DE102013106345A1 - Object detection system and examination device for visual disturbances - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Objekterfassungssystem (1) zum Erfassen der Position und/oder der Orientierung eines Objektes (2) in einem Raum (3) mit einer Rechnereinheit, einer mit dieser zur Übertragung von Bilddaten verbundenen Kamera (4) und zumindest einem von der Kamera (4) beabstandeten Referenzelement (5), wobei die Rechnereinheit derart ausgebildet ist, dass sie das Referenzelement (5) automatisch im Kamerabild (8) der Kamera (4) erkennt und mittels eines Algorithmus die Position des Objektes (2) in einem Raumkoordinatensystem berechnet. Erfindungsgemäß ist die Kamera (4) objektfest und das Referenzelement (5) raumfest ausgebildet. Ferner betrifft die Erfindung eine Untersuchungsanordung für Sehstörungen mit einem derartigen Objekterfassungssystem.The invention relates to an object detection system (1) for detecting the position and / or the orientation of an object (2) in a room (3) with a computer unit, a camera (4) connected to this for the transmission of image data and at least one from the camera (4) spaced reference element (5), the computer unit being designed such that it automatically recognizes the reference element (5) in the camera image (8) of the camera (4) and uses an algorithm to calculate the position of the object (2) in a spatial coordinate system . According to the invention, the camera (4) is fixed to the object and the reference element (5) is fixed in space. The invention further relates to an examination arrangement for visual disorders with such an object detection system.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Objekterfassungssystem zum Erfassen der Position und/oder der Orientierung eines Objektes in einem Raum mit einer Rechnereinheit, einer mit dieser zur Übertragung von Bilddaten verbundenen Kamera und zumindest einem von der Kamera beabstandeten Referenzelement, wobei die Rechnereinheit derart ausgebildet ist, dass sie das Referenzelement automatisch im Kamerabild der Kamera erkennt und mittels eines Algorithmus die Position und/oder Orientierung des Objektes in einem Raumkoordinatensystem berechnet. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Untersuchungsanordnung für Sehstörungen, insbesondere Strabismus, mit einer Tangententafel und einem Mittel zur Messung und automatischen Auswertung der Augenposition und/oder -orientierung gegenüber der Tangententafel. The present invention relates to an object detection system for detecting the position and / or orientation of an object in a room with a computer unit, a camera connected thereto for transmitting image data and at least one reference element spaced from the camera, wherein the computer unit is designed such that it automatically recognizes the reference element in the camera image of the camera and calculates the position and / or orientation of the object in a spatial coordinate system by means of an algorithm. Furthermore, the present invention relates to an examination arrangement for visual disturbances, in particular strabismus, with a tangent board and a means for measuring and automatic evaluation of the eye position and / or orientation relative to the tangent board.
Die automatische Erkennung von Objekten in einem definierten Raum stellt insbesondere bei Virtual Reality- und Augmented Reality-Anwendungen eine wichtige Voraussetzung zur realitätsbezogenen Informationsdarstellung da. Hierbei wird über ein Objekterfassungssystem, das in der Fachsprache als Tracking-System bezeichnet wird, die Position und/oder die Orientierung des Objektes im Raum automatisch ermittelt. Hierbei kann die Bewegung oder aber auch nur die statische Position und Orientierung des Objektes, insbesondere des Kopfes oder anderer Körperteile, wie beispielsweise der Hand, automatisch vom Tracking-System erfasst werden. Aktuelle Tracking-Systeme haben eine Reihe von Nachteilen. So sind diese häufig nicht präzise genug, ermöglichen nur einen geringen Interaktionsradius und/oder sind in der Anschaffung sehr teuer, so dass ihnen der Masseneinsatz verwehrt ist. The automatic detection of objects in a defined space is an important prerequisite for reality-based information presentation, especially in the case of virtual reality and augmented reality applications. In this case, the position and / or the orientation of the object in space is automatically determined via an object detection system, which is referred to in technical jargon as a tracking system. In this case, the movement or even only the static position and orientation of the object, in particular the head or other body parts, such as the hand, are automatically detected by the tracking system. Current tracking systems have a number of disadvantages. Thus, these are often not precise enough, allow only a small radius of interaction and / or are very expensive to purchase, so they are denied the mass use.
Ein Objekterfassungssystem zum Erfassen der Position und Orientierung eines Menschen in einem Raum ist beispielsweise aus der
Aus der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Objekterfassungssystem zum Erfassen der Position und/oder der Orientierung eines Objektes in einem Raum zu schaffen, mittels dem die oben genannten Nachteile beseitigt werden können. Des Weiteren besteht die Aufgabe darin, eine Untersuchungsanordnung für Sehstörungen, insbesondere Strabismus, mit einem solchen Objekterfassungssystem zur Beseitigung der vorstehend genannten Nachteile zu schaffen. The object of the present invention is therefore to provide an object detection system for detecting the position and / or orientation of an object in a room, by means of which the above-mentioned disadvantages can be eliminated. Furthermore, the object is to provide an examination arrangement for visual disturbances, in particular strabismus, with such an object detection system for eliminating the aforementioned disadvantages.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Objekterfassungssystem und einer Untersuchungsanordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. The object is achieved by an object detection system and an examination arrangement having the features of the independent patent claims.
