimmung
von wenigen bereits vor dem Crash-Versuch auf den bewegten Objekten aufgebrachten
Positionsmarken.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung eine alternative Auswertevorrichtung und
ein alternatives Auswerteverfahren zur Aufnahme und Auswertung von
Bewegungsabläufen
von bewegten Messobjekten in einem Crashversuch vorzuschlagen.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch eine Auswertevorrichtung nach Anspruch 1.
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Die
Auswertevorrichtung nach Anspruch 1 umfasst ein Kamerasystem und
ein Auswertesystem, das mit dem Kamerasystem vorzugsweise trennbar, z.B. über ein
Datenübertragungskabel,
verbunden ist.
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Das
Kamerasystem weist mindestens zwei Hochgeschwindigkeitskameras auf,
wobei in bevorzugten Ausführungsformen
mindestens eine dritte Kamera vorgesehen sein kann, die insbesondere
der Erhöhung
der Messgenauigkeit und der Identifikationssicherheit von Messbereichen
dient.
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Die
Hochgeschwindigkeitskameras sind jeweils mit mindestens einem zweidimensionalen
Detektorelement ausgestattet, so dass zweidimensionale Bilder erfasst
werden können.
Die Hochgeschwindigkeitskameras sind derart ausgebildet, dass mit diesen
Bildsequenzen, also eine Serie von aufeinanderfolgenden Bildern
mit vorzugsweise gleichem Zeitabstand, erfasst werden können.
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Die
Hochgeschwindigkeitskameras ermöglichen
vorzugsweise Aufnahmeraten von mehr als 130 Bildern pro Sekunde,
insbesondere mehr als 500 Bildern pro Sekunde und speziell mehr
als 1500 Bildern pro Sekunde. Durch diese hohen Aufnahmeraten ist es
möglich,
die schnell ablaufenden Bewegungsabläufe bei den Hochgeschwindigkeitsversuchen
in guter zeitlicher Auflösung
zu erfassen. Insbesondere weisen die Hochgeschwindigkeitskameras
Mittel zur Bereitstellung eines digitalen Bildsignals auf.
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Das
Auswertesystem ist vorzugsweise als Computer, Mikrocontrollersystem
oder DSP-System mit Ein- und Ausgabegeräte ausgebildet. Vorzugsweise
ist ein Framegrabber zur Digitalisierung der erfassten Bildsequenzen
vorgesehen, der insbesondere in den Kameras oder in dem Auswertesystem
oder separat angeordnet ist.
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Das
Auswertesystem weist Mittel auf, die programmtechnisch zur Bestimmung
von 3D-Bewegungsdaten der Messbereiche aus den erfassten Bildsequenzen
unter Verwendung der Stereo-Bildverarbeitung
eingerichtet sind. Bei den Messbereichen kann es sich um markierte
und/oder unmarkierte Messbereiche handeln. Vorzugsweise sind Mittel zur
Bewegungsanalyse, insbesondere Mittel zur Bestimmung des optischen
Flusses, vorgeshehen.
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Ein
Messbereich gilt als markiert, wenn vor einem Hochgeschwindigkeitsversuch
Vorkehrungen getroffen wurden, um einen bestimmten Bereich auf den
bewegten Objekten zum Zweck der späteren Auswertung besonders
zu kennzeichnen, z.B. durch Aufbringen einer Positionsmarke oder
einer Strahlungsquelle.
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Unmarkierte
Messbereiche sind beliebige Bereiche der bewegten Objekte, die vor
einem Hochgeschwindigkeitsversuch nicht besonders gekennzeichnet
wurden.
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Die
Auswertung von unmarkierten Messbereichen bietet die Vorteile, dass
eine sehr hohe Dichte an Messpunkten erzielt werden kann. Ferner
können
auch nach dem Hochgeschwindigkeitsversuch interessierende Bereiche
nachträglich
ausgewertet werden. Diese Vorteile konnten durch die früheren Systeme
nicht erzielt werden, da die Messpunktdichte und die Messpunktauswahl
durch das Anbringen von Markierungen vor dem Hochgeschwindigkeitsversuch
festgelegt wurden und nachträglich,
d.h. nach dem Hochgeschwindigkeitsversuch, nicht mehr geändert werden
konnten.
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Die
3D-Bewegungsdaten können
Informationen über
die Position, die Geschwindigkeit, die Beschleunigung, die Orientierung,
die Verformung und/oder die Verwindung der Messbereiche umfassen.
Als Messbereiche sind sowohl einzelne Messbereiche als auch aus
einzelnen Messbereichen zusammengesetzte komplexe Messbereiche zu
verstehen.
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Bei
der aus anderen Anwendungsbereichen bekannten Stereo-Bildverarbeitung
werden 3D-Positionsdaten von Objekten unter Verwendung von mindestens
zwei Bildern, die von mindestens zwei voneinander beabstandeten
Kameras aufgenommen sind, vorzugsweise auf Basis von Triangulation,
ermittelt.
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Bei
bevorzugten Ausführungsformen
sind die Kameras als Farb- oder
Schwarzweißkameras ausgebildet
und weisen insbesondere einen CCD-Chip oder einen CMOS-Chip als
Detektorelement auf. Der CMOS-Chip kann aufgrund seiner logarithmischen
Empfindlichkeit vorteilhaft in Verbindung mit der rechnergestützten Bildverarbeitung
eingesetzt werden. Für
besondere Anwendungen können
auch Infrarot-Kameras, vorzugsweise für Aufnahmen in einem Wellenlängenbereich über 900
nm, insbesondere über
1300 nm, oder UV-Kameras, vorzugsweise für Aufnahmen in einem Wellenlängenbereich
unter 400 nm, insbesondere unter 300 nm, vorgesehen sein.
