DE102010031270A1

DE102010031270A1 - Verfahren und Kamerasystem zur Positionserfassung eines Punktes

Info

Publication number: DE102010031270A1
Application number: DE102010031270A
Authority: DE
Inventors: Tilman Bucher
Original assignee: CHECK IT ETC GmbH
Current assignee: CHECK IT ETC GmbH
Priority date: 2009-07-15
Filing date: 2010-07-13
Publication date: 2011-01-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionserfassung mindestens eines Punktes (11) unter Verwendung von mindestens zwei 2D-Aufnahmen des Punktes (11), wobei jeweils eine Aufnahme des Punktes (11) mit einer ersten Aufnahmevorrichtung (16) und mit einer zweiten Aufnahmevorrichtung (18) aufgenommen wird. Das Verfahren umfasst die Schritte: Bereitstellen korrespondierender Abbildungen (12', 12''; 13', 13''; 14', 14'') eines Satzes von 2D-Raumkoordinatensystemen (12; 13; 14); Auswählen korrespondierender Abbildungen (12', 12'') eines 2D-Raumkoordinatensystems (12) aus dem Satz von 2D-Raumkoordinatensystemen (12; 13; 14) für jede Aufnahmevorrichtung (16, 18); Ermitteln der 2D-Positionskoordinaten (x₁, x₂) des Punktes (11) in jeder der zwei korrespondierenden Abbildungen (12', 12'') des 2D-Raumkoordinatensystems (12); Bei Übereinstimmung der in dem Schritt „Ermitteln der 2D-Positionskoordinaten” ermittelten 2D-Positionskoordinaten (x₁, x₂) des Punktes (11) in den zwei korrespondierenden Abbildungen (12', 12'') des 2D-Koordinatensystems (12): Ermitteln der dritten Positionskoordinate (x₃) des Punktes (11), wobei die Position des Punktes (11) durch die 2D-Positionskoordinaten (x₁, x₂) und die dritte Positionskoordinate (x₃) bestimmt ist; Bei fehlender Übereinstimmung der in dem Schritt „Ermitteln der 2D-Positionskoordinaten” ermittelten 2D-Positionskoordinaten (x₁, x₂) des Punktes (11) in den zwei korrespondierenden Abbildungen (12', 12'') des 2D-Koordinatensystems (12): Auswählen korrespondierender Abbildungen (13', 13'') eines anderen 2D-Raumkoordinatensystems (13) und erneutes Ausführen des Verfahrens zur Positionsbestimmung gemäß dem Schritt „Ermitteln der 2D-Positionskoordinaten”.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kamerasystem zur Positionserfassung eines oder mehrerer Punkte, ein Verfahren zur Positionserfassung mit Hilfe des Kamerasystems, und ein Verfahren zur Erzeugung von Kalibrierdaten für das Kamerasystem.
In vielen Situationen besteht die Notwendigkeit einer präzisen 3D-Positionserfassung eines Objekts. Solche Situationen können im Sport auftreten, beispielsweise zur Klärung der Frage ob ein Ball in einem Ballspiel oder ein Puck in einem Hockeyspiel die Torlinie überschritten hat. Solche Situationen können auch in der Medizin auftreten, beispielsweise bei der genauen Platzierung einer Sonde in dem Körper eines Patienten.
Es ist eine Vielzahl von Verfahren zur 3D-Positionsbestimmung von Objekten bekannt, wie zum Beispiel Trackingsysteme in der Medizin zur Erfassung von Positionsdaten im Rahmen einer medizintechnischen Navigation mittels eines medizintechnischen Navigationssystems, Triangulation in der optischen Messtechnik, oder Lichtschranken. Diese Systeme können eine hohe Komplexität aufweisen und daher sehr teuer sein, sowie einen hohen Vorbereitungsaufwand im Vorfeld der Messungen erfordern. Darüber hinaus sind sie nicht für alle Situationen gleichermaßen geeignet.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur 3D-Positions- und Geschwindigkeitserfassung eines Objekts bereitzustellen, welches relativ einfach, kostengünstig und flexibel ist.
Vorstehende Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen gerichtet.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Kalibrierdaten für ein Kamerasystem mit mindestens zwei Aufnahmevorrichtungen zur Positionserfassung eines oder mehrerer Punkte, welche sich im Erfassungsbereich der mindestens zwei Aufnahmevorrichtungen befinden. Die Kalibrierdaten werden bei einem Kalibrieren des Kamerasystems im Vorfeld von Positionserfassungen zum Beispiel einmalig ermittelt und gespeichert und stehen anschließend systemintern für Positionserfassungen zur Verfügung. Eine Aufnahmevorrichtung kann eine bildgebende Kamera sein. Ein typisches Kamerasystem umfasst zwei Aufnahmevorrichtungen, jedoch können auch mehrere Aufnahmevorrichtungen vorgesehen sein. Die vorliegenden Ausführungen betreffen, sofern nicht anders spezifiziert, das typische Kamerasystem.
Das Verfahren zum Erzeugen von Kalibrierdaten umfasst die Schritte: Vorgeben eines Satzes von 2D-Raumkoordinatensystemen, nachfolgend als KOS-Satz bezeichnet, Erstellen oder Bestimmen einer Abbildung der einzelnen 2D-Raumkoordinatensysteme durch die erste Aufnahmevorrichtung, und Erstellen oder Festlegen einer korrespondierenden Abbildung der 2D-Raumkoordinatensysteme relativ zu der zweiten Aufnahmevorrichtung.
Beim Vorgeben des KOS-Satzes kann in einer Ausführungsform ein erstes 2D-Raumkoordinatensystem vor die Aufnahmevorrichtungen in einem definierten Abstand von den Aufnahmevorrichtungen zum Erzeugen einer Aufnahme des 2D-Raumkoordinatensystems durch jede der Aufnahmevorrichtungen physisch positioniert werden. Ein definierter Abstand von den Aufnahmevorrichtungen kann zum Beispiel einen Abstand von der ersten oder der zweiten Aufnahmevorrichtung oder von einem anderen Referenzpunkt bezeichnen. Das erste 2D-Raumkoordinatensystem kann zum Beispiel auf einer transparenten oder nicht-transparenten Unterlage, beispielsweise einer Plexiglasfolie, aufgezeichnet oder aufgetragen sein. Anschließend kann ein zweites, mit dem ersten identisches, 2D-Raumkoordinatensystem, vom ersten 2D-Raumkoordinatensystem beabstandet, vor den Aufnahmevorrichtungen positioniert werden. Danach können ein drittes und weitere, mit dem ersten identische, 2D-Raumkoordinatensysteme, ähnlich wie das zweite 2D-Raumkoordinatensystem, jeweils von dem vorherigen 2D-Koordinatensystem beabstandet, vor den Aufnahmevorrichtungen positioniert werden. Das Positionieren der 2D-Raumkoordinatensysteme kann dadurch vereinfacht werden, dass ein einziges 2D-Raumkoordinatensystem zeitlich versetzt in voneinander beabstandeten Positionen aufgestellt wird.
In einer weiteren Ausführungsform kann beim Vorgeben des KOS-Satzes von 2D-Raumkoordinatensystemen ein erstes 2D-Raumkoordinatensystem virtuell erzeugt und positioniert werden und zum Beispiel auf das tatsächliche Aufnehmen von 2D-Raumkoordinatensystemen verzichtet werden. „Virtuell Positionieren” kann bedeuten, dass das erste 2D-Raumkoordinatensystem in dem Kamerasystem simuliert wird. Hierbei kann es sich um eine graphische Computersimulation handeln, mittels welcher das erste 2D-Raumkoordinatensystem in einem definierten Abstand zum Kamerasystem generiert wird. Unterschiedliche Abstände zwischen Aufnahmevorrichtungen und 2D-Raumkoordinatensystem können beispielsweise durch verschiedene Größen der Skalierungseinheiten auf den Koordinatenachsen oder der Winkel zwischen den Koordinatenachsen, oder durch eine Verschiebung des Koordinatenursprungs im Bildfeld der Aufnahmevorrichtung simuliert werden. Alternativ kann es sich auch um eine rein numerische Simulation der 2D-Raumkoordinatensysteme ohne graphische Visualisierung handeln.
Eine Kombination zwischen physisch ausgeführten Aufnahmen von materiellen 2D-Raumkoordinatensystemen, welche in einem Frontbereich vor den Aufnahmevorrichtungen positioniert sind, und simulierten 2D-Raumkoordinatensystemen ist auch möglich. In einem simulierten KOS-Satz können physische Aufnahmen von in vorbestimmten Entfernungen physisch positionierten 2D-Raumkoordinatensystemen überlagert oder eingeblendet werden, um eine Übereinstimmung zwischen physischen Aufnahmen und Simulationen von 2D-Raumkoordinatensystemen zu überprüfen und gegebenenfalls Korrekturen an den simulierten Werten durchzuführen.
In einem KOS-Satz liegt zum Beispiel ein 2D-Raumkoordinatensystem mit einem kleinsten Abstand und ein 2D-Raumkoordinatensystem mit einem größten Abstand zu den Aufnahmevorrichtungen vor. Der Raumbereich vor den Aufnahmevorrichtungen zwischen kleinstem und größtem Abstand zu den Aufnahmevorrichtungen, nachfolgend als Erfassungsbereich der Aufnahmevorrichtungen bezeichnet, legt den kleinsten und den größten Abstand fest, welchen ein Punkt oder ein Objekt bei einer Positionserfassung unter Verwendung des KOS-Satzes haben darf. Die Position eines Punktes ist im Allgemeinen nur dann erfassbar, wenn der Punkt einen Abstand zu den Aufnahmevorrichtungen aufweist, welcher sich innerhalb des Erfassungsbereichs der Aufnahmevorrichtungen befindet. Sofern die 2D-Raumkoordinatensysteme simuliert sind, kann mit geringem Aufwand ein sehr großes Erfassungsbereich erzeugt werden, dessen Grenzen nur durch die Auflösung der Aufnahmevorrichtungen bestimmt sind.