Erfindungsgemäß weist das Objekterfassungssystem zum Erfassen der Position und/oder der Orientierung eines Objektes in einem Raum eine Rechnereinheit, eine mit dieser zur Übertragung von Bilddaten verbundene Kamera und zumindest ein von der Kamera beabstandetes Referenzelement auf. Das zu erfassende Objekt ist in diesem Zusammenhang vorzugsweise der Kopf und/oder die Hand eines Menschen, die bei gängigen Objekterfassungsanwendungen eine wesentliche Rolle spielen. Selbstverständlich ist die Erfindung jedoch nicht auf diese Objekte beschränkt. So eignet sich das vorliegende Objekterfassungssystem für jegliche Objektart, insbesondere zur Erfassung zusätzlicher oder anderer Körperteile, des gesamten Körpers oder aber auch von ferngesteuerten Objekten, wie beispielsweise flug-, schwimm-, und/oder fahrfähigen Modellvehikeln. Die Kamera ist vorzugsweise kabellos, insbesondere über Funk oder Bluetooth, und/oder kabel- bzw. leitergebunden mit der Rechnereinheit verbunden. Die Rechnereinheit kann von der Kamera beabstandet am Objekt anbringbar sein und sich somit mit diesem mitbewegen. Alternativ kann diese aber auch statisch an einem festen Ort, insbesondere im Raum, angeordnet sein. Um die Objekterfassungsgeschwindigkeit zu erhöhen ist es ferner vorteilhaft, wenn der Abstand zwischen der Kamera und der Rechnereinheit möglichst gering gehalten wird. Hierfür ist es vorteilhaft, wenn die Kamera und Rechnereinheit als ein Bauelement ausgebildet sind, insbesondere eine als Chip ausgebildete Einheit bilden. According to the invention, the object detection system for detecting the position and / or the orientation of an object in a room has a computer unit, a camera connected to it for the transmission of image data, and at least one reference element spaced from the camera. The object to be detected in this context is preferably the head and / or the hand of a human being, which play an essential role in common object detection applications. Of course, the invention is not on limited to these objects. Thus, the present object detection system is suitable for any type of object, in particular for detecting additional or other parts of the body, of the entire body or else also of remotely controlled objects, such as, for example, flying, floating, and / or mobile model vehicles. The camera is preferably wireless, in particular via radio or Bluetooth, and / or wired or wire connected to the computer unit. The computer unit can be attached to the object at a distance from the camera and thus move with it. Alternatively, this can also be arranged statically at a fixed location, in particular in the room. In order to increase the object detection speed, it is also advantageous if the distance between the camera and the computer unit is kept as low as possible. For this purpose, it is advantageous if the camera and computer unit are designed as a component, in particular form a unit formed as a chip.
Die Rechnereinheit ist derart ausgebildet, dass sie das Referenzelement automatisch im Kamerabild der Kamera erkennt und mittels eines Algorithmus die Position und/oder die Orientierung des Objektes in einem Raumkoordinatensystem berechnet. Erfindungsgemäß ist die Kamera objektfest und das Referenzelement raumfest ausgebildet. Infolgedessen ist nicht, wie bei dem aus der
Ein wesentlicher Nachteil bestehender Systeme ist deren Positionsbestimmungsungenauigkeit, die mit größerer Entfernung zwischen Referenzelement und Kamera zunimmt. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass das Grundprinzip derartiger Objekterfassungssysteme auf der Erkennung und Auswertung der perspektivischen Verzerrung der Referenzelemente, insbesondere der eckigen Marker, im Kamerabild basiert. Diese perspektivische Verzerrung ist von der Kamera und/oder der Rechnereinheit auf größere Entfernungen nicht mehr zuverlässig erfassbar, wodurch sich die Genauigkeit des Objekterfassungssystems stark verschlechtert. Diese Probleme können gelöst werden, wenn die Rechnereinheit erfindungsgemäß zusätzlich oder alternativ zur perspektivischen Verzerrung mittels zumindest zweier sich schneidender Fasskreisbogens die Position des Objektes im Raumkoordinatensystem berechnet. A major disadvantage of existing systems is their positional inaccuracies, which increases with greater distance between the reference element and the camera. This is due in particular to the fact that the basic principle of such object detection systems is based on the recognition and evaluation of the perspective distortion of the reference elements, in particular the angular markers, in the camera image. This perspective distortion can no longer reliably be detected by the camera and / or the computer unit over greater distances, as a result of which the accuracy of the object detection system greatly deteriorates. These problems can be solved if the computer unit calculates the position of the object in the spatial coordinate system according to the invention additionally or alternatively to the perspective distortion by means of at least two intersecting barrel circle arcs.
Vorzugsweise berechnet die Rechnereinheit hierbei die Schnittpunkte zumindest zweier, insbesondere zumindest dreier, sich schneidender Fasskreisbögen. Diese zumindest zwei Fasskreisbögen können vorzugsweise in derselben Raumebene oder in unterschiedlichen, zueinander geneigten Raumebenen liegen. In this case, the computer unit preferably calculates the points of intersection of at least two, in particular at least three, barrel arcs that intersect. These at least two barrel arcs may preferably lie in the same spatial plane or in different, mutually inclined spatial planes.
Mit dem geometrischen Begriff „Fasskreisbogen“ wird ein Kreisbogen über eine Strecke bezeichnet, von dem aus diese Strecke immer unter demselben Winkel erscheint. Die Strecke bildet demnach eine Sehne des zu einem geschlossenen Kreis vervollständigten Fasskreisbogens. Der Winkel, unter dem diese Sehne bzw. Strecke von allen Punkten des Fasskreisbogens aus gesehen wird, wird als Umfangswinkel bezeichnet. Ein Spezialfall des Fasskreisbogens stellt der Thales-Halbkreis dar, bei dem der Umfangswinkel 90 ° beträgt und die Sehne den Durchmesser des vervollständigten Kreises bildet. Infolgedessen befindet sich bei der Positionsermittlung eines Objektes mittels zumindest eines Fasskreisbogens das zu erfassende Objekt bzw. die an diesem angeordnete Kamera an einem der den Fasskreisbogen bildenden Punkte, von denen aus eine von einem ersten bis zu einem zweiten Referenzelement erstreckende Strecke unter einem Sehwinkel der Kamera erfasst wird. Vorzugsweise befindet sich das Objekt somit bei der Verwendung zumindest eines Fasskreisbogens auf dem Fasskreisbogen, so dass die Möglichkeit der in Frage kommenden Positionen im Raum eingeschränkt sind. The geometric term "barrel arc" refers to a circular arc over a stretch from which this stretch always appears at the same angle. The line thus forms a chord of the barrel circle arc completed to a closed circle. The angle at which this string is viewed from all points of the barrel arc is called the circumference angle. A special case of the barrel arc is the Thales semicircle, in which the circumferential angle is 90 ° and the chord forms the diameter of the completed circle. As a result, when determining the position of an object by means of at least one barrel arc, the object to be detected or the camera arranged thereon is located at one of the points forming the barrel arc, from which a distance extending from a first to a second reference element is below a viewing angle of the camera is detected. Preferably, the object is thus on the use of at least one barrel arc on the barrel arc, so that the possibility of the positions in question are limited in space.
