DE102014106718B4 - System that presents a field of view representation in a physical position in a changeable solid angle range - Google Patents

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Abstract

System (1), welches eine Blickfelddarstellung (119,119') in einer gegenständlichen Lage in einem veränderbaren Raumwinkelbereich darbietet, und nachfolgende Schritte durchführt:Bestimmung einer ersten und zweiten gegenständlichen Lage (2, 222, 322, 288, 388), insbesondere nach Einnahme einer Pose eines Markerträgers (3, 3', 3'', 103, 236, 336),wobei eine Ausgangslage (208a, 288, 388, 308a) als eine erste gegenständliche Lage, durch eine Erfassung von Markerbildbereichen (5, 5', 5'', 5''', 5IV, 105, 206, 210, 306, 310, 350, 351, 352, 355, 356, 357, 358, 359, 260, 262, 362) einer ersten Bilddatenpixelanordnung (21, 221, 221', 221'', 321, 321', 321'') in einer Recheneinheit (13) vorgegeben ist, und wobei von einer Digitalkamera (7, 207, 307) mindestens eine weitere Bilddatenpixelanordnung (21, 221, 221', 221'', 321, 321', 321'') der Recheneinheit zugeführt wird, die nach einer Bewegung des Markerträgers (3, 3', 3'', 103, 236, 336) oder nach einer Bewegung der Digitalkamera (7, 207, 307) geänderte Markerbildbereiche (5, 5', 5'', 5''', 5IV, 105, 206, 210, 306, 310, 350, 351, 352, 355, 356, 357, 358, 359, 260, 262, 362) aufweist, wobeieine Position (x, y, z) und/oder eine Orientierung (Θ, B) der zweiten gegenständlichen Lage (2, 222, 322, 288, 388), die anhand einer Markerpositionskonfiguration (43) vorgebbar ist, aus den, die Markerpositionskonfiguration (43) festlegenden Markerbildbereichen (5, 5', 5'', 5''', 5IV, 105, 206, 210, 306, 310, 350, 351, 352, 355, 356, 357, 358, 359, 260, 262, 362) der weiteren Bilddatenpixelanordnung (21, 221, 221', 221'', 321, 321', 321'') und aus einer Markermodellkonfiguration (242, 342, 264, 364) der Ausgangslage (208a, 288, 388, 308a) mittels eines Vergleichsalgorithmus (214, 314, 216, 316, 220, 320, 270, 370, 286, 386), unter Bestimmung eines nächsten Nachbarn (214, 314) zu einem Markerbildbereich (5, 5', 5'', 5''', 5IV, 105, 208a, 308a) der Ausgangslage (208a, 288, 388, 308a), bei Extrapolation verdeckter, weiterer Markerbildbereiche (5a) mit einem numerischen Optimierungsverfahren (220, 320) berechnet wird, wobei die Markerpositionskonfiguration (43) eine Mehrzahl von Markerelementen (5, 5', 5'', 5''', 5IV, 105) aufweist, die auf den mindestens zwei Flächenelementen (27, 27', 27'', 27''', 27IV, 27v, 127, 127', 127'', 127''', 127IV), die einen Markerträger (3, 3', 3'', 103, 236, 336) für die Markerpositionskonfiguration (43) darstellen, in einer flächenelementeweisen Anordnung (41, 41', 41'', 41''', 41IV, 41V, 234, 334) vorliegen, wobei eine Anordnung von Markerelementen (5, 5', 5'', 5''', 5IV, 5a, 105), die eines der Flächenelemente (27, 27', 27",27'", 27IV, 27v, 127, 127', 127'', 127''', 127IV) aufweist, von einer Anordnung von Markerelementen (5, 5', 5'', 5''', 5IV, 5a, 105), die ein weiteres, benachbartes, der Flächenelemente (27, 27', 27'', 27''', 27IV, 27v, 127, 127', 127'', 127''', 127IV) aufweist, abweicht, wobei ein Rauschenunterdrückungsalgorithmus in Form eines quaternionenbasierten Bewegungsfolgefilters (224, 324), der mittels einer Bewegungsverlaufsprognose (228, 328) die Position (x, y, z) und/oder die Orientierung (Θ, B) filtert, vorgesehen ist,mit einem portablen Markerträger (3, 3', 3'', 103, 236, 336), der eine Mehrzahl von Markerelementen (5, 5', 5'', 5''', 5IV, 105, 5a) umfasst, mit genau einer Digitalkamera (7, 207, 307), mit der ein Raumbereich (11) aufnehmbar und in einem zweidimensionalen Pixeldatenfeld (21) abbildbar ist, mit einer Recheneinheit (13) zur Ausführung von Bilddatenverarbeitungsalgorithmen (200, 201, 300, 301, 204, 304, 218, 318, 220, 320, 224, 324, 268, 268', 368, 368', 270, 370, 286, 386), mit mindestens einer elektronischen Bildanzeige (19, 119, 119', 23, 123) zur Präsentation der Blickfelddarstellung (119, 119'), mit einer Datenübertragungseinheit (15), mit der eine, insbesondere kabellose, Datenübertragungsverbindung (17, 17') zwischen der Digitalkamera (7, 207, 307) und der Recheneinheit (13) und der Bildanzeige (19, 119, 119', 23, 123) erstellbar ist undmit mindestens einer Lichtquelle zur Aussendung von mit der Digitalkamera (7, 207, 307) registrierbarem Licht in den Raumbereich (11) wobei die Blickfelddarstellung (119, 119') von der Recheneinheit (13) für die