Beim Erstellen einer Aufnahme eines Punktes durch die erste Aufnahmevorrichtung und durch die zweite Aufnahmevorrichtung erhält man zwei Aufnahmen des Punktes, die sich voneinander unterscheiden können, obwohl derselbe Punkt durch die Aufnahmevorrichtungen abgebildet wird, weil beispielsweise die Aufnahmevorrichtungen den Punkt unter unterschiedlichen Blickwinkeln sehen. Analog erhält man beim Erstellen einer ersten korrespondierenden Abbildung eines der 2D-Raumkoordinatensysteme durch die erste Aufnahmevorrichtung und beim Erstellen einer zweiten korrespondierenden Abbildung desselben 2D-Raumkoordinatensystems durch die zweite Aufnahmevorrichtung zwei korrespondierende Abbildungen des 2D-Raumkoordinatensystems, die sich voneinander unterscheiden können. Denkt man sich den Punkt an einer beliebigen Stelle in dem Erfassungsbereich der Aufnahmevorrichtungen, so hat der Punkt, bei einer Überlagerung einer Aufnahme des Punktes mit der ersten korrespondierenden Abbildung des 2D-Raumkoordinatensystems oder bei einem Überblenden der ersten korrespondierenden Abbildung des 2D-Raumkoordinatensystems in die Aufnahme des Punktes, wobei sowohl die Aufnahme des Punktes als auch die erste korrespondierende Abbildung des 2D-Raumkoordinatensystems von der ersten Aufnahmevorrichtung erstellt sind, einen ersten Satz von 2D-Positionskoordinaten. Derselbe Punkt hat, bei einer Überlagerung einer Aufnahme des Punktes mit der zweiten korrespondierenden Abbildung des 2D-Raumkoordinatensystems, wobei sowohl die Aufnahme des Punktes als auch die zweite korrespondierende Abbildung des 2D-Raumkoordinatensystems von der zweiten Aufnahmevorrichtung erstellt sind, einen zweiten Satz von 2D-Positionskoordinaten.
Korrespondierende Abbildungen des 2D-Raumkoordinatensystems können durch folgendes Merkmal definiert werden: Ein Punkt, der sich in der Ebene des 2D-Raumkoordinatensystems befindet, hat einen ersten und einen zweiten Satz von 2D-Positionskoordinaten, wobei der erste Satz von 2D-Positionskoordinaten identisch mit dem zweiten Satz von 2D-Positionskoordinaten ist. Mit anderen Worten, der Punkt hat, bei einer Überlagerung der mit unterschiedlichen Aufnahmevorrichtungen erstellten Aufnahmen des Punktes mit jeweiligen korrespondierenden Abbildungen des 2D-Raumkoordinatensystems, dieselben Koordinaten in jeder der korrespondierenden Abbildungen des 2D-Raumkoordinatensystems. Korrespondierende Abbildungen eines 2D-Raumkoordinatensystems werden als korrespondierende Koordinatensysteme bezeichnet, wobei ein Punkt auf der Fläche eines bestimmten 2D-Raumkoordinatensystems in jedem dieser bestimmten korrespondierenden Koordinatensysteme dieselben Koordinaten hat.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann jedes 2D-Raumkoordinatensystem eine ebene Fläche aufspannen. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann ein 2D-Raumkoordinatensystem eine gekrümmte Fläche, beispielsweise die Fläche eines Rotationskörpers, wie zum Beispiel eines Zylinders, einer Kugel, oder eines Ellipsoids, aufspannen. Abhängig von der gewählten Flächenform kann ein passendes Koordinatensystem gewählt werden, beispielsweise ein kartesisches oder ein zylindrisches System für eine ebene Flache, oder ein Zylinder-, Kugel, Ellipsenkoordinatensystem für entsprechend geformte Flächen. Das kartesische 2D-Koordinatensystem kann rechtwinklig sein, die Koordinaten können aber auch in einem anderen Winkel als 90 Grad zueinander stehen. Die vorliegenden Ausführungen betreffen, sofern nicht anders spezifiziert, 2D-Raumkoordinatensysteme, welche eine ebene Fläche aufspannen, sowie kartesische 2D- oder 3D-Raumkoordinatensysteme.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die zum Kalibrieren verwendeten 2D-Raumkoordinatensysteme parallel zueinander sein. 2D-Raumkoordinatensysteme in zueinander parallelen Ebenen haben den Vorteil, dass ein entsprechender KOS-Satz, sowohl in der Ausführungsform, in der physisch ausgeführte Aufnahmen oder Abbildungen von materiellen 2D-Raumkoordinatensystemen, als auch in der Ausführungsform, in der simulierte Abbildungen von simulierten Koordinatensystemen, verwendet werden, mit geringem Aufwand und hoher Präzision herstellbar sind. In der Ausführungsform, in der materielle 2D-Raumkoordinatensysteme verwendet werden, kann ein KOS-Satz erzeugt werden indem eine Plexiglasfolie innerhalb des Erfassungsbereichs der Aufnahmevorrichtungen parallel verschoben wird, wobei jeweils für eine Entfernung zu den Aufnahmevorrichtungen durch die Aufnahmevorrichtungen korrespondierende Aufnahmen von der Plexiglasfolie gemacht werden. Die korrespondierenden Aufnahmen der Plexiglasfolie in allen Aufstellungspositionen, sowie die dazugehörenden Entfernungen zwischen Plexiglasfolie und Aufnahmevorrichtungen, werden als Kalibrierdaten gespeichert.
Gemäß einer Ausführungsform können die zum Kalibrieren verwendeten 2D-Raumkoordinatensysteme innerhalb eines KOS-Satzes voneinander äquidistant beabstandet sein. 2D-Raumkoordinatensysteme, die jeweils eine Ebene aufspannen, sind dann äquidistant, wenn die entsprechenden Ebenen in gleichen Abständen zueinander aufgestellt sind. Sofern ein 2D-Raumkoordinatensystem eine andere Fläche aufspannt, beispielsweise eine Kugel, haben die Flächen, vorzugsweise im Fall äquidistanter Abstände, gleichen radialen Abstand zueinander. Variable Abstände zwischen 2D-Raumkoordinatensystemen sind aber auch möglich: In Raum-Bereichen, in denen bei Positionserfassungen eine höhere Erfassungsgenauigkeit als in anderen Raum-Bereichen gewünscht wird, können die Abstände zwischen den Flächen kleiner als in den anderen Raum-Bereichen gewählt werden. Sowohl bei äquidistanten als auch bei variabel beabstandeten 2D-Raumkoordinatensystemen können die korrespondierenden 2D-Raumkoordinmatensysteme und die dazugehörenden Entfernungen zwischen dem jeweiligen 2D-Raumkoordinmatensystem und Aufnahmevorrichtungen als Kalibrierdaten gespeichert werden. Die vorliegenden Ausführungen betreffen, sofern nicht anders spezifiziert, äquidistant beabstandete 2D-Raumkoordinatensysteme.
Vorzugsweise kann jedem 2D-Raumkoordinatensystem jeweils eine dritte Koordinate in einem 3D-Raumkoordinatensystem zugeordnet werden. Der Ursprung des 3D-Raumkoordinatensystems kann beliebig festgesetzt werden. Zum Beispiel wird er als Ursprung eines der 2D-Raumkoordinatensysteme des KOS-Satzes gewählt. Ist diese Wahl einmal getroffen, kann jeder ebenen Fläche eines 2D-Raumkoordinatensystem die dritte Koordinate, in Abhängigkeit vom Abstand zu der Fläche, welche den Ursprung des 3D-Raumkoordinatensystems umfasst, zugeordnet werden. Die Zuordnung der dritten Koordinate ist für ebene Flächen, welche parallel/nicht parallel und/oder äquidistant/nicht äquidistant sind, möglich.
Gemäß einer Ausführungsform können die korrespondierenden Abbildungen der 2D-Raumkoordinatensysteme, das heißt die korrespondierenden Koordinatensysteme, analog oder digital, auf einer Speichervorrichtung oder einem Speichermedium gespeichert werden. Auf die gespeicherten Daten kann bei der Ausführung einer Positionserfassung eines Punktes zugegriffen werden. Neben den Abbildungen der 2D-Raumkoordinatensysteme werden auch die einem 2D-Raumkoordinatensystem in dem 3D-Raumkoordinatensystem zugeordneten dritten Koordinaten gespeichert.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionserfassung mindestens eines Punktes unter Verwendung von mindestens zwei 2D-Aufnahmen des Punktes, wobei jeweils eine Aufnahme oder ein Bild des Punktes mit einer ersten Aufnahmevorrichtung und mit einer zweiten Aufnahmevorrichtung aufgenommen wird. Die mit der ersten Aufnahmevorrichtung erstellte Aufnahme kann mit einer ersten von zwei korrespondierenden, beim oben beschriebenen Kalibrieren des Kamerasystems erzeugten, Abbildungen eines 2D-Raumkoordinatensystems überlagert werden. Aus dieser ersten Überlagerung kann ein erster Satz von 2D-Positionskoordinaten des Punktes ermittelt werden. Die mit der zweiten Aufnahmevorrichtung erstellte Aufnahme kann mit einer zweiten der zwei korrespondierenden Abbildungen des 2D-Raumkoordinatensystems überlagert werden. Aus dieser zweiten Überlagerung kann ein zweiter Satz von 2D-Positionskoordinaten des Punktes ermittelt werden.
Beim Start des Verfahrens werden Kalibrierdaten, umfassend korrespondierende Abbildungen eines KOS-Satzes, welche zum Beispiel beim oben beschriebenen Kalibrieren des Kamerasystems erzeugt wurden, bereitgestellt. Die Kalibrierdaten sind auf einem Speichermedium verfügbar, auf welches eine Auswerteeinheit des Kamerasystems zugreifen kann. Die Auswerteeinheit kann auf korrespondierende Abbildungen jedes der in dem KOS-Satz eingeschlossenen 2D-Raumkoordinatensysteme, bedarfsabhängig, zugreifen.