Vorteilhaft ist es, wenn das Objekterfassungssystem mehrere raumfeste und zueinander, insbesondere in x-, y- und/oder z-Richtung des Raumkoordinatensystems, beabstandete Referenzelemente umfasst. Hierdurch kann ein besonders großer Raum, in dem sich das Objekt frei bewegen kann, ausgebildet werden. Des Weiteren kann die Erkennungsgenauigkeit des Objekterfassungssystems verbessert werden. It is advantageous if the object detection system comprises a plurality of spatially fixed reference elements spaced apart from one another, in particular in the x, y and / or z direction of the spatial coordinate system. This allows a particularly large space in which the object can move freely, are formed. Furthermore, the recognition accuracy of the object detection system can be improved.
Zum Erfassen der Position des Objektes im Raum ist es vorteilhaft, wenn die Position zumindest eines der Referenzelemente im Raumkoordinatensystem und/oder dessen Realabstand zu zumindest einem anderen Referenzelement in einem Speicher der Rechnereinheit abgespeichert ist. Zusätzlich oder alternativ ist es ebenso vorteilhaft, wenn die Position zumindest eines dieser Referenzelemente im Raumkoordinatensystem und/oder dessen Realabstand zu einem oder mehreren anderen Referenzelementen, insbesondere zu einem benachbarten, von der Rechnereinheit selbstständig mess- und/oder berechenbar ist. Vorteilhafterweise können die Referenzelemente somit sehr schnell und aufwandsarm, d.h. ohne dass der Benutzer auf eine exakte Positionierung der Referenzelemente im Raum achten muss, im Raum angebracht werden. For detecting the position of the object in space, it is advantageous if the position of at least one of the reference elements in the spatial coordinate system and / or its real distance to at least one other reference element is stored in a memory of the computer unit. Additionally or alternatively, it is also advantageous if the position of at least one of these reference elements in the spatial coordinate system and / or its real distance to one or more other reference elements, in particular to an adjacent, independently by the computer unit can be measured and / or calculated. Advantageously, the reference elements can thus very quickly and with little effort, ie without the user having to pay attention to an exact positioning of the reference elements in the room, they are placed in the room.
Um einen Bezug zwischen der realen Umgebung und der virtuellen Umgebung der Rechnereinheit herstellen zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Rechnereinheit derart ausgebildet ist, dass sie mittels einer Vielzahl von Referenzelementen ein virtuelles, insbesondere dreidimensionales Raummodell erstellt und/oder im Speicher abspeichert. In order to establish a relationship between the real environment and the virtual environment of the computer unit, it is advantageous if the computer unit is designed such that it creates a virtual, in particular three-dimensional space model by means of a plurality of reference elements and / or stores in the memory.
Die Rechnereinheit berechnet die jeweiligen Fasskreisbogen anhand von bekannten Eingangsdaten, nämlich anhand des bekannten Realabstandes eines ersten und eines zweiten Referenzelementes und/oder eines Sehwinkels, unter dem diese Strecke vom Objekt gesehen wird. Hierbei bildet der Realabstand der beiden sich auf dem Fasskreisbogen befindenden Referenzelemente eine Sehne des Fasskreisbogens bzw. des Fasskreises. Der Sehwinkel, unter dem diese Sehne aus der zu berechnenden Objektposition gesehen wird, bildet den Umfangswinkel des Fasskreisbogens. Hierdurch ist vorteilhafterweise die Position des zu erfassenden Objektes auf die den Fasskreisbogen bildenden Positionen reduziert. The computer unit calculates the respective barrel arc on the basis of known input data, namely on the basis of the known real distance of a first and a second reference element and / or a visual angle, under which this distance is seen from the object. In this case, the real distance of the two reference elements located on the barrel arc forms a chord of the barrel arc or of the barrel circle. The visual angle under which this tendon is seen from the object position to be calculated forms the circumferential angle of the barrel arc. As a result, the position of the object to be detected is advantageously reduced to the positions forming the barrel arc.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Rechnereinheit derart ausgebildet, dass sie den Sehwinkel selbstständig zu berechnen vermag. Vorteilhafterweise ermittelt die Rechnereinheit hierfür den kürzesten, insbesondere den horizontalen und/oder vertikalen, Pixelabstand zwischen den beiden Referenzelementen aus dem Kamerabild und/oder berechnet den Sehwinkel mittels des der Rechnereinheit bekannten, vorzugsweise im Speicher hinterlegten, Kameraobjektivwinkels. Der Sehwinkel, unter dem die Sehne aus der zu berechnenden Objektposition gesehen wird, kann somit sehr schnell und einfach aus dem gemessenen Pixelabstand und dem der Rechnereinheit bekannten Kameraobjektivwinkel bestimmt werden. In a further advantageous embodiment of the invention, the computer unit is designed such that it is able to calculate the visual angle independently. Advantageously, the computer unit determines the shortest, in particular the horizontal and / or vertical, pixel spacing between the two reference elements from the camera image and / or calculates the visual angle by means of the camera lens angle known to the computer unit, preferably stored in memory. The viewing angle at which the tendon is seen from the object position to be calculated can thus be determined very quickly and simply from the measured pixel pitch and the camera lens angle known to the computer unit.