Bildanzeige (19, 119, 119', 23, 123) bereitstellbar istund wobei der Markerträger (3, 3', 3'', 103, 236, 336) in dem Raumbereich (11) obstruktionsfrei bewegbar ist und der Markerträger (3, 3', 3'', 103, 236, 336) mindestens fünf Flächenelemente (27, 27', 27'', 27''', 27IV, 27v, 127, 127', 127'', 127''', 127IV) umfasst, die ringartig angeordnet sind, wobei ein Flächenelement (27, 27', 27'', 27''', 27IV, 27v, 127, 127', 127'', 127''', 127IV) mindestens drei Markerelemente (5, 5', 5'', 5''', 5IV, 105, 5a) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Markerelemente (5, 5', 5'', 5''', 5IV, 105, 5a) in einer flächenelementeweise abweichenden Konfiguration (41, 41', 41'', 41''', 411IV, 41V, 234, 334, 236, 336) vorliegen undin jeder Winkelstellung (O, B) des Markerträgers (3, 3', 3'', 103, 236, 336) innerhalb des Raumbereichs (11) bezüglich einer Kamerabildebene (9) mindestens zwei markerelementeaufweisende Flächenelemente (27, 27', 27'', 27''', 27IV, 27v, 127, 127', 127'', 127''', 127IV), ein erstes Flächenelement (27, 27'', 127) und ein zweites Flächenelement (27', 27''', 27IV, 27v, 127', 127'', 127''', 127IV), von der Digitalkamera (7, 207, 307) zumindest bereichsweise abbildbar sind, wobei mindestens vier algorithmisch durch die Recheneinheit (13) in dem Pixeldatenfeld (21) erfassbare Markerelemente (5, 5', 5'', 5''', 5IV, 105, 5a) vorliegen, und durch mindestens eine Vergleichseinheit (214, 314, 216, 316, 220, 320, 270, 370, 286, 386) in der Recheneinheit (13) die vier Markerelemente (5, 5', 5'', 5''', 5IV, 105, 5a) zu einer aus Markerkonfigurationsdaten (234, 334, 236, 336) errechneten Markermodellkonfiguration (242, 342, 286, 386, 220, 220', 320, 320', 230, 330), die eine räumliche Lage des Blickfelds (232, 332) festlegt, zuordenbar sind und die elektronische Bildanzeige (19, 119, 119', 23, 123) eine Videobrille (23, 123) ist, die mindestens eine (125), vorzugsweise zwei, Messeinrichtungen umfasst, wie eine Augenstellungsmesseinrichtung, eine Lagesensorik oder einen Beschleunigungssensor (125).System (1), which presents a visual field representation (119, 119') in a physical position in a changeable solid angle range, and carries out the following steps: determining a first and second physical position (2, 222, 322, 288, 388), in particular after taking a Pose of a marker carrier (3, 3', 3'', 103, 236, 336), with an initial position (208a, 288, 388, 308a) as a first physical position, by detecting marker image areas (5, 5', 5 '', 5''', 5IV, 105, 206, 210, 306, 310, 350, 351, 352, 355, 356, 357, 358, 359, 260, 262, 362) of a first image data pixel array (21, 221, 221', 221'', 321, 321', 321'') in a computing unit (13), and at least one further image data pixel arrangement (21, 221, 221', 221 '', 321, 321', 321'') is fed to the computing unit, which after a movement of the marker carrier (3, 3', 3'', 103, 236, 336) or after a movement of the digital camera (7, 207, 307) g changed marker image areas (5, 5', 5'', 5''', 5IV, 105, 206, 210, 306, 310, 350, 351, 352, 355, 356, 357, 358, 359, 260, 262, 362 ) having, wherein a position (x, y, z) and/or an orientation (Θ, B) of the second physical layer (2, 222, 322, 288, 388), which can be predetermined using a marker position configuration (43), from , the marker position configuration (43) defining marker image areas (5, 5', 5'', 5''', 5IV, 105, 206, 210, 306, 310, 350, 351, 352, 355, 356, 357, 358, 359 , 260, 262, 362) of the further image data pixel arrangement (21, 221, 221', 221'', 321, 321', 321'') and from a marker model configuration (242, 342, 264, 364) of the initial position (208a, 288 , 388, 308a) by means of a comparison algorithm (214, 314, 216, 316, 220, 320, 270, 370, 286, 386), while determining a nearest neighbor (214, 314) to a marker image area (5, 5', 5 '', 5''', 5IV, 105, 208a, 308a) of the initial position (208a, 288, 388, 308a), with extrapolation of hidden, further marker image areas (5a) is calculated using a numerical optimization method (220, 320), the marker position configuration (43) having a plurality of marker elements (5, 5', 5'', 5''', 5IV, 105) which are located on the at least two surface elements (27, 27', 27'', 27''', 27IV, 27v, 127, 127', 127'', 127''', 127IV) which have a marker carrier (3, 3', 3'' , 103, 236, 336) for the marker position configuration (43), in a surface element-wise arrangement (41, 41', 41'', 41''', 41IV, 41V, 234, 334), with an arrangement of