Anschließend werden aus den verfügbaren Abbildungen des KOS-Satzes zwei korrespondierende Koordinatensysteme, das heißt korrespondierende Abbildungen eines simulierten oder mittels der den Punkt erfassenden Aufnahmevorrichtungen gemessenen 2D-Koordinatensystems, ausgewählt. Dabei wird zum Beispiel, in einer ersten Iteration des Verfahrens, ein erstes Paar korrespondierender Abbildungen eines, in dem Erfassungsbereich der Aufnahmevorrichtungen, ersten 2D-Koordinatensystems, ausgewählt.
Daraufhin wird die mit der ersten Aufnahmevorrichtung erstellte korrespondierende Abbildung des ersten Paares korrespondierender Abbildungen mit der Aufnahme des Punktes überlagert, welche ebenfalls mit der ersten Aufnahmevorrichtung erstellt wurde. Mit anderen Worten wird die Aufnahme des mit der ersten Aufnahmevorrichtung erstellten korrespondierenden Koordinatensystems in die mit der ersten Aufnahmevorrichtung erstellte Aufnahme des Punktes eingeblendet. Anschließend wird die mit der zweiten Aufnahmevorrichtung erstellte korrespondierende Abbildung des ersten Paares korrespondierender Abbildungen mit der Aufnahme des Punktes überlagert, welche ebenfalls mit der zweiten Aufnahmevorrichtung erstellt wurde. Mittels Überlagerung der mit der ersten Aufnahmevorrichtung erstellten Aufnahme des Punktes mit dem ersten korrespondierenden Koordinatensystem, kann ein erster Satz von 2D-Positionskoordinaten des Punktes ermittelt werden. Mittels Überlagerung der mit der zweiten Aufnahmevorrichtung erstellten Aufnahme des Punktes mit dem zweiten korrespondierenden Koordinatensystem, kann ein zweiter Satz von 2D-Positionskoordinaten des Punktes ermittelt werden.
Im nachfolgenden Schritt findet ein Vergleich der zwei Sätze von 2D-Positionskoordinaten des Punktes in den zwei korrespondierenden Abbildungen des ersten 2D-Raumkoordinatensystems des KOS-Satzes statt. Das Ergebnis des Vergleichs ist entweder 1) Übereinstimmung oder 2) Nichtübereinstimmung der zwei Sätze von 2D-Positionskoordinaten des Punktes. Abhängig vom Ergebnis werden jeweils unterschiedliche Operationen durchgeführt, die nachfolgend erläutert werden.
Im Fall einer Übereinstimmung der zwei Sätze von 2D-Positionskoordinaten des Punktes kann erschlossen werden, dass jeder der zwei Sätze von 2D-Positionskoordinaten des Punktes die 2D-Positionskoordinaten des Punktes wiedergibt. Jetzt fehlt noch die dritte Positionskoordinate zu einer vollständigen Positionsbestimmung des Punktes. Die dritte Positionskoordinate des Punktes in dem 3D-Raumkoordinatensystem stimmt mit der dritten Koordinate überein, welche dem ersten 2D-Raumkoordinatensystem in dem KOS-Satz zugeordnet ist und gespeichert vorliegt. Durch Zuordnen dieser dritten Koordinate dem ersten oder zweiten Satz von 2D-Positionskoordinaten des Punktes erhält man einen Satz von 3D-Positionskoordinaten des Punktes. Durch Ermittlung dieses Satzes von 3D-Positionskoordinaten des Punktes ist die Positionserfassung des Punktes vollendet.
Im Fall einer Nichtübereinstimmung wird die Suche nach einem geeigneten Satz von Positionskoordinaten des Punktes fortgesetzt. Dazu wird zum Beispiel, in einem zweiten Iterationsschritt, ein zweites Paar korrespondierender Abbildungen eines, in dem Erfassungsbereich der Aufnahmevorrichtungen, zweiten 2D-Koordinatensystems, ausgewählt.
Daraufhin wird die mit der ersten Aufnahmevorrichtung erstellte korrespondierende Abbildung des zweiten Paares korrespondierender Abbildungen mit der Aufnahme des Punktes überlagert, welche ebenfalls mit der ersten Aufnahmevorrichtung erstellt wurde. Anschließend wird die mit der zweiten Aufnahmevorrichtung erstellte korrespondierende Abbildung des zweiten Paares korrespondierender Abbildungen mit der Aufnahme des Punktes überlagert, welche ebenfalls mit der zweiten Aufnahmevorrichtung erstellt wurde. Mittels Überlagerung der mit der ersten Aufnahmevorrichtung erstellten Aufnahme des Punktes mit dem ersten korrespondierenden Koordinatensystem, kann der erste Satz von 2D-Positionskoordinaten des Punktes ermittelt werden. Mittels Überlagerung der mit der zweiten Aufnahmevorrichtung erstellten Aufnahme des Punktes mit dem zweiten korrespondierenden Koordinatensystem, kann der zweiter Satz von 2D-Positionskoordinaten des Punktes ermittelt werden.
Im nachfolgenden Schritt findet erneut ein Vergleich der zwei Sätze von 2D-Positionskoordinaten des Punktes in den zwei korrespondierenden Abbildungen des zweiten 2D-Raumkoordinatensystems des KOS-Satzes statt. Im Fall einer Übereinstimmung der zwei Sätze von 2D-Positionskoordinaten des Punktes kann erschlossen werden, dass jeder der zwei Sätze von 2D-Positionskoordinaten des Punktes die 2D-Positionskoordinaten des Punktes wiedergibt. Die dritte Positionskoordinate des Punktes in dem 3D-Raumkoordinatensystem stimmt mit der dritten Koordinate überein, welche dem ersten 2D-Raumkoordinatensystem in dem KOS-Satz zugeordnet ist und gespeichert vorliegt. Durch Zuordnen dieser dritten Koordinate dem ersten oder zweiten Satz von 2D-Positionskoordinaten des Punktes erhält man den Satz von 3D-Positionskoordinaten des Punktes.
Im Fall einer Nichtübereinstimmung wird die Suche nach einem geeigneten Satz von Positionskoordinaten des Punktes fortgesetzt. Dazu wird, in einem dritten Iterationsschritt, ein drittes Paar korrespondierender Abbildungen eines, in dem Erfassungsbereich der Aufnahmevorrichtungen, dritten 2D-Koordinatensystems, ausgewählt, und mit den mit der ersten und mit der zweiten Aufnahmevorrichtung erstellten Aufnahmen des Punktes überlagert. Die darauffolgend ermittelten zwei Sätze von Positionskoordinaten des Punktes werden erneut auf Übereinstimmung geprüft. Bei Nichtübereinstimmung wird, in einem vierten Iterationsschritt, ein viertes Paar korrespondierender Abbildungen eines viertes 2D-Koordinatensystems ausgewählt, bei erneuter Nichtübereinstimmung der zwei Sätze von Positionskoordinaten des Punktes ein fünftes Paar, und so weiter, bis Übereinstimmung der zwei Sätze von Positionskoordinaten des Punktes erreicht wird.
Für die Ermittlung der dritten Positionskoordinate des Punktes kann, wie bereits dargestellt, auf die beim Kalibrieren gespeicherten Kalibrierdaten zurückgegriffen werden. Jedem 2D-Raumkoordinatensystem in dem KOS-Satz wird beim Kalibrieren des Kamerasystems in einem 3D-Raumkoordinatensystem eine dritte Koordinate zugewiesen, welche zusammen mit den korrespondierenden Abbildungen des 2D-Raumkoordinatensystems gespeichert wird. Beim Feststellen einer Übereinstimmung der 2D-Positionskoordinaten des Punktes in den zwei korrespondierenden 2D-Raumkoordinatensystemen kann auf die damit verbundene und beim Kalibrieren gespeicherte dritte Koordinate zugegriffen werden.
Wenn keine Übereinstimmung der 2D-Positionskoordinaten des Punktes in zwei korrespondierenden Abbildungen eines 2D-Raumkoordinatensystems ermittelt werden kann, weil zum Beispiel die Abstände zwischen benachbarten 2D-Koordinatensystemen zu groß sind, dann kann ein Abstand zwischen 2D-Positionskoordinaten, das heißt zwischen zwei Sätzen von 2D-Positionskoordinaten des Punktes in zwei korrespondierenden Abbildungen als Funktion der dritten Koordinate formuliert werden. In einem kartesischen Koordinatensystem kann ein solcher Abstand in der i-ten Iteration des Verfahrens wie folgt aussehen: d_i = [(x_1,1 – x_2,1)² + (x_2,1 – x_2,2)²]^1/2 = d(x₃), (1) wobei x3 = x₃(i) (2)
In der Gleichung (1) sind x_1,1, x_1,2 die 2D-Positionskoordinaten im ersten Satz, und x_2,1, x_2,2 die 2D-Positionskoordinaten im zweiten Satz von 2D-Positionskoordinaten des Punktes. x₃ ist die dritte Koordinate, welche dem 2D-Raumkoordinatensystem zugeordnet ist, von dem die korrespondierenden Abbildungen abgeleitet sind, in welchen der erste und der zweite Satz von 2D-Positionskoordinaten des Punktes ermittelt wurden. Die Gleichung (2) bringt zum Ausdruck, dass die dritte Koordinate x₃ in jeder Iteration des Verfahrens einen anderen Wert aufweist. Im Allgemeinen nimmt die dritte Koordinate x₃ mit zunehmendem Fortschreiten des Verfahrens zu.