Zur Positionsbestimmung im dreidimensionalen Raum ist es vorteilhaft, wenn zumindest zwei Fasskreisbögen in unterschiedlichen und zueinander geneigten Raumebenen des Raumkoordinatensystems liegen. For position determination in three-dimensional space, it is advantageous if at least two barrel arcs lie in different and mutually inclined spatial planes of the spatial coordinate system.
Diesbezüglich ist es ferner vorteilhaft, wenn die Rechnereinheit zumindest zwei sich schneidende Tori, insbesondere Spindeltori, ausbildet, die jeweils aus einer Vielzahl von Fasskreisbögen gebildet sind. Ein Torus ist ein geometrischer Körper, der dadurch gebildet wird, dass ein Kreis um eine Drehachse, die mit dem Kreis in derselben Ebene liegt, rotiert wird. Der Spindeltorus stellt einen Sonderfall dar. Hierbei liegt die Drehachse innerhalb des zu rotierenden Kreises. Die Drehachse stellt demnach eine Sehne des Kreises dar. Zur Ausbildung des Torus bildet somit der Fasskreis bzw. der Fasskreisbogen den zu rotierenden Kreis bzw. Kreisbogen und die Sehne des Fasskreises bzw. des Fasskreisbogens die Rotationsachse. Die Oberfläche des Torus, insbesondere Spindeltorus, bildet somit die Summe aller Punkte von denen aus die Sehne bzw. der Realabstand zwischen den beiden Referenzelementen im dreidimensionalen Raum unter demselben Sehwinkel erscheint. In this regard, it is also advantageous if the computer unit forms at least two intersecting tori, in particular spindle tori, which are each formed from a plurality of barrel arcs. A torus is a geometric body that is formed by rotating a circle around a rotation axis that is in the same plane as the circle. The spindle torus represents a special case. In this case, the axis of rotation lies within the circle to be rotated. The axis of rotation thus represents a chord of the circle. Thus, to form the torus, the barrel circle or the barrel arc forms the circle or arc to be rotated and the chord of the barrel circle or the barrel arc the axis of rotation. The surface of the torus, in particular spindle torus, thus forms the sum of all points from which the chord or the real distance between the two reference elements in three-dimensional space appears at the same visual angle.
Vorteilhafterweise sind somit die den jeweiligen Spindeltorus bildenden Fasskreisbögen mittels der beiden gleichen Referenzelemente gebildet, so dass alle diese – den jeweiligen Torus bildenden – Fasskreisbögen den gleichen Realabstand und gleichen Sehwinkel aufweisen, bzw. Punkte beinhalten, von denen aus betrachtet die Strecke zwischen den beiden Referenzelementen unter dem gleichen Sehwinkel erscheint. Advantageously, therefore, the barrel arches forming the respective spindle arches are formed by means of the two same reference elements, so that all of these - the respective torus forming - barrel arcs have the same real distance and the same angle of vision, or include points, from which viewed the distance between the two reference elements appears under the same angle of vision.
Zur Bestimmung der Objektposition bzw. der Kameraposition im Raum ist es vorteilhaft, wenn die Rechnereinheit zumindest einige der Schnittpunkte der sich schneidenden Fasskreisbögen und/oder Tori ermittelt und/oder aus diesen Schnittpunkten den einen einzigen gemeinsamen Schnittpunkt berechnet, dessen Position im Raumkoordinatensystem der Position der Kamera im Raum entspricht. Vorzugsweise weisen diesen einen einzigen gemeinsamen Schnittpunkt alle diejenigen Fasskreisbögen auf, die in einer das Objekt aufweisenden Raumebene des Raumkoordinatensystems liegen. Infolgedessen reicht es zur Positionsbestimmung im zweidimensionalen Raum aus, zumindest zwei, bevorzugt zumindest drei in dieser Raumebene liegende Fasskreisbögen zu verwenden. Zusätzlich oder alternativ ist es vorteilhaft, wenn diesen einen einzigen gemeinsamen Schnittpunkt alle gebildeten Tori, vorzugsweise zumindest zwei, besonders bevorzugt zumindest drei, aufweisen. In order to determine the object position or the camera position in space, it is advantageous if the computer unit determines at least some of the intersections of the intersecting barrel arcs and / or tori and / or calculates a single common intersection point from these intersection points whose position in the spatial coordinate system matches the position of the interpolation point Camera in the room corresponds. Preferably, these have a single common point of intersection all those Fassbogenbögen which lie in a space having the object of the spatial coordinate system. As a result, it suffices to determine the position in two-dimensional space, to use at least two, preferably at least three barrel arcs lying in this spatial plane. Additionally or alternatively, it is advantageous if these have a single common point of intersection all tori formed, preferably at least two, more preferably at least three.
Vorteilhaft ist es, wenn die Fasskreisbögen den gemeinsamen Schnittpunkt aufweisen, dessen Position im Raumkoordinatensystem der Position der Kamera im Raum entspricht. Die Rechnereinheit ist derart ausgebildet, dass sie diesen gemeinsamen Schnittpunkt ermitteln kann. Die Rechnereinheit kann dann über die ihr bekannte Relativposition des Objektes zur Kamera auf die exakte Objektposition im Raum rückschließen. It is advantageous if the barrel arcs have the common point of intersection whose position in the spatial coordinate system corresponds to the position of the camera in space. The computer unit is designed such that it can determine this common point of intersection. The computer unit can then infer the known relative position of the object to the camera to the exact object position in the room.