marker elements ( 5, 5', 5'', 5''', 5IV, 5a, 105), which is one of the surface elements (27, 27', 27", 27''", 27IV, 27v, 127, 127', 127'' , 127''', 127IV) of an arrangement of marker elements (5, 5', 5'', 5''', 5IV, 5a, 105) which form another, adjacent, of the surface elements (27, 27' , 27'', 27''', 27IV, 27v, 127, 127', 127'', 127''', 127IV) using a noise reduction algorithm in the form of a quaternion based motion tracking filter (224, 324), which filters the position (x, y, z) and/or the orientation (Θ, B) by means of a movement course prognosis (228, 328), is provided, with a portable marker carrier (3, 3', 3 '', 103, 236, 336), which comprises a plurality of marker elements (5, 5', 5'', 5''', 5IV, 105, 5a), with exactly one digital camera (7, 207, 307), with which a spatial region (11) can be recorded and imaged in a two-dimensional pixel data field (21), with a computing unit (13) for executing image data processing algorithms (200, 201, 300, 301, 204, 304, 218, 318, 220, 320, 224, 324, 268, 268', 368, 368', 270, 370, 286, 386), with at least one electronic image display (19, 119, 119', 23, 123) for the presentation of the visual field representation (119, 119') , with a data transmission unit (15) with which a data transmission connection (17, 17'), in particular wireless, is established between the digital camera (7, 207, 307) and the computing unit (13) and the image display (19, 119, 119', 23 , 123) can be created andwith at least one light source for emitting light that can be registered with the digital camera (7, 207, 307) into the spatial area (11), the visual field display (119, 119') being processed by the processing unit (13) for the image display (19, 119, 119' , 23, 123) can be provided and wherein the marker carrier (3, 3', 3'', 103, 236, 336) can be moved in the spatial region (11) without obstruction and the marker carrier (3, 3', 3'', 103, 236, 336) comprises at least five surface elements (27, 27', 27'', 27''', 27IV, 27v, 127, 127', 127'', 127''', 127IV) which are arranged like a ring, wherein a surface element (27, 27', 27'', 27''', 27IV, 27v, 127, 127', 127'', 127''', 127IV) at least three marker elements (5, 5', 5'', 5''', 5IV, 105, 5a), characterized in that the marker elements (5, 5', 5'', 5''', 5IV, 105, 5a) have a configuration (41, 41') that differs by surface element , 41'', 41''', 411IV, 41V, 234, 334, 236, 336) and in each angular position (O, B) of the marker carrier (3, 3', 3'', 103, 236, 336) within the spatial region (11) with respect to a camera image plane (9) at least two surface elements (27, 27', 27'', 27''', 27IV, 27v, 127, 127', 127'') having marker elements, 127''', 127IV), a first surface element (27, 27'', 127) and a second surface element (27', 27''', 27IV, 27v, 127', 127'', 127''', 127IV ), can be imaged at least in regions by the digital camera (7, 207, 307), with at least four marker elements (5, 5', 5'', 5''', which can be detected algorithmically by the computing unit (13) in the pixel data field (21), 5IV, 105, 5a) are present, and the four marker elements (5, 5', 5 '', 5''', 5IV, 105, 5a) to a marker model configuration (242, 342, 286, 386, 220, 220', 320, 320', 230) calculated from marker configuration data (234, 334, 236, 336), 330), which defines a spatial position of the field of vision (232, 332), can be assigned and which electronically e the image display (19, 119, 119', 23, 123) is video glasses (23, 123) which comprise at least one (125), preferably two, measuring devices, such as an eye position measuring device, a position sensor system or an acceleration sensor (125).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System, welches eine Blickfelddarstellung in einer gegenständlichen Lage darbietet gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Bei dem System zur Darbietung einer Blickfelddarstellung ist in das System eine bestimmbare, gegenständliche Lage als ein räumlich veränderbares Blickfeld in eine computergenerierte Ansicht eines Raumabbilds, z. B. eines virtuellen Raums, einbeziehbar.The present invention relates to a system that presents a field of view representation in a physical location according to the preamble of claim 1. In the system for presenting a field of view representation, a determinable, physical location is integrated into the system as a spatially variable field of view in a computer-generated view of a spatial image, e.g. B. a virtual space.