Beim Ausführen der bisher beschriebenen Verfahrensschritte kann zum Beispiel folgende Situation auftreten: Der Abstand d_i gemäß Gleichung (1) hat in der ersten Iteration des Verfahrens einen Startwert d₁. In der zweiten Iteration hat der Abstand einen Wert d₂, in der dritten Iteration einen Wert d₃ und so weiter. Die erhaltenen Abstände können folgende Größenrelation zueinander aufweisen: d₁ > d₂ > d₃ > ... > d₁₂ > d₁₃ < d₁₄ < d₁₅ < d₁₆ < ... (3)
Aus der Beziehung (2) ist ersichtlich, dass die Abstände d(x₃) zwischen dem ersten und dem zweiten Satz von 2D-Positionskoordinaten des Punktes in den ersten 13 Iterationen des Verfahrens abnehmen, bei d₁₃ ein Minimum erreichen und ab d₁₄ zunehmen. Daraus folgt, dass die dritte Positionskoordinate des Punktes einen Wert X₃ hat, welcher der Beziehung entspricht: x₃(13) < X₃ < x₃(14) (4)
Das Verfahren ist also nicht nur dann abzubrechen, wenn eine Übereinstimmung der 2D-Positionskoordinaten des Punktes in zwei korrespondierenden Abbildungen eines 2D-Raumkoordinatensystems ermittelt werden kann. Das Verfahren ist auch dann abzubrechen, wenn ein Minimum des Abstands d zwischen zwei Sätzen von 2D-Positionskoordinaten des Punktes erreicht ist.
Gemäß Beziehung (4) kann die dritte Positionskoordinate des Punktes, sofern das Verfahren deshalb abgebrochen wurde, weil ein Minimum des Abstands d zwischen zwei Sätzen von 2D-Positionskoordinaten des Punktes erreicht ist, nur mit beschränkter Genauigkeit ermittelt werden. Diese Genauigkeit kann dadurch erhöht werden, dass entweder die Abstände zwischen 2D-Raumkoordinatensystemen beim Kalibrieren kleiner gewählt werden, oder dass ein Näherungsverfahren für die Ermittlung von X₃ angewendet wird. Ein solches Näherungsverfahren kann darin bestehen, dass für die Funktion d eine funktionale Approximation, beispielsweise eine Splines- oder Polynomapproximation, gewählt wird, und anschließend entweder ein Minimum, oder eine Nullstelle der Funktion d ermittelt wird. Zum Durchführen der Nullstellensuche ist die Funktion d bereichsweise mit –1 zu multiplizieren, beispielsweise in dem monoton steigenden Bereich von d, siehe Beziehung (3). Der ermittelte Wert von x₃ für die Nullstelle oder für das Minimum von d ist die gesuchte dritte Positionskoordinate des Punktes in dem 3D-Raumkoordinatensystem.
Gemäß einer Ausführungsform kann, neben den 3D-Positionskoordinaten des Punktes in dem 3D-Raumkoordinatensystem, auch eine der Position zugeordnete Zeit erfasst werden. Die 3D-Position umfasst die 2D-Positionskoordinaten in einem der korrespondierenden Koordinatensysteme und die dritte Positionskoordinate, wobei die 2D-Positionskoordinaten plus dritte Positionskoordinate bei Bedarf von einem 2D-Raumkoordinatensystem in das 3D-Raumkoordinatensystem transformiert werden können. Die Zeit entspricht einem der Position zugeordneten Zeitstempel, wobei die Position als eine Momentaufnahme des gegebenenfalls dynamischen Punktes aufzufassen ist. Falls der Punkt statisch ist, so bleibt die Position für alle betrachteten Zeitwerte unverändert. Die Positionen werden, ähnlich wie in einem Film, zu vorbestimmten, bevorzugt äquidistanten, Zeitpunkten ermittelt und aufgezeichnet oder gespeichert. Die aneinander gereihten Position- und Zeitdaten bilden eine diskrete Positions-Zeitreihe.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann aus der Positions-Zeitreihe, das heißt aus den Positionsdaten zu einer Mehrzahl aufeinanderfolgender Positionen und dazugehörenden Zeiten, zu jedem Zeitpunkt eine Geschwindigkeit und eine Beschleunigung ermittelt werden. Geschwindigkeit und Beschleunigung entsprechen mathematisch einer ersten und einer zweiten Ableitung des hinterlegten Weges nach der Zeit, wobei der Weg als Verkettung von Wegstücken zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Positionen des Punktes aufgefasst werden kann. Die Ableitungen nach der Zeit können mit gängigen Methoden der numerischen Mathematik ermittelt werden. Aus den erfassten Daten kann ein Satz charakteristischer Bewegungszeitreihen des Punktes ermittelt werden, umfassend eine Positionszeitreihe, und/oder eine Geschwindigkeitszeitreihe und/oder eine Beschleunigungszeitreihe. Die schnelle, effiziente und präzise Erfassung der Geschwindigkeit ist vielseitig anwendbar, beispielsweise für Geschwindigkeitsmessungen im Straßenverkehr oder bei Autorennen, beispielsweise Formel 1-Rennen, anstelle der wesentlich aufwendigeren Radar- oder Laser-Messungen.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Punkt ein Teil eines sich bewegenden Objekts, beispielsweise eines Balls oder eines Pucks auf einem Spielfeld, sein. Der Punkt kann stellvertretend für die Position des gesamten Objekts sein. Bei einem Ball kann der Punkt beispielsweise ein Infrarotsender sein, der im Zentrum des Balls durch elastische Bänder an den Ballwänden festgemacht ist. Das Kamerasystem umfasst in diesem Fall, zum erzeugen der 2D-Aufnahmen, IR-Aufnahmevorrichtungen. In weiteren Ausführungsformen können auch andere oder mehrere Punkte des Objekts getrackt oder erfasst werden, beispielsweise mehrere an der Innenfläche des Balls angeklebte oder eingenähte IR-Sender. Alternativ kann die Positionsbestimmung auch auf optischer Basis durchgeführt werden, indem an die Balloberfläche optisch reflektierende Elemente angeordnet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren dazu eingesetzt werden, das Konzept einer virtuellen Computertastatur zu realisieren. Das Konzept sieht vor, eine herkömmliche Tastatur mit drückbaren Tasten, wobei eine Bedienperson mittels eines Tastendrucks eine Tastenoperation ausführt, durch die virtuelle Computertastatur zu ersetzen. Die Tastenoperation betrifft das Auswählen eines Zeichens aus einem Zeichensatz der Computertatstatur mittels eines Tastendrucks, das Wandeln des Tastendrucks durch die Tastatur in eine elektrische Information und das anschließende Übertragen der elektrischen Information an einen angeschlossenen PC, Das Auswählen eines Zeichens aus einem Zeichensatz der virtuellen Computertatstatur kann in dem vorliegenden Konzept beispielsweise durch Bewegen eines Fingers in der Nähe eines Tastenelements der virtuellen Tastatur erreicht werden, wobei das Tastenelement ein Element eines auf der virtuellen Tastatur, welche beispielsweise ein dünner, brettartiger Gegenstand in der Größe einer herkömmlichen Computertastatur, aus hohlem oder massivem Holz oder Kunststoff mit einer glatter Oberfläche, mit aufgezeichnetem Tastenfeld, sein kann. Die virtuelle Tastatur kann auch als Head-Up-Display, oder als Brille mit integriertem Head-Up-Display, oder als Head-Mounted Display, oder als Bildprojektion auf einer im Wesentlichen ebenen Unterlage, beispielsweise einem Arbeitstisch, realisiert sein. Die Nähe des Fingers zu dem Tastenelement kann dadurch festgestellt werden, dass in einer Definitionsphase ein für die Nähe des Fingers zu dem Tastenelement typisches Muster der charakteristischen Bewegungszeitreihe des Fingers definiert und einem dem Tastenelement zugeordneten Zeichen zugeordnet wird, und in einer späteren Durchführungsphase zunächst ein Satz charakteristischer Bewegungszeitreihen des Fingers mittels Kamerasystem ermittelt wird, anschließend diese charakteristischen Bewegungszeitreihen zum Erkennen des für die Nähe des Fingers zu dem Tastenelement typischen Musters analysiert wird, und danach das Zeichen ausgewählt wird, welches diesem Muster oder Tastenelement zugeordnet ist.
Ein Auflegen der Hand auf die virtuelle Tastatur ohne die Absicht, eine Tastenoperation auszuführen, ist auch möglich, wenn vorher festgelegte oder vorgegebene oder vorgebbare Bedingungen erfüllt sind. Beispielsweise wird bei einem langsamen Auflegen der Hand auf die virtuelle Tastatur keine Tastenoperation ausgeführt. Die Bedingungen können dann bestehen, dass die Fingergeschwindigkeit größer als eine vorgegebene Mindestgeschwindigkeit und/oder, dass der Betrag der negativen Beschleunigung, das heißt die Abbremsung, des Fingers größer als ein vorgegebener Betrag ist. Die Mindestgeschwindigkeit, beispielsweise 1 cm/s oder 10 cm/s, muss überschritten werden, um eine Tastenoperation auszulösen. Wenn eine Bewegung unter dieser Mindestgeschwindigkeit erfasst wird, dann wird keine Tastenoperation ausgelöst.
In dem Konzept der virtuellen Computertatstur kann, wie bereits erwähnt, der Punkt Teil einer Hand, beispielsweise eines Fingers oder Fingernagels einer Person sein, welche die virtuelle Computertastatur bedient. Der Fingernagel eignet sich als Bezugspunkt wegen seiner guten Reflexionseigenschaften und weil er sich an der Spitze eines Fingers befindet. Die Definitionsphase dient dazu, einen Satz von Muster der charakteristischen Bewegungszeitreihen des Fingers der Bedienperson, welche z. B. die virtuelle Computertastatur zum Auswählen eines Zeichens oder Schriftzeichens oder Symbols oder Charakters aus einem Zeichensatz der virtuellen Computertatstatur bedient, zu definieren, und anschließend jeweils ein Muster jeweils einem Zeichen der virtuellen Computertatstatur zuzuordnen.
Beim Start der Definitionsphase wird zunächst ein erstes Zeichen aus dem Zeichensatz der virtuellen Computertatstatur, beispielsweise der Buchstabe „a”, ausgewählt. In Verbindung mit diesem ersten Zeichen wird anschließend ein Bewegungsmuster des Fingers zum Auswählen dieses ersten Zeichens als ein Muster der charakteristischen Bewegungszeitreihen des Fingers definiert. Dieses Bewegungsmuster des Fingers zum Auswählen des ersten Zeichens wird dem ersten Zeichen zugeordnet. Das Bewegungsmuster kann beispielsweise einem Einbringen des Fingers in die Nähe des Tastenelements, welches zum Beispiel mit dem Buchstaben „a” korrespondiert, und einem kurzen Verweilen des Fingers in diesem Bereich, entsprechen.