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Die
Auswertevorrichtung ist vorteilhaft weitergebildet, wenn die mindestens
zwei Kameras zeitlich zueinander synchronisiert sind, so dass vorzugsweise
die mindestens zwei Kameras die Bilder der Bildsequenzen gleichzeitig
erfassen. Die zeitliche Synchronisation vereinfacht bei der Stereo-Bildverarbeitung
die Auswertung erheblich, da nicht nachträglich die Bilder der Bildersequenz
einer ersten Kamera den Bildern der Bildersequenz einer zweiten
Kamera zeitlich zugeordnet werden müssen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die mindestens zwei Kameras des Kamerasystems örtlich zueinander
fixiert, insbesondere unlösbar
zueinander fixiert. Eine derartige unlösbare Fixierung kann beispielsweise
durch Vergießen
der mindestens zwei Kameras mit einer aushärtbaren Masse erfolgen. Die
unlösbare
Fixierung verhindert selbst bei großen plötzlichen Belastungen, wie sie
z.B. bei einem simulierten Unfall in einem Crashversuch auftreten,
dass sich die Lage der mindestens zwei Kameras zueinander ändert.
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Die örtliche
Fixierung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass die mindestens
zwei Kameras durch einen Basisabstand voneinander beabstandet sind
und/oder die Kameras die bewegten Messobjekte aus verschiedenen
Beobachtungswinkeln erfassen. Der Basisabstand ist der Abstand zwischen
den Mittelpunkten der zweidimensionalen Detektorelemente und beträgt vorzugsweise
bis zu 120 mm, insbesondere bis zu 300 mm und bei besonderen Ausführungsformen
bis zu 1000 mm. Gerade bei kleinen Basisabständen, das heißt bei Basisabständen von bis
zu 300 mm kann sich aufgrund der nahezu identischen Beobachtungsrichtungen
der Kameras der Vorteil ergeben, dass, z.B. bei Erfassung von Messbereichen
innerhalb der Fahrgastkabine eines Kraftfahrzeuges, die Abschattung
durch Störkonturen,
wie die A-/B- oder C-Säule
des Kraftfahrzeuges, minimiert oder gänzlich ausgeschlossen wird.
Vorzugsweise bildet das Kamerasystem eine tragbare Einheit.
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Insbesondere
weisen die mindestens zwei Kameras das gleiche optische Abbildungsverhältnis auf
und/oder erfassen die gleichen Messbereiche. Diese bevorzugte Ausführungsform
erleichtert die Auswertung durch die Stereo-Bildverarbeitung, da die
Bilder der mindestens zwei Kameras nicht nachträglich aufwendig hinsichtlich
der Vergrößerung oder
der Auswahl des Bildausschnittes zueinander angepasst werden müssen.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass die mindestens
zwei Kameras derart zueinander fixiert sind, dass eine gemeinsame epipolare
Ebene gebildet wird und/oder, dass bei den Bildern der mindestens
zwei Kameras jeweils gleiche Messbereiche auf einer gleichen horizontalen
oder vertikalen Linie liegen.
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Die
gemeinsame epipolare Ebene wird gebildet durch den Messbereich (oder
Messpunkt) in den Bildebenen und den optischen Zentren von mindestens
zwei Kameras.
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Die
Vorrichtung ist vorteilhaft ausgebildet, wenn Mittel zur Kalibrierung
und/oder Mittel zur Speicherung von Kalibrierungsinformationen und/oder Mittel
zur Auswertung von Kalibrierungsinformationen vorgesehen sind. Vorzugsweise
umfassen die Kalibrierungsinformationen innere Kameraparameter wie
z.B. Größe und Auflösung der
Detektorelemente, Parameter der verwendeten Optiken und des optischen
Aufbaus, wie z.B. Brennweite, Bildweite, und insbesondere Informationen über die
Verzeichnung der Optiken. Ferner können die Kalibrierungsinformationen äußere Kameraparameter
umfassen, wie z.B. den Abstand der Kameras zueinander und/oder den
Objektabstand. Die gespeicherten Kalibrierungsinformationen können durch
die Mittel zur Auswertung der Kalibrierungsinformationen bei der
Bestimmmung der 3D-Bewegungsdaten verrechnet werden, so dass eine
verbesserte Genauigkeit der Vorrichtung erzielt wird.
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Bei
einer vorteilhaften Ausbildung der Auswertevorrichtung sind Mittel
zur Identifikation der Messbereiche, also der markierten und/oder
der unmarkierten Messbereiche, vorgesehen.