Zum weiteren Einschränken der exakten Objektposition im Raumkoordinatensystem ist es vorteilhaft, wenn die Rechnereinheit, insbesondere zur Bestimmung der ersten und zweiten Koordinate des Objektes im Raumkoordinatensystem, den gemeinsamen Schnittpunkt zumindest zweier, vorzugsweise zumindest dreier, Fasskreisbögen ermittelt. Vorzugsweise liegen diese Fasskreisbögen in einer ersten das Objet aufweisenden und/oder gemeinsamen Raumebene. For further restricting the exact object position in the spatial coordinate system, it is advantageous if the computer unit, in particular for determining the first and second coordinates of the object in the spatial coordinate system, determines the common intersection of at least two, preferably at least three, drum arcs. Preferably, these Fassbogenbögen lie in one first the objet having and / or common room level.
Vorteilhaft ist es, wenn zumindest drei Referenzelemente zueinander derart im Raum angeordnet sind, dass die hierdurch gebildeten Sehnen der von der Rechnereinheit berechneten Fasskreisbögen zueinander koaxial ausgerichtet sind. Zusätzlich oder alternativ können die Sehnen der Fasskreisbögen voneinander beabstandet sein oder sich zumindest teilweise überlappen. It is advantageous if at least three reference elements are arranged relative to one another in space so that the chords of the drum arches formed thereby are aligned coaxially with each other. Additionally or alternatively, the chords of the barrel arcs may be spaced or at least partially overlapped.
Zur weiteren Einschränkung der möglichen Objektpositionen im Raumkoordinatensystem ist es vorteilhaft, wenn die Rechnereinheit, insbesondere zur Bestimmung der dritten Koordinate des Objektes im Raumkoordinatensystem, den einen einzigen gemeinsamen Schnittpunkt zwischen den in der ersten Raumebene liegenden Fasskreisbögen mit zumindest einem in einer zweiten das Objekt aufweisenden Raumebene des Raumkoordinatensystems liegenden Fasskreisbogen ermittelt. Zusätzlich oder alternativ kann die Rechnereinheit hierfür aber auch den gemeinsamen Schnittpunkt zumindest zweier, insbesondere zumindest dreier, in der zweiten Raumebene liegender Fasskreisbögen ermitteln. Die zweite Raumebene ist vorzugsweise zur ersten Raumebene geneigt, insbesondere zu dieser orthogonal, ausgerichtet. To further restrict the possible object positions in the spatial coordinate system, it is advantageous if the computer unit, in particular for determining the third coordinate of the object in the spatial coordinate system, a single common intersection between the Fassbogenbögen lying in the first space level with at least one in a second object having the spatial plane determined by the spatial coordinate system Fassbogenbogen determined. Additionally or alternatively, however, the computer unit can also determine the common point of intersection of at least two, in particular at least three, barrel arcs lying in the second spatial plane. The second spatial plane is preferably inclined to the first spatial plane, in particular to this orthogonal aligned.
Die Genauigkeit des Objekterfassungssystems kann zusätzlich verbessert werden, wenn die Rechnereinheit zur Bestimmung der Objektposition eine Vielzahl ermittelter Schnittpunkte miteinander abgleicht und/oder die Objektposition im Raum bzw. den einen einzigen gemeinsamen Schnittpunkt zwischen allen Fasskreisbögen anhand einer Häufigkeitsverteilung, vorzugsweise innerhalb eines Toleranzbereiches, bestimmt. The accuracy of the object detection system can be further improved if the computer unit for determining the object position compares a plurality of determined intersections and / or determines the object position in space or a single common intersection between all Fassbogenbögen based on a frequency distribution, preferably within a tolerance range.
Zur schnellen und unkomplizierten Inbetriebnahme des Objekterfassungssystems ist es vorteilhaft, wenn die Kamera mittels einer Halterung lösbar mit dem Objekt, insbesondere einem Kopf oder einer Hand eines Menschen, in einer zu dem Objekt fixen Position befestigbar ist. For quick and uncomplicated commissioning of the object detection system, it is advantageous if the camera by means of a holder releasably with the object, in particular a head or a hand of a human being, in a fixed position to the object is fastened.
Vorteilhaft ist es, wenn das Objekterfassungssystem mehrere, insbesondere vier, in unterschiedliche Richtungen ausgerichtete, insbesondere jeweils zueinander um 90° versetzte, Kameras aufweist. Hierdurch kann die Genauigkeit des Objekterfassungssystems verbessert werden, da von den Kameras mehrere Referenzelemente gleichzeitig erfasst werden können und infolgedessen von der Rechnereinheit mehrere Fasskreisbögen erstellt und deren Schnittpunkte bestimmt werden können. It is advantageous if the object detection system has a plurality of cameras, in particular four, aligned in different directions, in particular offset by 90 ° relative to each other. As a result, the accuracy of the object detection system can be improved, as several reference elements can be detected simultaneously by the cameras and, as a result, the computer unit can create several barrel arcs and determine their points of intersection.