Darauffolgend kann die so ermittelte Zuordnungsvorschrift [erstes Zeichen, Bewegungsmuster des Fingers zum Auswählen des ersten Zeichens] gespeichert werden.
Anschließend können die im Zusammenhang mit dem ersten Zeichen aus dem Zeichensatz der virtuellen Computertastatur erwähnten Schritte der Definitionsphase für ein zweites Zeichen sowie für alle weiteren Zeichen aus dem Zeichensatz der virtuellen Computertastatur wiederholt werden.
Die Zeitreihen, das heißt die Positions-, die Geschwindigkeits- und die Beschleunigungszeitreihe, sowie die dazugehörenden Signale, können Störungen oder Rauschen umfassen. Dieses Problem kann mit entsprechenden Verfahren, beispielsweise Fuzzy-Technologie oder Filtern, beispielsweise digitalen Filter, behandelt werden.
Ein Bewegungsmuster des Fingers zum Auswählen eines Zeichens aus dem Zeichensatz der virtuellen Computertatstatur als ein Muster der charakteristischen Bewegungszeitreihen des Fingers kann wie folgt aussehen:
Es wird ein geometrischer Bereich um das Tastenelement vorgegeben, wobei die Fingerposition darauf geprüft wird, ob sie sich innerhalb oder außerhalb des Bereichs befindet. Damit kann die Nähe des Fingers zu einem Tastenelement der virtuellen Tastatur geprüft werden.
Es wird ein Werteintervall, vorzugsweise mit negativen Zahlenwerten, für die Obergrenze und die Untergrenze des Wertintervalls, für die Fingerbeschleunigung vorgegeben, wobei geprüft wird, ob die Fingerbeschleunigung sich innerhalb des Intervalls befindet. Damit kann geprüft werden, ob die Fingerbewegung abgebremst ist. Schließlich wird ein Werteintervall, vorzugsweise [–epsilon, +epsilon] für die Fingergeschwindigkeit vorgegeben, wobei epsilon ein kleiner positiver Wert, beispielsweise ein Wert kleiner 1 oder 0,1 oder 0,01 m/s ist. Damit kann geprüft werden, ob der Finger zum Stehen kommt.
Über die oben dargestellten Beispiele hinaus können noch weitere Bewegungsmuster des Fingers zum Auswählen eines Zeichens aus dem Zeichensatz der virtuellen Computertatstatur definiert werden. Zur Erkennung solcher Bewegungsmuster können bekannte Verfahren zur Mustererkennung, beispielsweise aus der künstlichen Intelligenz wie Künstliche Neuronale Netze, Fuzzy Logic, Expertensysteme, oder Kombinationen davon, eingesetzt werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren dazu eingesetzt werden, das Konzept einer virtuellen Computermaus zu realisieren. Das Konzept sieht vor, eine herkömmliche Maus mit drückbaren Tasten, welche hin und her bewegt wird, durch die virtuelle Computermaus zu ersetzen. Die virtuelle Computermaus wird durch eine Bedienperson zum Auswählen einer Cursorbewegung oder Cursoroperation eines Computers aus einem Satz von Cursoroperationen, welche durch die virtuelle Computermaus ausgelöst werden können, bedient. Eine Cursoroperation kann beispielsweise eine mit einer Mausbewegung gekoppelte Cursorbewegung oder eine mit einem Tastendruck auf einer rechten oder linken Maustaste gekoppelte Cursorfestlegung sein. Das Auswählen einer Cursoroperation kann beispielsweise durch Bewegen eines Fingers in der Nähe oder unmittelbaren Umgebung eines virtuellen Mauspads erreicht werden, wobei das virtuelle Mauspad ähnlichen Aufbau wie ein herkömmliches Mauspad haben oder einfach ein vorbestimmter geometrischer Bereich vor dem Computer sein kann. Das virtuelle Mauspad kann auch als Head-Up-Display, oder als Brille mit integriertem Head-Up-Display, oder als Head-Mounted Display, oder als Bildprojektion auf einer im Wesentlichen ebenen Unterlage, beispielsweise einem Arbeitstisch, realisiert sein. Die Nähe des Fingers zu dem Mauspad kann dadurch festgestellt werden, dass in einer Definitionsphase ein für die Nähe des Fingers zu dem Mauspad typisches Muster der charakteristischen Bewegungszeitreihe des Fingers definiert und einem bestimmten Mausoperation zugeordnet wird, aus dem Satz von Cursoroperationen, welche durch die virtuelle Computermaus ausgelöst werden können, und in einer späteren Durchführungsphase zunächst ein Satz charakteristischer Bewegungszeitreihen des Fingers mittels Kamerasystem ermittelt wird, anschließend diese charakteristischen Bewegungszeitreihen zum Erkennen des für die Nähe des Fingers zu dem Mauspad typischen Musters analysiert wird, und danach die Cursoroperation ausgewählt wird, welches diesem Muster zugeordnet ist.
Ein Auflegen der Hand auf das virtuelle Mauspad ohne die Absicht, eine Cursoroperation auszuführen, ist auch möglich, wenn vorher festgelegte oder vorgegebene oder vorgebbare Bedingungen erfüllt sind. Beispielsweise wird bei einem langsamen Auflegen der Hand auf das virtuelle Mauspad keine Cursoroperation ausgeführt. Die Bedingungen können darin bestehen, dass die Fingergeschwindigkeit größer als eine vorgegebene Mindestgeschwindigkeit und/oder, dass der Betrag der negativen Beschleunigung, das heißt die Abbremsung, des Fingers größer als ein vorgegebener Betrag ist. Die Mindestgeschwindigkeit, beispielsweise 1 cm/s oder 10 cm/s, muss überschritten werden, um eine Cursoroperation auszulösen. Wenn eine Bewegung unter dieser Mindestgeschwindigkeit erfasst wird, dann wird keine Cursoroperation ausgelöst.
In dem Konzept der virtuellen Computermaus kann, wie bereits erwähnt, der Punkt Teil einer Hand, beispielsweise eines Fingers oder Fingernagels einer Person sein, welche die virtuelle Computermaus bedient. Die Definitionsphase dient dazu, einen Satz von Muster der charakteristischen Bewegungszeitreihen des Fingers der Bedienperson, welche z. B. die virtuelle Computermaus zum Auswählen einer Cursoroperation aus einem Satz von Cursoroperationen der virtuellen Computermaus bedient, zu definieren, und anschließend jeweils ein Muster jeweils einer Cursoroperation der virtuellen Computermaus zuzuordnen.
Beim Start der Definitionsphase wird zunächst eine erste Cursoroperation aus dem Satz von Cursoroperationen der virtuellen Computermaus, beispielsweise eine Startbewegung eines Cursors, ausgewählt. In Verbindung mit dieser ersten Cursoroperation wird anschließend ein Bewegungsmuster des Fingers zum Auswählen dieser ersten Cursoroperation als ein Muster der charakteristischen Bewegungszeitreihen des Fingers definiert. Dieses Bewegungsmuster des Fingers zum Auswählen der ersten Cursoroperation wird der ersten Cursoroperation zugeordnet. Das Bewegungsmuster kann beispielsweise einem Einbringen des Fingers in die Nähe des Mauspads, und einem kurzen Verweilen des Fingers in diesem Bereich, entsprechen.
Darauffolgend kann die so ermittelte Zuordnungsvorschrift [erste Cursoroperation, Bewegungsmusters des Fingers zum Auswählen der ersten Cursoroperation] gespeichert werden.
Anschließend können die im Zusammenhang mit der ersten Cursoroperation aus dem Satz von Cursoroperationen der virtuellen Computermaus erwähnten Schritte der Definitionsphase für eine zweite Cursoroperation sowie für alle weiteren Cursoroperationen aus dem Satz von Cursoroperationen der virtuellen Computermaus wiederholt werden.
Der Satz von Cursoroperationen im Konzept der virtuellen Computermaus entspricht dem Satz von Cursoroperationen im herkömmlichen Mauskonzept.
Ein Bewegungsmuster des Fingers zum Auswählen einer Cursoroperation aus dem Satz von Cursoroperationen der virtuellen Computermaus als ein Muster der charakteristischen Bewegungszeitreihen des Fingers kann wie folgt aussehen:
Es wird ein geometrischer Bereich um das Mauspad vorgegeben, wobei die Fingerposition darauf geprüft wird, ob sie sich innerhalb oder außerhalb des Bereichs befindet. Damit kann die Nähe des Fingers zu dem Mauspad geprüft werden.
Anschließend werden Geschwindigkeit und Beschleunigung geprüft, ob sie den Bedingungen für einen Fingerstillstand entsprechen. Falls ja, wird der Fingerstillstand als Startposition des Fingers für die Mausbewegung aufgefasst. Anschließend werden die nachfolgenden Fingerbewegungen zum Bewegen des Cursors auf einem Bildschirm genutzt, bis eine Endposition des Fingers, definiert entweder durch einen erneuten Fingerstillstand oder eine Fingerposition außerhalb des Mauspad-Bereichs, festgestellt wird.
Der Zustands eines Tastenelements der virtuellen Computermaus wird als „gedrückt” erkannt, falls Fingergeschwindigkeit und Fingerbeschleunigung Werte gemäß einem Satz vorbestimmter, einem Start und einem Ende einer Fingerbewegung, ohne laterale Bewegungskomponente parallel zum Mauspad, entsprechende Randbedingungen, aufweisen. Start und Ende der Fingerbewegung sind durch die obigen Randbedingungen für eine Start- und eine Endposition des Fingers definiert, wobei der Finger zum „Drücken” eine im Wesentlichen vertikale Bewegung ausführt.