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Vorzugsweise
sind bei den Mitteln zur Identifikation digitale Auswertungsalgorithmen
der Bildverarbeitung implementiert, insbesondere Auswertungsalgorithmen,
wie Blockvergleich oder Merkmalsvergleich, also z.B. Farbdetektion,
Kantendetektion, Eckendetektion, oder Mustererkennung etc.. Diese Auswertungsalgorithmen
ermöglichen
vorzugsweise auf Basis von strukturierten Geometriemerkmalen, wie
z.B. Länge,
Breite, Durchmesser oder Fläche, und/oder
Strahlungsmerkmalen, wie z.B. Intensität oder Farbe, eine Identifikation
der unmarkierten Messbereiche.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Messvorrichtung sind Mittel zur Erzeugung von bildbasierten
3D-Modellen aus den Messbereichen vorgesehen. Diese Mittel sind
programmtechnisch derart ausgestaltet, dass mehrere einzelne Messbereiche
eines bewegten Objektes und/oder eines Teils eines bewegten Objektes
zu einem komplexen Messbereiche zusammengefasst werden und, dass
ein 3D-Modell des bewegten Objekts und/oder eines Teils davon auf
Basis des komplexen Messbereichs erzeugt wird. Das 3D-Modell wird
vorzugsweise entweder ausschließlich
auf Basis des komplexen Messbereichs erzeugt oder es werden zusätzliche
Informationen verwendet. Insbesondere bei dieser Ausführungsform
ist es möglich,
auch teilweise verdeckte Objekte zu vermessen.
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Bei
bevorzugten Weiterbildungen ist vorgesehen, dass diese zusätzlichen
Informationen durch einen Import von 3D-Konstruktionsmodellen, d. h. z.B. 3D-CAD-Daten,
bereitgestellt sind. In diesem Fall können die einzelnen Messbereiche
des komplexen Messbereichs als Stützstellen für die 3D-Konstruktionsmodelle
verwendet werden.
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Vorteilhafterweise
weisen die Mittel zur Bestimmung der 3D-Bewegungsdaten Mittel zur Bestimmung
von 3D-Positionsdaten auf. Letztgenannte Mittel umfassen Auswertealgorithmen,
die unter Verwendung der Stereo-Bildverarbeitung die 3D-Positionsdaten der
Messbereiche bestimmen. Die 3D-Positionsdaten
umfassen dabei für
jeden Messbereich eine vorzugsweise zeitabhängige x-, y- und z-Ortskomponente
und/oder den Betrag des Abstands zwischen Kamerasystem und Messbereich.
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Ferner
können
zusätzliche
Mittel zur Bestimmung von 3D-Geschwindigkeitsdaten
und/oder 3D-Beschleunigungsdaten vorgesehen sein. Die 3D-Geschwindigkeitsdaten
und/oder 3D-Beschleunigungsdaten
umfassen für
jeden beliebigen identifizierten Messbereich an jeder beliebigen
Position und zu jeder beliebigen Zeit, also Orts- und/oder zeitabhängig, eine
x-, y- und z-Komponente und/oder Betrag und Richtung der Geschwindigkeit
und/oder der Beschleunigung.
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Aus
den derart bestimmten 3D-Geschwindigkeitsdaten und/oder 3D-Beschleunigungsdaten können z.B.
Erkenntnisse über
Kollisionsgeschwindigkeiten oder über die Schwere von Verletzungen gewonnen
werden.
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Weiterhin
können
Mittel vorgesehen sein, die programmtechnisch auch 3D-Orientierungsdaten und/oder
Verformungen und/oder Verwindungen der Messbereiche, insbesondere
der komplexen Messbereiche und/oder der 3D-Modelle und somit auch der bewegten
Messobjekte und/oder Teilen davon bestimmen.
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Durch
Bestimmung der Verformung und/oder der Verwindung der bewegten Objekte
und/oder Teilen davon ist es möglich,
sehr genaue Aussagen über deren
Verhalten bei einem Unfall zu treffen. Derartige Aussagen waren
mit den bekannten Messsystemen bislang nicht möglich. Die 3D-Orientierungsdaten
geben Auskunft über
auftretende Rotationen, Drehungen oder Verkippungen der Messobjekte
und/oder Teilen oder Abschnitte der Messobjekte.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
sind Mittel vorgesehen, um die 3D-Bewegungsdaten in beliebige Koordinatensysteme
zu transferieren. Diese Mittel erlauben es z.B., die 3D-Bewegungsdaten neben der
Darstellung in "Laborkoordinaten" auch in Relativkoordinaten
darzustellen. Somit kann beispielsweise die Relativgeschwindigkeit
zwischen zwei bewegten Messobjekten und somit die Kollisionsgeschwindigkeit
zwischen zwei bewegten Messobjekten berechnet werden.
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Für eine spätere Auswertung
können
Speichermedien vorgesehen sein, um die erfassten Bildsequenzen und/oder
die ermittelten 3D-Bewegungsdaten und/oder die Messbereiche und/oder
die 3D-Modelle zu
speichern.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Mittel zur
Visualisierung oder Animation der 3D-Bewegungsdaten und/oder der 3D-Modelle vorgesehen,
so dass zur qualitativen Auswertung der simulierte Unfall in Form
von virtual reality dargestellt werden kann.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch das Auswerteverfahren
nach Anspruch 18 gelöst.
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Mit
diesem Auswerteverfahren werden Bewegungsdaten von bewegten Messobjekten
mit markierten und/oder unmarkierten Messbereichen ermittelt. Vorzugsweise
wird das Auswerteverfahren in Zusammenhang mit Crashversuchen eingesetzt.
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Bei
dem Auswerteverfahren werden durch ein Kamerasystem, welches mindestens
zwei Kameras mit jeweils einem zweidimensionalen Detektorelement
aufweist, Bildsequenzen von den bewegten Messobjekten während des
Hochgeschwindigkeitsversuchs aufgenommen.