Zusätzlich oder alternativ ist es vorteilhaft, wenn das Objekterfassungssystem einen mit der Halterung verbundenen Beschleunigungssensor aufweist. Mit diesem können Minimalbewegungen des Objektes sensiert werden, die von der Kamera nicht erfassbar sind, so dass die Genauigkeit des Objekterfassungssystems verbessert werden kann. Additionally or alternatively, it is advantageous if the object detection system has an acceleration sensor connected to the holder. With this minimal movements of the object can be sensed, which are not detectable by the camera, so that the accuracy of the object detection system can be improved.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Halterung ein kopfbasiertes Blickerfassungssystem zur Ermittlung der Position zumindest eines Auges und/oder der Blickrichtung einer Person in Bezug zu dessen Umgebung. Infolgedessen liegt ein Hybridsystem vor, das das Objekterfassungssystem und das Blickerfassungssystem umfasst. Vorzugsweise ist hierbei die Kamera des Objekterfassungssystems als eine Feldkamera des Blickerfassungssystems ausgebildet. Das Blickerfassungssystem umfasst eine Augenkamera mittels der das Auge eines Benutzers unmittelbar und/oder mittelbar, insbesondere über einen halbtransparenten Spiegel, erfassbar ist. Die Feldkamera ist in Blickrichtung des Objektes, d.h. des Benutzers, ausgerichtet und zeichnet demnach das Blickfeld der Person auf. Die von der Augenkamera und der Feldkamera erfassten Videobilder werden miteinander verrechnet, so dass der exakte Ort bestimmt werden kann, auf den die Person blickt. In an advantageous development of the invention, the holder is a head-based vision system for determining the position of at least one eye and / or the viewing direction of a person in relation to its surroundings. As a result, there is a hybrid system including the object detection system and the gaze detection system. In this case, the camera of the object detection system is preferably designed as a field camera of the gaze detection system. The gaze detection system comprises an eye camera by means of which the eye of a user can be detected directly and / or indirectly, in particular via a semitransparent mirror. The field camera is in the direction of the object, i. of the user, and therefore records the field of view of the person. The video images captured by the eye and field cameras are billed together to determine the exact location the person is looking at.
Der Rechenaufwand der Rechnereinheit kann reduziert werden, wenn zumindest drei Referenzelemente zueinander in einer, vorzugsweise zum Raum horizontalen und/oder vertikalen, Reihe angeordnet sind und/oder eine standardisierte Größe aufweisen. Des Weiteren kann hierdurch die Fehleranfälligkeit des Objekterfassungssystems reduziert werden. The computational complexity of the computer unit can be reduced if at least three reference elements are arranged relative to one another in a row, preferably horizontal and / or vertical, and / or have a standardized size. Furthermore, this can reduce the error rate of the object detection system.
Vorteilhafterweise ist das Referenzelement ein im Raum, insbesondere an einer Raumwand und/oder einem Raumgegenstand, anbringbarer Marker. Der Marker weist vorzugsweise ein Muster auf, so dass dieser von der Rechnereinheit eindeutig identifizierbar und/oder dessen Orientierung gegenüber der Kamera erfassbar ist. Vorteilhafterweise kann somit auf die Orientierung des Objektes im Raumkoordinatensystem rückgeschlossen werden, wenn der Rechnereinheit die Orientierung des Markers im Raum bekannt ist. Advantageously, the reference element is a markable in space, in particular on a room wall and / or a space object, attachable. The marker preferably has a pattern, so that it can be clearly identified by the computer unit and / or its orientation relative to the camera can be detected. Advantageously, it is thus possible to deduce the orientation of the object in the spatial coordinate system if the computer unit knows the orientation of the marker in space.
Zusätzlich oder alternativ ist es vorteilhaft, wenn das Referenzelement ein sich bereits im Raum befindender Raumgegenstand, insbesondere eine Wand, eine Tür, ein Fenster, ein Möbelstück und/oder eine Bandenwerbung, ist. Additionally or alternatively, it is advantageous if the reference element is a spatial object already in the room, in particular a wall, a door, a window, a piece of furniture and / or a strip advertising.
Alternativ oder zusätzlich ist es ebenso vorteilhaft, wenn das Referenzelement als ein Teil dieser anbringbaren Marker und/oder dieser sich im Raum befindender Raumgegenstände ausgebildet ist. Vorzugsweise ist das Referenzelement ein Referenzpunkt oder weist mehrere Referenzpunkte auf. Dieser Referenzpunkt kann beispielsweise die Ecke und/oder der Mittelpunkt eines Markers oder Raumgegenstandes sein. Ein quadratischer Marker würde somit beispielsweise fünf Referenzpunkte aufweisen. Alternatively or additionally, it is also advantageous if the reference element is designed as a part of these attachable markers and / or these space objects located in space. Preferably, the reference element is a reference point or has a plurality of reference points. This reference point can be, for example, the corner and / or the center of a marker or spatial object. A square marker would thus have, for example, five reference points.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ermittelt die Rechnereinheit die, vorzugsweise im Wesentlichen vertikal und/oder horizontal ausgerichteten, Kanten des Markers oder des Raumgegenstandes. Unter der Begrifflichkeit „Kante“ ist nicht zwingend das kantige Ende eines Markers oder Raumgegenstandes zu verstehen, sondern vielmehr eine von der Kamera im Kamerabild erfassbare Kante definiert, die vorzugsweise als geradlinige Kontur von der Rechnereinheit identifizierbar ist. Anschließend kann die Rechnereinheit über die erfassten Kanten die Eckpunkte ermitteln, die letztendlich die Referenzpunkte zur Bestimmung der Objektposition bilden. In a particularly advantageous embodiment of the invention, the computer unit determines the, preferably substantially vertically and / or horizontally aligned, edges of the marker or the space object. The term "edge" is not necessarily the edged end of a marker or spatial object to understand, but rather defined by the camera in the camera image detectable edge, which is preferably identifiable as a rectilinear contour of the computer unit. Subsequently, the computer unit can determine the corner points via the detected edges, which ultimately form the reference points for determining the object position.
Vorteilhafterweise weist ein Marker und/oder Raumgegenstand mehrere voneinander, insbesondere horizontal und/oder vertikal, beabstandete Referenzelemente auf. Um zumindest drei Fasskreisbögen in einer Raumebene erstellen zu können, benötigt die Rechnereinheit vorteilhafterweise somit lediglich minimal zwei, insbesondere als Rechtecke oder Quadrate, ausgebildete Marker. Advantageously, a marker and / or spatial object has a plurality of reference elements spaced apart from one another, in particular horizontally and / or vertically. In order to be able to create at least three barrel arcs in one spatial plane, the computer unit advantageously thus requires only a minimum of two markers, in particular rectangles or squares.