Über die oben dargestellten Beispiele hinaus können noch weitere Maus-Bewegungsmuster definiert werden. Zur Erkennung eines Maus-Bewegungsmusters können bekannte Verfahren zur Mustererkennung, beispielsweise aus der künstlichen Intelligenz wie Künstliche Neuronale Netze, Fuzzy Logic, Expertensysteme, oder Kombinationen davon, eingesetzt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Positions-, Geschwindigkeits-, und/oder Beschleunigungsmessung bei einer Spielkonsole oder einem Computerspiel zum Steuern der Spielkonsole oder des Computerspiels verwendet werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kamerasystem zur Positionserfassung mindestens eines Punktes. Das Kamerasystem umfasst mindestens zwei Aufnahmevorrichtungen zum Aufnehmen von 2D-Aufnahmen des Punktes, eine Speichervorrichtung zum Speichern korrespondierender Abbildungen von 2D-Raumkoordinatensystemen, welche mittels des oben geschilderten Verfahrens zum Erzeugen von Kalibrierdaten für das Kamerasystem generiert sind, und eine mit den Aufnahmevorrichtungen und mit der Speichervorrichtung gekoppelte Auswerteeinheit, welche ein Verfahren zur Positionserfassung des Punktes mittels der korrespondierenden Abbildungen von 2D-Raumkoordinatensystemen und der 2D-Aufnahmen des Punktes ausführen kann. Die Auswerteeinheit kann darüber hinaus auch das oben geschilderte Verfahren zum Kalibrieren des Kamerasystems ausführen.
Eine Aufnahmevorrichtung kann eine Videokamera, eine Bild-Kamera, eine Infrarot- oder Wärmekamera, eine Radarkamera, eine Ultraschallkamera, oder eine sonstige bildgebende Kamera sein. Ein typisches Kamerasystem umfasst zwei Aufnahmevorrichtungen.
Die Speichervorrichtung kann ein digitaler Datenspeicher, beispielsweise RAM (Random Access Memory), DRAM, SRAM, ROM (Read Only Memory), EPROM, ein ferromagnetischer Speicher (Festplatte), ein optischer Speicher (CD-ROM), ein Magnetband, oder Kombinationen davon, sein. Auch ein analoger Datenspeicher kann genutzt werden, beispielsweise Fotografie, Negativfilm, oder Holografie. Die Speichervorrichtung kann als Teil des Kamerasystems ausgebildet oder über ein mit dem Kamerasystem gekoppelten Netzwerk zugänglich sein. Die Speichervorrichtung kann als separate Funktionseinheit oder als Teil der Auswerteeinheit ausgebildet sein.
Die Auswerteeinheit ist dazu ausgebildet, das Speichern der Kalibrierdaten zu steuern und gegebenenfalls Kalibrierdaten zum Kalibrieren des Kamerasystems zu generieren, sofern ein KOS-Satz von 2D-Koordinatensystemen virtuell erzeugt und positioniert wird.
Gemäß einer Ausführungsform können die Aufnahmevorrichtungen an dem Bildschirm, vorzugsweise in einem Bereich seitlich und/oder oberhalb des Bildschirms, eines PC-Systems, beispielsweise eines Desktops oder Laptops, angeordnet sein. Das PC-System ist dazu ausgebildet, mittels einer Software oder eines Computerprogramms, das Verfahren zum Kalibrieren und zur Positionserfassung auszuführen. Die Aufnahmevorrichtungen sind vorzugsweise zur Erstellung von optischen und/oder IR-Aufnahmen ausgebildet.
Das Kamerasystem kann zwei optische und zwei IR Aufnahmevorrichtungen umfassen, wobei die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, eine Kalibrierung und eine Positionserfassung sowohl mit den optischen als auch mit den IR Aufnahmevorrichtungen auszuführen. Durch die doppelte Positionserfassung, erstens durch die optische und zweitens durch die IR Aufnahmevorrichtungen, und die damit verbundene Möglichkeit einer Querüberprüfung der ermittelten Positionen, kann die Fehlerquote bei der Erkennung von Fingerpositionen und Bewegungsmustern des Fingers der Bedienperson reduzieret werden. Andere Kombinationen von auf unterschiedlichen physikalischen Bildaufnahmeprinzipien beruhenden Aufnahmevorrichtungen sind auch möglich.
Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Dabei zeigt
1 eine erste schematische Darstellung der Funktionselemente eines Kamerasystems zur Erläuterung eines Verfahrens zur Erzeugung von Kalibrierdaten,
1a eine schematische Darstellung der Simulation einer Kalibrier-Ebene innerhalb eines Erfassungs- oder Dynamikbereichs
2 eine zweite schematische Darstellung der Funktionselemente eines Kamerasystems zur Erläuterung des Verfahrens zur Erzeugung von Kalibrierdaten,
3 eine schematische Darstellung der Funktionselemente eines Kamerasystems zur Erläuterung eines Verfahrens zur Positionserfassung eines Punktes,
4 eine schematische Darstellung einer virtuellen Computermaus.
In der 1 sind die Funktionselemente eines Kamerasystems dargestellt, in einer Anordnung, die zur Umsetzung des Verfahrens zur Erzeugung von Kalibrierdaten erforderlich ist. Eine erste und eine zweite bildgebende Aufnahmevorrichtung 16, 18 sind vor einem Satz von 2D-Raumkoordinatensystemen, einem sog. KOS-Satz, umfassend drei 2D-Raumkoordinatensysteme 12, 13, 14, welche in jeweils drei parallelen und zueinander äquidistanten Ebenen enthalten sind. Jedem dieser 2D-Raumkoordinatensysteme 12, 13, 14 ist jeweils eine dritte Koordinate z_3,1, z_3,2, z_3,3 in einem globalen 3D-Koordinatensystem x₁, x₂, x₃ zugeordnet. Die Aufnahmevorrichtungen 16, 18 sind mit einer Auswerteeinheit 10 gekoppelt, welche vorzugsweise ein PC ist, aber zumindest einen Mikroprozessor und eine Speichervorrichtung umfasst.
Der KOS-Satz wird im Rahmen einer numerischen Simulation virtuell erzeugt. Hierzu werden an beiden Enden des Erfassungs- oder Dynamikbereichs zwei, beispielsweise durch jeweils drei Punkte bestimmte, End-Ebenen vorgegeben oder bestimmt oder durch Messung festgelegt. Eine Kalibrier-Ebene in dem Erfassungsbereich in einem vorgegebenen Abstand zu den Aufnahmevorrichtungen und ein damit verbundenes 2D-Raumkoordinatensystem werden dann, wie in der 1a gezeigt, mittels Interpolation generiert, wobei die Kalibrier-Ebene zum Beispiel wie auf einem Schienensystem mit drei, entsprechende Punkte der End-Ebenen verbindenden, Schienen virtuell um eine vorbestimmte Strecke verschiebbar ist. Zwischen den bekannten oder gemessenen oder kalibrierten End-Ebenen bei x_3min und bei x_3max wird die Kalibrier-Ebene an einer gewünschten Position x₃ zwischen x_3min und x_3max positioniert, indem ihr ein gewünschter Wert x₃ in dem Intervall [x_3min, x_3max] zugewiesen wird. Gemäß Strahlensatz kann die Kalibrier-Ebene auch dadurch positioniert werden, dass ihr eine bestimmte Schienenlänge entlang einer der drei Schienen zugewiesen wird.
Die 2D-Raumkoordinatensysteme 12, 13, 14 sind werden dadurch generiert, dass ein 2D-Raumkoordinatensystem in einem ersten z_3,1, einem zweiten z_3,2, und einem dritten Abstand z_3,3 von den Aufnahmevorrichtungen 16, 18 aufgestellt und sukzessive von den Aufnahmevorrichtungen 16, 18 aufgenommen werden. Gemäß 2 werden beim Aufnehmen von jeweils einem 2D-Raumkoordinatensystem mit der ersten Aufnahmevorrichtung 16 erste korrespondierende Abbildungen 12', 13', 14' oder korrespondierende Koordinatensysteme 12', 13', 14', und mit der zweiten Aufnahmevorrichtung 18 zweite korrespondierende Abbildungen 12'', 13'', 14'' oder korrespondierende Koordinatensysteme 12'', 13'', 14'' erstellt. Die 2D-Raumkoordinatensysteme 12, 13, 14 sind parallel zu den ersten zwei Koordinaten x₂, x₂ des globalen, vorzugsweise kartesischen 3D-Koordinatensystems. Ein beliebiger Punkt in der ersten Ebene 12 erhält in beiden korrespondierenden Koordinatensystemen 12', 12'' gleiche Koordinaten. Dasselbe gilt für einen beliebigen Punkt in der zweiten Ebene 13 im Zusammenhang mit den korrespondierenden Koordinatensystemen 13', 13'' und für einen beliebigen Punkt in der dritten Ebene 14 im Zusammenhang mit den korrespondierenden Koordinatensystemen 14', 14''.
Die mit der ersten Aufnahmevorrichtung 16 erstellten ersten korrespondierenden Koordinatensysteme 12', 13', 14' und die der zweiten Aufnahmevorrichtung 18 erstellten zweiten korrespondierenden Koordinatensysteme 12'', 13'', 14'', das heißt die ersten 12', 13', 14' und zweiten 12'', 13'', 14'' korrespondierenden Abbildungen der 2D-Raumkoordinatensysteme 12, 13, 14 werden durch die Auswerteeinheit 10 in der Speichervorrichtung gespeichert und stehen für nachfolgende Positionserfassungen zur Verfügung. Zugleich werden auch dritte Positionskoordinaten für jedes korrespondierende Koordinatensystem gespeichert, welche einem Abstand z_3,1, z_3,2, z_3,3 der jeweiligen Ebene 12, 13, 14 von einem Ursprung des 3D-Raumkoordinatensystems entlang einer dritten Koordinate x₃ entsprechen.