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Aus
diesen aufgenommenen Bildsequenzen werden 3D-Bewegungsdaten der Messbereiche durch
Auswertung unter Verwendung der Stereo-Bildverarbeitung bestimmt.
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Vorzugsweise
wird bei dem Auswerteverfahren ein Kamerasystem mit einem oder mehreren
der Merkmale der Ansprüche
1 bis 17 eingesetzt. Vorteilhafterweise werden Hochgeschwindigkeitskameras verwendet,
es können
jedoch stattdessen auch Kameras mit Aufnahmeraten von bis zu 30
oder 60 Bildern pro Sekunde oder Spezialkameras wie UV-Kameras und/oder
IR-Kameras eingesetzt werden.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird eine Auswertevorrichtung
nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17 eingesetzt.
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Bei
einer bevorzugten Ausbildung des Verfahrens werden, vorzugsweise
nach Auswahl von interessierenden Messbereichen, diese Messbereiche mittels
digitaler Bildverarbeitung identifiziert. Vorzugsweise werden unmarkierte
Messbereiche identifiziert, wie sie in Anspruch 8 oder weiter oben
beschriebenen sind.
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Die
identifizierten Messbereiche können
zu einem komplexen Messbereich zusammengefasst werden. Weiterhin
kann aus einer Vielzahl von Messbereichen oder einem komplexen Messbereiche
ein 3D-Modell des Messobjekts und/oder Teile bzw. Abschnitte des
Messobjekts erzeugt werden.
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In
einem weiteren Schritt des Auswerteverfahren werden 3D-Positionsdaten der
Messbereiche und/oder der 3D-Modelle mittels Stereo-Bildverarbeitung
bestimmt. Optional oder alternativ können weitere 3D-Bewegungsdaten
wie Geschwindigkeit, Beschleunigung, Orientierung, Verformungen,
Verwindungen und/oder Deformationen der Messbereiche und/oder der
3D-Modelle berechnet werden.
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Das
Auswerteverfahren ist vorteilhaft weitergebildet, wenn die 3D-Bewegungsdaten
unter Einsatz der Methoden des Objekt-Trackings und/oder der Punktverfolgung
und/oder dem Verfahren der Bewegungsanalyse, insbesondere mittels
optischen Fluss, berechnet werden. Bei der Punktverfolgung werden
Messbereiche programmtechnisch als Punkte interpretiert und deren
Bewegungsdaten berechnet. Das Objekt-Tracking ermöglicht die
Verfolgung von komplexen Messbereichen und/oder 3D-Modellen innerhalb
der aufgezeichneten Bildsequenzen und berechnet die Bewegungsdaten
dieser Objekte.
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Bei
einer bevorzugten Weiterbildungen des Auswerteverfahren werden die
absoluten Bewegungsdaten, das heißt die Bewegungsdaten in Labor-
oder Weltkoordinaten, in relative Bewegungsdaten, d.h. in Koordinaten
deren Koordinatensystem mit den Messobjekten mitbewegt werden, umgerechnet.
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Beispielsweise
kann ein Koordinatensystem programmtechnisch an die Position des
Dummykopfes gelegt werden und mit diesem mitbewegt werden und somit
die absolute Kollisionsgeschwindigkeit zwischen Dummykopf und Kraftfahrzeug
berechnet werden.
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Zusätzlich kann
auch vorgesehen sein, dass Bewegungsdaten, die auf Basis der Bildersequenzen eines
mit dem bewegten Messobjekt mitbewegten Kamerasystem ermittelt wurden,
in Labor- oder Weltkoordinaten umgerechnet werden, also relative
Bewegungsdaten in absolute Bewegungsdaten umgerechnet werden.
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Bei
einer bevorzugten Weiterbildunq des Auswerteverfahren ist vorgesehen,
dass das Kamerasystems außerhalb
des bewegten Messobjekts, vorzugsweise ortsfest, oder innerhalb
des bewegten Messobjekts angeordnet wird.
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Die
Ausgabe der Informationen über
die Messbereiche, der Bildsequenzen und der Bewegungsdaten kann über eine
geeignete Schnittstelle zu weiteren Programmen erfolgen und/oder
durch grafische Darstellung und/oder 3D-Animation visualisiert werden.
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Bei
dem Auswerteverfahren können
ein oder mehrere Kamerasysteme und/oder weitere Sensorsysteme zum
Einsatz kommen, wobei bei der Berechnung der Bewegungsdaten die
Messergebnisse aller eingesetzten Meßsysteme verwendet werden. Insbesondere
bei Verwendung von mehreren Kamerasystemen, die die bewegten Messobjekte
aus verschiedenen Perspektiven während
des Hochgeschwindigkeitsversuches erfassen, ist es dann möglich, eine
vollständige
3D-Animation der Bewegungsdaten zu erstellen.
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Die
Messobjekte weisen markierte und/oder unmarkierte Messbereiche auf.
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Somit
ist auch eine Versuchsanordnung für einen Hochgeschwindigkeitsversuch,
insbesondere einen Crash- Versuch,
mit bewegten und/oder bewegbaren Messobjekten, insbesondere Kraftfahrzeuge
und/oder Dummies, mit markierten und/oder unmarkierten Messbereichen
und mit einer Auswertevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
17 offenbart.