Um den Rechenaufwand für die Rechnereinheit reduzieren zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Rechnereinheit die Größe und/oder den Realabstand zwischen den Referenzelementen kennt. Hierfür ist es vorteilhaft, wenn diese Realabstände und/oder Realgrößen standardisiert sind und in einem Speicher des Objekterfassungssystems abgespeichert sind. In order to be able to reduce the computational outlay for the computer unit, it is advantageous if the computer unit knows the size and / or the real distance between the reference elements. For this purpose, it is advantageous if these real distances and / or real variables are standardized and stored in a memory of the object detection system.
Vorteilhaft ist es, wenn mehrere Referenzelemente, insbesondere mehrere Marker, auf einer im Raum anbringbaren Tapete und/oder auf einem ab- und/oder aufrollbaren Band angeordnet sind, die vorzugsweise voneinander in Längsrichtung der Tapete und/oder des Bandes, insbesondere äquidistant und/oder zum jeweils benachbarten Referenzelement in einem der Rechnereinheit bekannten Realabstand beabstandet sind. It is advantageous if a plurality of reference elements, in particular a plurality of markers, are arranged on a wallpaper which can be applied in the room and / or on a detachable and / or roll-up strip which is preferably mutually longitudinally of the wallpaper and / or the strip, in particular equidistant and / or or are spaced to the respective adjacent reference element in one of the computer unit known real distance.
Zum schnellen Anbringen von Referenzelementen im Raum ist es vorteilhaft, wenn das Band als Klebeband ausgebildet ist. Alternativ ist es vorteilhaft, wenn das Band zum Ab- und Aufrollen um eine Längsachse eines Gehäuses drehbar in dem Gehäuse gelagert ist. For quick attachment of reference elements in space, it is advantageous if the tape is designed as an adhesive tape. Alternatively, it is advantageous if the tape is rotatably mounted in the housing for unwinding and rolling about a longitudinal axis of a housing.
Zur Ausbildung eines Referenzelementgeheges, das denjenigen Raum definiert, in dem sich das Objekt frei bewegen kann, ist es vorteilhaft, wenn das Band im Bereich seines freien Endes mit einem weiteren Band und/oder Gehäuse lösbar verbindbar ist. In order to form a reference element enclosure which defines the space in which the object can move freely, it is advantageous if the band can be detachably connected in the region of its free end to a further band and / or housing.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Gehäuse vorzugsweise zumindest zwei zueinander parallel angeordnete und voneinander in Längsrichtung des Gehäuses beabstandete Bänder umfasst, da hierdurch die Genauigkeit des Objekterfassungssystems verbessert werden kann. Furthermore, it is advantageous if the housing preferably comprises at least two bands arranged parallel to one another and spaced apart from one another in the longitudinal direction of the housing, since this can improve the accuracy of the object detection system.
Zusätzlich oder alternativ ist es vorteilhaft, wenn mehrere Gehäuse, insbesondere im Bereich ihrer Stirnseiten, miteinander zu einer Säule verbindbar sind. Somit können die das Referenzelementgehege bildenden Bänder sehr einfach und platzsparend transportiert werden. Additionally or alternatively, it is advantageous if a plurality of housings, in particular in the region of their end faces, can be connected to one another to form a column. Thus, the forming the Referenzelementgehege bands can be transported very easily and space-saving.
Vorteilhaft ist es, wenn mehrere Bänder zu einem den Raum definierenden, insbesondere n-eckigen, Referenzelementgehege verbindbar sind. It is advantageous if a plurality of bands can be connected to a reference element enclosure defining the space, in particular an n-cornered one.
Vorteilhafterweise wird das Objekterfassungssystem in einem Verfahren zur Erfassung der Position und/oder der Orientierung eines Objektes in einem Raum verwendet. Das Verfahren weist hierbei die Verfahrensmerkmale der vorangegangenen Beschreibung auf, wobei diese einzeln oder in beliebiger Kombination vorhanden sein können. Advantageously, the object detection system is used in a method for detecting the position and / or orientation of an object in a room. The method in this case has the method features of the preceding description, which may be present individually or in any combination.
Die erfindungsgemäße Untersuchungsanordnung für Sehstörungen, insbesondere Strabismus, umfasst eine, insbesondere virtuelle, Tangententafel und ein Mittel zur Messung und automatischen Auswertung der Augenposition und/oder -orientierung gegenüber der Tangententafel. Eine Tangententafel weist ein Koordinatensystem gemäß augenärztlichen Berechnungen auf. Im Folgenden werden unter dem Begriff „Tangententafel“ die unterschiedlichen augenärztlichen Vorrichtungen, wie z.B. Harms-Wand, Helmholtz-Schirm, Hess-Schirm, Lee-Screen, Maddox-Kreuz usw., subsumiert. Im Sinne der Erfindung bedeutet der Begriff „virtuelle Tangententafel“, dass die mathematisch-medizinische Grundlage der Tangententafel rechnergebunden vorliegt und nach Bedarf in digitaler oder analoger Form abgerufen und visuell dargeboten, insbesondere projiziert, werden kann. The examination arrangement according to the invention for visual disturbances, in particular strabismus, comprises a, in particular virtual, tangent board and a means for the measurement and automatic evaluation of the eye position and / or orientation with respect to the tangent board. A tangent board has a coordinate system according to ophthalmological calculations. In the following, the term "tangent board" will refer to the different ophthalmic devices, such as the ophthalmoscope. Harms wall, Helmholtz screen, Hess screen, Lee screen, Maddox cross etc, subsumed. For the purposes of the invention, the term "virtual tangent board" means that the mathematical-medical basis of the tangent board is computer-bound and can be retrieved as needed in digital or analog form and presented visually, in particular projected.