In der 3 sind die Funktionselemente der Kameravorrichtung dargestellt, in einer Anordnung, die zur Umsetzung des Verfahrens zur Positionserfassung eines Punktes erforderlich ist. Der Punkt, dessen Position zu bestimmen ist, befindet sich in einem Erfassungsbereich der ersten 16 und der zweiten Aufnahmevorrichtung 18. Drei erste korrespondierende Koordinatensysteme 12', 13', 14', und drei zweite korrespondierende Koordinatensysteme 12'', 13'', 14'', welche in der Speichervorrichtung der Auswerteeinheit 10 gespeichert sind, können durch die Auswerteeinheit 10 abgerufen werden. Die korrespondierenden Koordinatensysteme 12', 13', 14' und 12'', 13'', 14'' (2) sind aus einem Satz von 2D-Raumkoordinatensystemen 12, 13, 14 hervorgegangen (1), welche bei einem zuvor durchgeführten Kalibrieren durch die Aufnahmevorrichtungen 16, 18 aufgenommen wurden.
Zur Ermittlung der Position des Punktes wird ein Iterationsverfahren durchlaufen. In einer ersten Schleife der Iteration wir ein erstes Paar korrespondierender Koordinatensysteme 12', 12'' durch die Auswerteeinheit 10 aus dem Speicher hervorgeholt und den mit den Aufnahmevorrichtung 16, 18 gemachten Aufnahmen des Punktes überlagert. Das heißt: Die erste, mit der ersten Aufnahmevorrichtung 16 erstellte, Aufnahme des Punktes wird mit der ersten korrespondierenden Abbildung 12' des ersten Koordinatensystems 12 überlagert; Die zweite, mit der zweiten Aufnahmevorrichtung 18 erstellte, Aufnahme des Punktes wird mit der zweiten korrespondierenden Abbildung 12'' des ersten Koordinatensystems 12 überlagert. Die Aufnahmen des Punktes ergeben in den korrespondierenden Koordinatensystemen 12', 12'' die Punkte 121, 122. Die zwei Sätze von 2D-Positionskoordinaten der Punkte 121, 122 werden nun miteinander verglichen: Stimmen die zwei Sätze von 2D-Positionskoordinaten des Punktes in den zwei korrespondierenden Abbildungen 12', 12'' des 2D-Koordinatensystems 12 miteinander überein? Das Ergebnis der Vergleichs lautet: Nichtübereinstimmung der Punkte 121, 122 oder, mit anderen Worten, die Punkte 121, 122 sind weiter voneinander beabstandet als ein vorgegebener Konvergenzschwellwert.
Aufgrund der Nichtübereinstimmung wird ein weiteres Paar korrespondierender Koordinatensysteme 13', 13'' ausgewählt, das heißt durch die Auswerteeinheit 10 aus dem Speicher hervorgeholt, und den mit den Aufnahmevorrichtung 16, 18 gemachten Aufnahmen des Punktes überlagert. Die Aufnahmen des Punktes ergeben in den korrespondierenden Koordinatensystemen 13', 13'' die Punkte 131, 132. Die zwei Sätze von 2D-Positionskoordinaten der Punkte 131, 132 werden mm miteinander verglichen. Diesmal lautet das Ergebnis des Vergleichs: Übereinstimmung der Punkte 131, 132 oder, mit anderen Worten, die Punkte 131, 132 sind weniger voneinander beabstandet als der Konvergenzschwellwert.
Das Ergebnis des Vergleichs der zwei Sätze von 2D-Positionskoordinaten der Punkte 131, 132 ist zugleich auch Abbruchkriterium für die Iteration und für das Verfahren. Nachdem das Ergebnis „Übereinstimmung” lautet, werden die 2D-Koordinaten x₁, x₂ des Punktes 131 oder 132 in dem ersten oder zweiten korrespondierenden Koordinatensystem 12', 12'', sowie die dritte, dem Punkt zugeordnete Koordinate x_3,2, gespeichert und das Verfahren wird beendet.
Wie würde das Verfahren weitergehen, wenn es nicht abgebrochen worden wäre, beispielsweise weil der Konvergenzschwellwert zu niedrig festgesetzt wurde und der Abstand zwischen den Punkten 131, 132 größer als der Konvergenzschwellwert ist? Die Aufnahmen des Punktes überlagert mit den korrespondierenden Koordinatensysteme 14', 14''beantworten diese Frage: Die Aufnahmen des Punktes ergeben in den korrespondierenden dritten Koordinatensystemen 14', 14'' die Punkte 141, 142, welche voneinander weiter als der Konvergenzschwellwert beabstandet sind. Das heißt, die Abstandsfunktion der aus den Aufnahmen des Punktes, dessen Position zu erfassen ist, mit den Aufnahmevorrichtungen 16, 18 resultierenden beiden Punkte in korrespondierenden Koordinatensystemen in Abhängigkeit von der dritten Koordinate x₃ hat ein eindeutiges Minimum.
In der 4 sind die Funktionselemente der Erfindung dargestellt, in einer Anordnung, die zur Umsetzung des Konzepts einer virtuellen Computermaus erforderlich ist. Zwei optische Aufnahmevorrichtungen 16, 18 sind, links und rechts, in einem oberen Bereich eines Bildschirms 20 eines Computers 10 angeordnet. Vor dem Bildschirm 20 befindet sich ein virtuelles Mauspad 22, welches beispielsweise eine rechteckige Kunststoff-Matte ist. Der Computer 10 ist Arbeitsmittel einer Person, welche die virtuelle Maus bedient, und zugleich Auswerteeinheit 10 für das Kamerasystem.
Zur Bedienung der virtuellen Maus bringt die Bedienperson ihren Zeigefinger in den Bereich des Mauspad 22, wobei mit dem Zeigefinger auch ein das einfallende Licht reflektierender Fingernagel 11 in den Bereich des Mauspad 22 eingebracht wird. Das einfallende Licht kann das Umgebungslicht sein. Die Aufnahmevorrichtungen 16, 18 nehmen dabei sukzessive, kontinuierlich und zeitdiskret Aufnahmen des Fingers einschließlich Fingernagel 11 auf, woraus die Auswerteeinheit 10 eine charakteristische Bewegungszeitreihe ermittelt. Wird der Finger auf das Mauspad 22 aufgesetzt und kurz angehalten, so erkennt die Auswerteeinheit 10 ein Bewegungsmuster des Fingers, welches zuvor im Rahmen einer Definitionsphase definiert wurde, mit einer bestimmten Cursoroperation verknüpft ist, beispielsweise einer Startbewegung eines Cursors 19 auf dem Bildschirm 20. Ab diesem Zeitpunkt wird die Position des Fingernagels 11 mit der Position des Cursors 19 auf dem Bildschirm 20 korreliert. Das heißt, Bewegungen des Zeigefingers 11 in geringem Abstand über dem Mauspad 22 führen zu entsprechenden Bewegungen des Cursors 19 auf dem Bildschirm 20.
Wenn die Bedienperson den Cursor 19 an eine gewünschte Position des Bildschirms 20 oder einer auf dem Bildschirm 20 dargestellten graphischen Oberfläche gebracht hat, bringt sie den Finger zum Stillstand oder bringt den Finger aus der Mauspad-Umgebung heraus. Ab diesem Zeitpunkt wird die Position des Cursors 14 auf dem Bildschirm 20 von der Position des Fingernagels 11 entkoppelt. Sofern ein „Hausklick” gewünscht wird, bewegt die Bedienperson den Finger kurz nach oben und anschließend wieder zurück. Diese Bewegung wurde zuvor im Rahmen der Definitionsphase als ein „Hausklick”-Bewegungsmuster definiert und wird jetzt von der Auswerteeinheit 10 erkannt und der entsprechenden Cursoroperation zugeordnet, wobei die Cursoroperation anschließend von dem PC-System ausgeführt wird.
Neben den dargelegten Bewegungsmustern sind auch andere Bewegungsmuster, welche vorab im Rahmen der Definitionsphase definiert und mittels Analyse der charakteristischen Bewegungszeitreihe des Fingernagels 11 erkannt werden können, zur Steuerung der virtuellen Computermaus einsetzbar. Hierzu können die gängigen Techniken der Mustererkennung, beispielsweise künstliche Intelligenz Verfahren, verwendet werden.
Bezugszeichenliste

10: Auswerteeinheit oder PC-System
11: Punkt, dessen Position zu erfassen ist, oder Finger einer Bedienperson
12: erstes 2D-Raumkoordinatensystem oder dazugehörende Ebene
12': erste korrespondierende Abbildung des ersten Raumkoordinatensystems
12'': zweite korrespondierende Abbildung des ersten Raumkoordinatensystems
121: Aufnahme des Punktes mit der ersten Aufnahmevorrichtung vor der ersten korrespondierenden Abbildung des ersten Raumkoordinatensystems
122: Aufnahme des Punktes mit der zweiten Aufnahmevorrichtung vor der zweiten korrespondierenden Abbildung des ersten Raumkoordinatensystems
13: zweites 2D-Raumkoordinatensystem oder dazugehörende Ebene
13': erste korrespondierende Abbildung des zweiten Raumkoordinatensystems
13'': zweite korrespondierende Abbildung des zweiten Raumkoordinatensystems
131: Aufnahme des Punktes mit der ersten Aufnahmevorrichtung vor der ersten korrespondierenden Abbildung des zweiten Raumkoordinatensystems
132: Aufnahme des Punktes mit der zweiten Aufnahmevorrichtung vor der zweiten korrespondierenden Abbildung des zweiten Raumkoordinatensystems
14: drittes 2D-Raumkoordinatensystem oder dazugehörende Ebene
14': erste korrespondierende Abbildung des dritten Raumkoordinatensystems
14'': zweite korrespondierende Abbildung des dritten Raumkoordinatensystems
141: Aufnahme des Punktes mit der ersten Aufnahmevorrichtung vor der ersten korrespondierenden Abbildung des dritten Raumkoordinatensystems
142: Aufnahme des Punktes mit der zweiten Aufnahmevorrichtung vor der zweiten korrespondierenden Abbildung des dritten Raumkoordinatensystems
16: erste Aufnahmevorrichtung
18: zweite Aufnahmevorrichtung
19: Cursor
20: Bildschirm
22: virtuelles Mauspad
x1: erste Koordinate des kartesischen 3D-Raumkoordinatensystems
x2: zweite Koordinate des kartesischen 3D-Raumkoordinatensystems
x3: dritte Koordinate des kartesischen 3D-Raumkoordinatensystems
z3,1: dritte Koordinate, welche dem ersten 2D-Raumkoordinatensystem zugeordnet ist
z3,2: dritte Koordinate, welche dem zweiten 2D-Raumkoordinatensystem zugeordnet ist
z3,3: dritte Koordinate, welche dem dritten 2D-Raumkoordinatensystem zugeordnet ist

Claims

Verfahren zum Erzeugen von Kalibrierdaten für ein Kamerasystem mit mindestens zwei Aufnahmevorrichtungen (16, 18), mit den Schritten: a) Vorgeben eines Satzes von 2D-Raumkoordinatensystemen (12, 13, 14), wobei die einzelnen 2D-Raumkoordinatensysteme (12, 13, 14) voneinander beabstandet sind; b) Erstellen einer Abbildung (12', 13', 14') der einzelnen 2D-Raumkoordinatensysteme (12, 13, 14) durch die erste Aufnahmevorrichtung (16); c) Erstellen einer korrespondierenden Abbildung (12'', 13'', 14'') der 2D-Raumkoordinatensysteme (12, 13, 14) durch die zweite Aufnahmevorrichtung (18).