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Im
Nachfolgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Figuren näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines ersten Kamerasystems in Draufsicht,
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2 eine
schematische Darstellung eines zweiten Kamerasystems in Draufsicht,
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3 eine
schematische Darstellung des ersten Kamerasystems in Frontansicht,
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4 eine
schematische Darstellung eines dritten Kamerasystems in Frontansicht,
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5 eine
schematische Darstellung in Draufsicht eines ersten Versuchsaufbaus
eines Crashversuchs mit drei Kamerasystemen,
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6 eine
schematische Darstellung eines zweiten Versuchsaufbaus eines Crashversuchs
mit Messobjekten, die markierte und unmarkierte Messbereiche aufweisen,
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7 eine
graphische Darstellung von Versuchsergebnissen des zweiten Versuchsaufbaus,
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8 ein
Ablaufdiagramm für
ein Verfahren zur Ermittlung und Auswertung von Bewegungsdaten aus
einem Crashversuch,
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9 eine
Toolbox für
eine Messvorrichtung zur Erfassung und Auswertung von Bildsequenzen von
bewegten Objekten in einem Crashversuch,
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10 eine
schematische Darstellung in Draufsicht eines dritten Versuchsaufbaus
eines Crashversuchs mit drei Kamerasystemen.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel eines
Kamerasystems 1. Das Kamerasystem 1 umfasst zwei
Hochgeschwindigkeitskameras 2 und 3, die auf einer
gemeinsamen Halterung 13 parallel zueinander, d.h. mit
paralleler Sichtrichtung, mit einem Basisabstand 8 angeordnet
sind. Der Basisabstand 8 ist der Abstand zwischen den Zentren
der beiden Detektorelemente 6 und 7.
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Die
Kameras 2 und 3 weisen jeweils an der Frontseite
ein Objektiv 4 bzw. 5 sowie jeweils ein zweidimensionales
Detektorelement 6 bzw. 7 auf, die jeweils innerhalb
der Kameras 2 und 3 angeordnet sind. Durch die
Anordnung von Objektiv 4 oder 5 und dem Detektorelement 6 bzw. 7 ergibt
sich für
jede Kamera 2 und 3 ein eigenes Sichtfeld 11 bzw. 12,
die sich ausgehend von den Kameras 2 bzw. 3 bis
zu einer Messebene 9 erstrecken. Die Sichtfelder 11 und 12 überlappen
in der Messebene 9 flächig
in einem Objektbereich 10, in dem bei einer späteren Messung die
Messobjekte angeordnet sind.
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Das
Kamerasystem 1 weist z.B. einen Basisabstand von 200 mm
und Objektive mit einer Brennweite von 100 mm auf, wobei Objekte
in ca. 10 m erfasst werden können.
Als Detektorelemente 6 und 7 werden zweidimensionale
Farb-CCD-Chips eingesetzt.
Die Hochgeschwindigkeitskameras 2 und 3 erlauben
Aufnahmeraten von bis zu 2000 Bildern pro Sekunde.
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Die 2 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines Kamerasystems 1, das sich vom ersten Ausführungsbeispiel
dadurch unterscheidet, dass die Kameras 2 und 3 nicht
parallel zueinander angeordnet sind, sondern in horizontaler Ebene
leicht verdreht zueinander angeordnet sind. Die Verdrehung führt dazu,
dass die von den Kameras 2 und 3 ausgehenden Sichtfelder 11 und 12 sich
in der Messebene 9 stärker
als im ersten Ausführungsbeispiel
oder sogar vollflächig überlappen,
sodass ein größerer Objektbereich 10 als
im ersten Ausführungsbeispiel
gebildet wird.
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3 zeigt
das erste Ausführungsbeispiel des
Kamerasystems 1 in Frontansicht. Die beiden Kameras 2 und 3 sind
durch Befestigungsschrauben 14a mit der Halterung 13 fest
jedoch lösbar
verbunden. Das Kamerasystem 1 ist somit ein tragbares System,
das bereits justiert und kalibriert als Einheit in einem Hochgeschwindigkeitsversuch
an beliebiger Stelle positioniert werden kann.
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4 zeigt
ein alternatives Ausführungsbeispiel
eines Kamerasystems 1, das sich von dem Ausführungsbeispiel
in 3 dadurch unterscheidet, dass die Fixierung der
beiden Kameras 2 und 3 zueinander durch Vergießen mittels
Vergussmasse 14b erfolgt. Die beiden Kameras 2 und 3 sind
unlösbar miteinander
verbunden. Diese Ausführungsform
eines Kamerasystems 1 wird bei Crashversuchen beispielsweise
innerhalb der Fahrgastkabine angeordnet, wobei sichergestellt ist,
dass die relative Position der Kameras 2 und 3 zueinander
auch bei einem simulierten Unfall nicht verändert wird.
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5 zeigt
eine schematische Darstellung in Draufsicht eines ersten Versuchsaufbaus
eines Crashversuchs. Bei diesem Crashversuch wird ein Kraftfahrzeug 15 gegen
ein stehendes Hindernis 16 gefahren. Das Kraftfahrzeug 15 weist
eine Fahrgastkabine 18 auf, in der sich auf dem Fahrersitz
ein Dummy 19 befindet. Das Kraftfahrzeug 15 und
der Dummy 19 sind in diesem Versuch bewegte Messobjekte. Zur
Aufnahme der dynamischen Vorgänge
während des
simulierten Unfalls sind drei Stereo-Kamerasysteme 1a, 1b und 1c vorgesehen.