Die Untersuchungsanordnung zur Erfassung der Kopfposition und/oder Kopforientierung weist ein Objekterfassungssystem auf, das gemäß der vorangegangenen Beschreibung ausgebildet ist, wobei die genannten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination vorhanden sein können. Vorteilhafterweise muss der Patient zur Untersuchung seiner vorliegenden Sehstörung somit keine fixe Zwangsposition und/oder -orientierung einnehmen, sondern kann sich frei in einem vorgegebenen Raum bzw. Referenzelementgehege positionieren und bewegen. Des Weiteren können mittels des Objekterfassungssystems Positionsänderungen des Patienten erfasst werden und vorzugsweise durch ein entsprechend ausgebildetes mathematisches Modell in der Rechnereinheit kompensiert werden. The examination arrangement for detecting the head position and / or head orientation comprises an object detection system, which is designed according to the preceding description, wherein said features may be present individually or in any desired combination. Advantageously, therefore, the patient need not assume a fixed forced position and / or orientation for the purpose of examining his present visual disturbance, but can freely position and move in a predetermined space or reference element enclosure. Furthermore, by means of the object detection system, changes in the position of the patient can be detected and preferably by a suitably designed one mathematical model can be compensated in the computer unit.
Vorteilhaft ist es, wenn die Tangententafel zumindest ein Referenzelement aufweist, das von der Kamera des Objekterfassungssystems im Kamerabild erkennbar ist. Somit müssen keine separaten Referenzelemente im Raum angebracht werden. Vorteilhafterweise bilden die Eckpunkte und/oder der Mittelpunkt der Tangententafel die Referenzelemente bzw. Referenzpunkte. Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Referenzelemente zusammen mit der Tangententafel virtuell ausgebildet sind. It is advantageous if the tangent board has at least one reference element which can be recognized by the camera of the object detection system in the camera image. Thus, no separate reference elements must be installed in the room. Advantageously, the corner points and / or the center of the tangent board form the reference elements or reference points. Furthermore, it is advantageous if the reference elements are virtually formed together with the tangent board.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Referenzelemente Infrarotlicht emittierende und/oder reflektierende Marker sind, die vom menschlichen Auge nicht wahrgenommen werden können. Hierdurch kann eine Ablenkung des Patienten durch entsprechende Referenzelemente bzw. Marker vermieden werden. It is also advantageous if the reference elements are infrared light emitting and / or reflecting markers that can not be perceived by the human eye. As a result, a distraction of the patient can be avoided by means of corresponding reference elements or markers.
Weitere Vorteile der Erfindung sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt: Further advantages of the invention are described in the following exemplary embodiments. It shows:
Die
Das Objekterfassungssystem
Die Kamera
Im Gegensatz zur Kamera
Mit einer Vielzahl von im Raum
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erkennt die Rechnereinheit zur Ermittlung der Kopfposition eines Menschen bzw. des Objektes
Die Referenzelemente
Die Referenzelemente
Zur Ermittlung der Position des Objektes
In einem zweiten Schritt berechnet die Rechnereinheit anhand dieser aus dem Kamerabild
Der Rechnereinheit sind somit, beispielsweise für die drei Referenzelemente
Die Realabstände
Gemäß
Zur weiteren Begrenzung der Auswahlmöglichkeiten erstellt die Rechnereinheit gemäß
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel würden bereits diese zwei Fasskreisbögen
Alternativ oder zusätzlich kann aber gemäß
Zur Erhöhung der Positionsbestimmungsgenauigkeit ist es vorteilhaft, wenn die Rechnereinheit gemäß
Für die Bestimmung der dritten Koordinate, nämlich vorliegend der y-Koordinate, erstellt die Rechnereinheit gemäß
Grundsätzlich kann die Position des Objektes
Das vorstehend anhand der
Für Anwendungsfälle, bei denen der Abstand des Objektes
Damit das Objekterfassungssystem
Um ein schnelles und unkompliziertes Anbringen der Referenzelemente
Gemäß
Gemäß
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Abwandlungen im Rahmen der Patentansprüche sind ebenso möglich wie eine Kombination der Merkmale, auch wenn diese in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt und beschrieben sind. The present invention is not limited to the illustrated and described embodiments. Variations within the scope of the claims are also possible as a combination of features, even if they are shown and described in different embodiments.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Objekterfassungssystem Object detection system
- 2 2
- Objekt object
- 3 3
- Raum room
- 4 4
- Kamera camera
- 5 5
- Referenzelement reference element
- 6 6
- Kameraobjektivwinkel Camera lens angle
- 7 7
- Virtuelles Raummodell Virtual room model
- 8 8th
- Kamerabild camera image
- 9 9
- Marker marker
- 10 10
- Muster template
- 11 11
- Pixelabstand pixel pitch
- 12 12
- Realabstand Real distance
- 13 13
- Fasskreisbogen Barrel arc
- 14 14
- Schnittpunkt intersection
- 15 15
- gemeinsamer Schnittpunkt common point of intersection
- 16 16
- Überlappungsbereich overlap area
- 17 17
- Raumgegenstand Space object
- 18 18
- Band tape
- 19 19
- Gehäuse casing
- 20 20
- Befestigungsmittel fastener
- 21 21
- Befestigungsbereich fastening area
- 22 22
- Säule pillar
- 23 23
- Bemaßung dimensions
- 24 24
- Standfußstand
- α, β, γ, δ α, β, γ, δ
- Sehwinkel viewing angle
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 20110025852 A1 [0003, 0008] US 20110025852 A1 [0003, 0008]
- EP 0940117 B1 [0004] EP 0940117 B1 [0004]
Claims (19)
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DE102013106345.4A DE102013106345A1 (en) | 2013-06-18 | 2013-06-18 | Object detection system and examination device for visual disturbances |
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- 2013-06-18 DE DE102013106345.4A patent/DE102013106345A1/en not_active Withdrawn
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