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei jedes 2D-Raumkoordinatensystem (12, 13, 14) eine Ebene aufspannt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die 2D-Raumkoordinatensysteme (12, 13, 14) parallel zueinander angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die 2D-Raumkoordinatensysteme (12, 13, 14) voneinander äquidistant beabstandet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedem 2D-Raumkoordinatensystem (12, 13, 14) jeweils eine dritte Koordinate (x_3,1, x_3,2, x_3,3) in einem 3D-Raumkoordinatensystem zugeordnet wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die korrespondierenden Abbildungen (12', 12''; 13', 13''; 14', 14'') und die zugeordneten dritten Koordinaten (x_3,1; x_3,2; x_3,3) der 2D-Raumkoordinatensysteme (12; 13; 14) gespeichert werden.
Verfahren zur Positionserfassung mindestens eines Punktes (11) unter Verwendung von mindestens zwei 2D-Aufnahmen des Punktes (11), wobei jeweils eine Aufnahme des Punktes (11) mit einer ersten Aufnahmevorrichtung (16) und mit einer zweiten Aufnahmevorrichtung (18) aufgenommen wird, mit den Schritten: d) Bereitstellen korrespondierender Abbildungen (12', 12''; 13', 13''; 14', 14'') eines Satzes von 2D-Raumkoordinatensystemen (12; 13; 14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; e) Auswählen korrespondierender Abbildungen (12', 12'') eines 2D-Raumkoordinatensystems (12) aus dem Satz von 2D-Raumkoordinatensystemen (12; 13; 14) für jede Aufnahmevorrichtung (16, 18); f) Ermitteln der 2D-Positionskoordinaten (x₁, x₂) des Punktes (11) in jeder der zwei korrespondierenden Abbildungen (12', 12'') des 2D-Raumkoordinatensystems (12); g1) Bei Übereinstimmung der in Schritt f) ermittelten 2D-Positionskoordinaten (x₁, x₂) des Punktes (11) in den zwei korrespondierenden Abbildungen (12', 12'') des 2D-Koordinatensystems (12): Ermitteln der dritten Positionskoordinate (x₃) des Punktes (11), wobei die Position des Punktes (11) durch die 2D-Positionskoordinaten (x₁, x₂) und die dritte Positionskoordinate (x₃) bestimmt ist; g2) Bei fehlender Übereinstimmung der in Schritt f) ermittelten 2D-Positionskoordinaten (x₁, x₂) des Punktes (11) in den zwei korrespondierenden Abbildungen (12', 12'') des 2D-Koordinatensystems (12): Auswählen korrespondierender Abbildungen (13', 13'') eines anderen 2D-Raumkoordinatensystems (13) und erneutes Ausführen des Verfahrens zur Positionsbestimmung gemäß Schritt f).
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei eine 3D-Position des Punktes (11), umfassend die 2D-Positionskoordinaten (x₁, x₂) und die dritte Positionskoordinate (x₃), sowie eine Zeit gemäß einem der Position zugeordneten Zeitstempel, erfasst werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden zwei Ansprüche, wobei aus einer Mehrzahl von Positionen und dazugehörenden Zeiten ein Satz charakteristischer Bewegungszeitreihen des Punktes (11), welcher eine Positionszeitreihe, und/oder eine Geschwindigkeitszeitreihe, und/oder eine Beschleunigungszeitreihe umfasst, ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden drei Ansprüche, wobei der Punkt (11) ein Teil eines sich bewegenden Objekts, beispielsweise eines Balls auf einem Spielfeld, ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der Punkt Teil einer Hand, vorzugsweise eines Fingers oder Fingernagels (11), einer Bedienperson ist, welche z. B. eine virtuelle Computertastatur zum Auswählen eines Zeichens aus einem Zeichensatz der virtuellen Computertatstatur bedient, mit folgenden Schritten: – Auswählen eines ersten Zeichens aus dem Zeichensatz der virtuellen Computertatstatur; – Definieren eines Bewegungsmusters des Fingers (11) zum Auswählen des ersten Zeichens, als ein Muster der charakteristischen Bewegungszeitreihen des Fingers (11), wobei das Bewegungsmuster des Fingers (11) zum Auswählen des ersten Zeichens dem ersten Zeichen zugeordnet wird; – Speichern der Zuordnungsvorschrift [erstes Zeichen, Bewegungsmuster des Fingers (11) zum Auswählen des ersten Zeichens]; – Wiederholen der vorherigen Schritte für ein zweites Zeichen sowie für alle weiteren Zeichen aus dem Zeichensatz der virtuellen Computertastatur.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei ein Zeichen aus dem Zeichensatz der virtuellen Computertatstatur, abhängig von einer Bewegung der Hand der Bedienperson, erkannt und ausgewählt wird, mit folgenden Schritten: – Ermitteln eines Satzes charakteristischer Bewegungszeitreihen des Fingers (11); – Erkennen eines Bewegungsmusters des Fingers (11) zum Auswählen eines Zeichens in dem Satz charakteristischer Bewegungszeitreihen des Fingers (11); – Auswählen eines Zeichens aus dem Zeichensatz der virtuellen Computertatstatur entsprechend dem erkannten Bewegungsmuster des Fingers (11) mittels der gespeicherten Zuordnungsvorschrift [Bewegungsmuster des Fingers (11) zum Auswählen des Zeichens, Zeichen].
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der Punkt Teil einer Hand, vorzugsweise eines Fingers oder Fingernagels (11), einer Bedienperson ist, welche z. B. eine virtuelle Computermaus zum Auswählen einer Cursoroperation aus einem Satz von Cursoroperationen, welche durch die virtuelle Computermaus ausgelöst werden können, bedient, mit folgenden Schritten: – Auswählen einer ersten Cursoroperation, beispielsweise einer Startbewegung des Cursors, aus dem Satz von Cursoroperationen, welche von der virtuellen Computermaus ausgelöst werden können; – Definieren eines Bewegungsmusters des Fingers (11), zum Auswählen der ersten Cursoroperation, als ein Muster der charakteristischen Bewegungszeitreihen des Fingers (11), wobei das Bewegungsmuster des Fingers (11) zum Auswählen der ersten Cursoroperation der ersten Cursoroperation zugeordnet wird; – Speichern der Zuordnungsvorschrift [erste Cursoroperation, Bewegungsmuster des Fingers (11) zum Auswählen der ersten Cursoroperation]; – Wiederholen der vorherigen Schritte für eine zweite Cursoroperation, beispielsweise für eine Stop-Bewegung des Cursors oder einen Mausklick, sowie für alle weiteren Cursoroperationen aus dem Satz von Cursoroperationen, welche von der virtuellen Computermaus ausgelöst werden können.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei eine Cursoroperation aus dem Satz von Cursoroperationen, welche von der virtuellen Computermaus ausgelöst werden können, abhängig von einer Bewegung der Hand der Bedienperson, erkannt und ausgewählt wird, mit folgenden Schritten: – Ermitteln eines Satzes charakteristischer Bewegungszeitreihen des Fingers (11); – Erkennen eines Bewegungsmusters des Fingers (11) zum Auswählen einer Cursoroperation in dem Satz charakteristischer Bewegungszeitreihen des Fingers (11); – Auswählen der Cursoroperation aus dem Satz von Cursoroperationen, welche von der virtuellen Computermaus ausgelöst werden können, entsprechend dem erkannten Bewegungsmuster des Fingers (11) mittels der gespeicherten Zuordnungsvorschrift [Bewegungsmuster des Fingers (11) zum Auswählen der Cursoroperation, Cursoroperation].
Kamerasystem zur Positionserfassung mindestens eines Punktes (11), wobei das Kamerasystem umfasst: – mindestens zwei Aufnahmevorrichtungen (16, 18) zum Aufnehmen von 2D-Aufnahmen des Punktes (11), – eine Speichervorrichtung zum Speichern korrespondierender Abbildungen (12', 12''; 13', 13''; 14', 14'') von 2D-Raumkoordinatensystemen (12; 13; 14), sowie den 2D-Raumkoordinatensystemen (12; 13; 14) zugeordnete dritte Koordinaten (x_3,1; x_3;2; x_3;3), welche mittels eines Verfahrens zum Erzeugen von Kalibrierdaten für das Kamerasystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6 erzeugt wurden, und – eine mit den Aufnahmevorrichtungen (16, 18) und mit der Speichervorrichtung gekoppelte Auswerteeinheit (10) zur Positionserfassung des Punktes (11) nach einem der Ansprüche 7 bis 14 mittels der korrespondierenden Abbildungen (12', 12''; 13', 13''; 14', 14'') von 2D-Raumkoordinatensystemen (12; 13; 14) und der 2D-Aufnahmen des Punktes (11).
Kamerasystem nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Aufnahmevorrichtungen (16, 18) an einem Bildschirm (20), vorzugsweise in einem Bereich seitlich und/oder oberhalb des Bildschirms, eines PC-Systems, beispielsweise eines Desktops oder Laptops, angeordnet sind.