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Das
erste Kamerasystem 1a ist ortsfest in Draufsicht seitlich
links neben dem Kraftfahrzeug 15 angeordnet und beobachtet
dieses während
des simulierten Unfalls in Seitenansicht. Das Kamerasystem 1a ist über ein
Datenübertragungskabel 17a mit einem
Auswertesystem 17 verbunden. Das Auswertesystem 17 umfasst
eine Eingabeeinheit zur manuellen Eingabe von Aufnahme- und Auswertungsparametern
sowie einen Bildschirm zur Ausgabe einer grafischen Darstellung
der Versuchsergebnisse wie sie beispielsweise in 7 dargestellt
ist.
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Das
Kamerasystem 1b ist innerhalb der Fahrgastkabine 18 angeordnet
und beobachtet während
des simulierten Unfalls den Dummy 19. Die während des
simulierten Unfalls aufgezeichneten Bildsequenzen werden im Kamerasystem 1b zwischengespeichert
und erst nach dem Unfall für
die Auswertung ausgelesen. Innerhalb der Fahrgastkabine 18 kann
auch ein Kamerasystem, wie es in 4 dargestellt
ist, eingesetzt werden.
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Das
Kamerasystem 1c ist in Draufsicht seitlich rechts neben
dem Kraftfahrzeug 15 angeordnet und mit diesem über eine
mitbewegte Kamerahalterhalterung 20 starr verbunden, so
dass auch das Kamerasystem 1c mit dem Kraftfahrzeug 15 mitbewegt wird.
Das Kamerasystem 1c beobachtet den Dummy 19 in
Seitenansicht. Aufgrund des geringen Basisabstands der Kameras des
Kamerasystems 1c unter 200 mm kann durch geschickte Positionierung
des Kamerasystems 1c eine Abschattung der Sichtfelder der
Kameras durch Seitenholme des Kraftfahrzeugs 15 vermieden
werden.
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6 zeigt
eine schematische Darstellung eines zweiten Versuchsaufbaus eines
Crashversuchs, bei dem das Auffahren eines Kraftfahrzeugs 15 auf
einen Dummy 19 untersucht wird. Gezeigt sind allerdings
nur die bewegten Messobjekte mit markierten und unmarkierten Messbereichen,
nicht aber die Auswertevorrichtung.
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Das
Kraftfahrzeug 15 weist vier Positionsmarken 21a,
b, c, d auf, wie sie herkömmlich
zur Markierung von Messbereichen vor dem Crash-Versuch auf Messobjekte
aufgebracht werden. Mit den herkömmlichen
Auswertevorrichtungen und -verfahren wäre es nur möglich, quantitative Auswertungen
bezüglich
dieser vier Messbereiche durchzuführen.
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Das
Kraftfahrzeug 15 und der Dummy 19 weisen ferner
sieben unmarkierte Messbereiche auf, die unter Verwendung von digitaler
Bildverarbeitung ausgewählt
und identifiziert wurden. Die Auswahl und Identifikation der unmarkierten
Messbereiche können
sowohl vor dem Crash-Versuch als auch nach dem Crash-Versuch durchgeführt werden.
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Als
unmarkierte Messbereiche wurden in 7 ein Hinterrad 22,
ein Türschweller 23,
ein Türgriff 24,
eine Türfuge 25,
ein Scheinwerfer 26, der Dummy Kopf 27 und der
Dummyarm 28 ausgewählt und
identifiziert.
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Die
Identifikation eines unmarkierten Messbereichs kann dabei z.B. durch
Merkmalsvergleich des gesamten Messbereichs erfolgen, so dass bei
einer späteren
Auswertung 3D-Bewegungsdaten
hinsichtlich der Position, der Geschwindigkeit, der Beschleunigung
und der Orientierung für
den gesamten Messbereich ermittelt werden können.
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Die
unmarkierten Messbereiche können aber
auch durch eine Vielzahl von kleineren unmarkierten Messbereichen
zusammengesetzt sein und bilden damit komplexe Messbereiche. Diese
Art der Auswahl und Identifikation der unmarkierten Messbereiche
bietet den Vorteil einer höheren
Ortsauflösung der
Auswertung und dass auch Verwindungen und Deformationen der unmarkierten
Messbereiche ausgewertet werden können. Wird beispielsweise der Messbereich
Türschweller 23 durch
eine Vielzahl von unmarkierten Messbereichen zusammengesetzt, so kann
nach dem simulierten Unfall untersucht werden, ob und wie der Türschweller 23 deformiert
wurde.
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Ferner
ist es möglich,
durch Verwendung einer Vielzahl von unmarkierten Messbereichen ein 3D-Modell
von Teilen des Kraftfahrzeugs 15 oder des Dummies 19 zu
erzeugen. Beispielsweise kann aus einer Vielzahl von Messbereichen
ein 3D-Modell der Kraftfahrzeugtür,
der Motorhaube oder des gesamten Frontbereichs des Kraftfahrzeugs 15 oder
des Dummykopfs 27 erzeugt werden. Die Erzeugung der 3D-Modelle
kann auch unter Verwendung von bereits existierenden 3D-CAD-Konstruktionsmodellen
der jeweiligen Teile erfolgen, wobei die unmarkierten Messbereiche
als Stützstellen
in den 3D-CAD-Konstruktionsmodellen
verwendet werden.
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7 zeigt
ein Beispiel für
eine grafische Darstellung 39 von Ergebnissen des Versuchsaufbaus
in 6. Eine derartige grafische Darstellung wird beispielsweise
nach dem simulierten Unfall in dem Auswertesystem 17 in 5 angezeigt.
Die grafische Darstellung 39 zeigt die bewegten Messobjekte
Kraftfahrzeug 15 und Dummy 19 im Moment der Kollision.
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Die
in 6 als ausgewählt
und identifiziert dargestellten unmarkierten Messbereiche sind in
der 7 mit Farbkodierungen 29, 30, 31, 32, 33, 34 und 35 versehen.
Die Farbkodierungen sind in dieser Anmeldung ersatzweise als Kreise,
Dreiecke und Quadrate dargestellt. Tatsächlich werden die Farbkodierungen
durch verschiedene Farben eines Farbverlaufs dargestellt, der beispielsweise
von blau nach rot verläuft.
Durch die am unteren Bildrand der grafischen Darstellungen 39 angeordneten
Legenden 36, 37 und 38 wird eine Zuordnung
der Farbkodierungen zu absoluten Werten hinsichtlich des Abstandes
(Legende 36), der Geschwindigkeit (Legende 37)
und der Beschleunigung (Legende 38) gegeben, die abwechselnd
aktiviert werden können.
Bei den Legenden 36, 37 und 38 zeigt
ein Pfeil an, dass die absoluten Werte der dargestellten Bewegungsdaten
von Kreis über
Dreieck zu Quadrat größer werden.
-
In
der grafischen Darstellung 39 ist die Legende 36 aktiv.
Aus der grafischen Darstellung 39 ist somit der Abstand
zwischen Kamerasystem und den ausgewählten Messbereichen direkt
aus den Farbkodierungen ablesbar. Bei den Messbereichen handelt es
sich um komplexe Messbereiche, die aus einer Vielzahl von kleineren
Messbereichen zusammengesetzt wurden, die quasi eine Messpunktwolke
bilden. Für
jeden der kleineren Messbereiche wird eine eigene Abstandsinformation
durch Farbkodierungen angezeigt, wie aus der Vielzahl der Kreise
z.B. bei der Farbkodierung 30 des Türschwellers zu erkennen ist. Bei
Umschaltung der grafischen Darstellung auf die anderen Legenden 37 oder 38 zur
Anzeige der Geschwindigkeit bzw. der Beschleunigung werden die Farbkodierungen
entsprechend der anzuzeigenden Werte verändert.
-
8 zeigt
ein Ablaufdiagramm für
ein Verfahren zur Ermittlung und Auswertung von Bewegungsdaten aus
einem Crashversuch wie er beispielsweise in den 5 oder 7 gezeigt
ist, der beispielsweise mittels einer Auswertevorrichtung mit Kamerasystem 1a und
Auswertesystem 17 wie in 5 aufgenommen
wird.
-
In
einem ersten Schritt wird die Auswertevorrichtung kalibriert und
die Kalibrierung anschließend verifiziert.
Eine derartige Kalibrierung und Verifizierung kann beispielsweise
durch Aufnahme von Bildern eines Kalibrierobjektes erfolgen, von
dem die Position im Versuchsraum und die Abmessungen bekannt sind.
Dieser erste Schritt muss nicht notwendigerweise vor jedem Messdurchlauf
durchgeführt
werden, insbesondere solange die Kameras zueinander fixiert sind.
-
In
einem nächsten
Schritt werden Bildsequenzen von den bewegten Messobjekten, also
zum Beispiel eines Kraftfahrzeugs und eines Dummies, mittels eines
Stereo-Kamerasystems während
einem simulierten Unfall aufgenommen.
-
Nach
dem Crash-Versuch werden Informationen zur Auswahl der Messbereiche
in das Auswertesystem eingegeben bzw. automatisch ausgewählt. Eine
Zwischenspeicherung der Bildsequenzen bzw. der Auswahlinformationen
kann optional erfolgen.
-
In
einem weiteren Schritt erfolgt die Identifikation der ausgewählten Messbereiche
mittels digitaler Bildverarbeitung. Es können dabei sämtliche
bekannte Verfahren der Bildverarbeitung verwendet werden.
-
In
einem weiteren Schritt können
aus den identifizierten Messbereiche entweder komplexe Messbereiche
oder 3D-Modelle erzeugt werden, die jeweils ein gesamtes bewegtes
Messobjekt, Teile eines bewegten Messobjekts oder Abschnitte eines bewegten
Messobjekts repräsentieren.
Die 3D-Modelle können
auch unter Verwendung von existierenden 3D-CAD-Modellen erstellt
werden.
-
In
einem weiteren Schritt werden zunächst 3D-Positionsdaten der
Messbereiche, der komplexen Messbereiche oder der 3D-Modelle durch Stereo-Bildverarbeitung
ermittelt.
-
Auf
Basis der ermittelten 3D-Positionsdaten werden dann in einem weiteren
Schritt der optische Fluss, also die zeitabhängige Bewegung der Messbereiche,
der komplexen Messbereiche und/oder der 3D-Modelle berechnet. Hierbei
wird auf bekannte Techniken der Bewegungsanalyse bei der Stereo-Bildverarbeitung
zurückgegriffen,
wie z.B. Differenzbildung von aufeinanderfolgenden Bildern und Auswertung
der Grauwertkanten oder Bestimmung von korrespondierenden, also
identischen, Messbereichen in aufeinanderfolgenden Bildern und Ermittlung
eines Verschiebungsvektors.
-
Optional
können
3D-Geschwindigkeitsdaten, 3D-Beschleunigungsdaten
oder Verwindungen/Deformationen der Messbereiche, der komplexen Messbereiche
und/oder der 3D-Modelle
berechnet werden.
-
In
einem weiteren Schritt erfolgt die Ausgabe der ermittelten Daten,
d.h. der Bildsequenzen und der Bewegungsdaten.
-
Die
Ausgabe erfolgt durch Visualisierung mittels einer grafischen Darstellung
wie in 7 gezeigt. Ferner können die Versuchsergebnisse,
insbesondere das Verhalten der komplexen Messbereiche oder der 3D-Modelle
in einer Simulation ausgeführt als
virtual reality, d.h. in einer 3D-Animation, dargestellt werden, so dass
der Versuchsablauf aus verschiedenen auch ursprünglich nicht durch das Kamerasystem
aufgenommenen Perspektiven gezeigt werden kann. Weiterhin können die
ermittelten Daten an andere Programme übergeben werden.
-
Die
Reihenfolge der in 8 gezeigten Schritte des Verfahrens
ist nicht zwingend, z.B. kann die Berechnung der komplexen Messbereiche
und der 3D-Modelle auch erst nach Ermittlung der 3D-Positionsdaten
der Messbereiche erfolgen.
-
9 zeigt
die Architektur einer Software-Toolbox für eine Messvorrichtung zur
Erfassung und Auswertung von Bildsequenzen von bewegten Objekten
in einem Crashversuch.
-
Der
Mess-Lager der Toolbox umfasst programmtechnische Komponenten zur
Kalibrierung und Verifikation der Kalibrierung, die wie bereits
zu 8 erläutert durchgeführt werden.
Ferner umfasst der Mess-Lager programmtechnische Komponenten zur
Stereobild-Analyse und Bewegungsanalyse, die entsprechend der Beschreibung
zu 8 umgesetzt sind.
-
Auf
dem Mess-Lager setzten die Basis-Applikationen Punktverfolgung,
Objekt-Tracking und 3D-Form-Extraktion auf. Punktverfolgung und
Objekt-Tracking sind bereits oben erläutert. Die Applikation 3D-Form-Extraktion
erzeugt aus einer Vielzahl von Messbereichen oder aus komplexen
Messbereichen ein 3D-Modell mit hoher örtlicher Auflösung.
-
Die
Toolbox weist ferner Komplett-Applikationen auf, die die Analyse
von z.B. der Kopfbewegung eines Dummies oder von Bewegungsdaten,
insbesondere Deformationen, von Motorhauben umsetzen. Eine weitere
Komplett-Applikation stellt das Object-Modelling dar, dass einen
Vergleich bzw. Abgleich der bildbasierten 3D-Modellen mit 3D-CAD-Modellen
realisiert.
-
Eine
Dateneingabe in die Toolbox ist entweder durch manuelle Eingabe über über GUIs
(graphical user interfaces) oder durch Schnittstellen zu CAD-Systemen
(computer aided design) oder FEM-Systemen (finite elements methods)
möglich. Die
Datenausgabe aus der Toolbox erfolgt durch Visualisierung oder Animation
(virtual reality) oder ebenfalls über Schnittstellen zur CAD-
oder FEM-Systemen.
-
10 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines Versuchsaufbaus eines Crashversuchs mit drei Kamerasystemen.
Im Unterschied zu dem Versuchsaufbau in 5 sind die
drei Kamerasysteme 1a, b, c ortsfest positioniert und erfassen
den Dummy 19 während
des Aufpralls des Kraftfahrzeugs 15 auf das Hindernis 16.
Der dargestellte Versuchsaufbau ermöglicht somit die Beobachtung
des zu vermessenden Objekts aus drei verschiedenen Perspektiven,
so dass die Struktur des Dummies und dessen Bewegungsablauf vollständig dreidimensional
erfasst werden kann. In dem dargestellten Beispiel stehen sich die
Kamerasysteme 1a und 1c frontal gegenüber, bei
Abwandlungen dieses Versuchsaufbaus können die Kameras drei verschiedene
Beobachtungswinkel aufweisen, so z.B. um jeweils 120° versetzt
angeordnet sein.
-
- 1,1a,b,c
- Kamerasystem
- 2
- Kameras
- 4,5
- Objektive
- 6,7
- Detektorelemente
- 8
- Basisabstand
- 9
- Messebene
- 10
- Objektbereich
- 11,12
- Sichtfelder
- 13
- Halterung
- 14a,b
- Befestigungsschrauben,
Vergussmasse
- 15
- Kraftfahrzeug
- 16
- Hindernis
- 17
- Auswertesystem
- 18
- Fahrgastkabine
- 19
- Dummy
- 20
- mitbewegte
Kamerahalterung
- 21a,b,c,d
- Positionsmarken
- 22
- Hinterrad
- 23
- Türschweller
- 24
- Türgriff
- 25
- Türfuge
- 26
- Scheinwerfer
- 27
- Dummykopf
- 28
- Dummyarm
- 29,30,31,
-
- 32,33,34,35
- Farbkodierungen
- 36,37,38
- Legenden
- 39
- graphische
Darstellung