Stand der TechnikState of the art

Aus dem Gebiet der Visualisierungstechnik, insbesondere im Bereich der sogenannten virtuellen Realität, sind bereits verschiedene Vorgehensweisen bekannt, mit denen z. B. eine Körperposition erfasst werden kann, um die daraus gewonnenen Daten z. B. für eine Computersimulation heranzuziehen. In dem Dokument GB 2 451 461 A (Anmelder: Naven Shavla; Anmeldetag: 28.07.2007) ist ein System beschrieben, bei dem eine Person, die einen Marker auf dem Kopf trägt und jeweils einen Stab in einer Hand hält, gleichzeitig von zwei oder mehr Kameras erfasst wird. Damit soll eine dreidimensionale Mensch-Computer-Interaktion ermöglicht werden. An den Stäben ist jeweils eine Schalteinheit angebracht, um dem System Schaltsignale zuzuführen. Aufgrund der erforderlichen zwei Kameras ist die bei der Bildauswertung zu bewältigende Datenmenge in der Regel sehr hoch und die Auswertung der Daten entsprechend zeitintensiv.From the field of visualization technology, especially in the field of so-called virtual reality, various procedures are already known, with which z. B. a body position can be detected in order to use the resulting data z. B. for a computer simulation. In the document GB 2 451 461 A (Applicant: Naven Shavla; filing date: July 28, 2007) describes a system in which a person wearing a marker on his head and holding a stick in one hand is simultaneously recorded by two or more cameras. This is intended to enable three-dimensional human-computer interaction. A switching unit is attached to each rod in order to supply switching signals to the system. Due to the two cameras required, the amount of data to be processed in the image evaluation is usually very high and the evaluation of the data is correspondingly time-consuming.

Eine andersartiges Verfahren mit Apparat, bei dem nur eine Kamera zum Einsatz kommt, wird in Dokument US 4 884 219 B2 (Inhaber: W. Industries Ltd.; Prioritätstag: 21.01.1987) beschrieben. Auch dabei soll die Erscheinung von computergenerierten Bildern durch einen Benutzer beeinflusst werden. Die Bewegung der Augen des Benutzers wird erfasst und zu einem Computer übertragen. Weiterhin sollen auch Änderungen der Orientierung des Kopfes zur Auswertung kommen, wobei die Kopfposition mittels elektrischer Felder von einer Anordnung von Spulen an einem Helm bestimmt wird.A different method with apparatus, in which only one camera is used, is described in document U.S. 4,884,219 B2 (Owner: W. Industries Ltd.; priority date: 01/21/1987). Here, too, the appearance of computer-generated images should be influenced by a user. The movement of the user's eyes is detected and transmitted to a computer. Furthermore, changes in the orientation of the head should also be evaluated, with the head position being determined by means of electric fields from an arrangement of coils on a helmet.

Für die Erfassung einer Körperform z. B. eines menschlichen Körpers, wird in dem Dokument US 2012/0 095 589 A1 (Erfinder: Arcadiy Vapnik; Anmeldetag: 17.10.2011) die Verwendung eines Ganzkörperkostüms, über das Marker verteilt sind, vorgeschlagen. Hierbei kommen weiße Marker zum Einsatz, die auf das Kostüm aufgedruckt sind. Der Kostümträger wird von einer Kamera bei seinen Bewegungen gefilmt und anhand der Kamerabilder werden 3D-Koordinaten des Körpers bestimmt und mit einem Maßband skaliert.For the detection of a body shape z. B. a human body, is in the document US 2012/0 095 589 A1 (Inventor: Arcadiy Vapnik; filing date: 10/17/2011) proposed the use of a full body costume with markers spread over it. Here white markers are used, which are printed on the costume. The costume wearer's movements are filmed by a camera and the 3D coordinates of the body are determined from the camera images and scaled with a measuring tape.

Eine Methode zur Bestimmung einer Position eines Körpers nach kartesischen Koordinaten (x, y, z) mit Hilfe von wenigstens einem Markerobjekt von bekannten Abmessungen ist aus Dokument WO 98/30977 A1 (Anmelderin: Qualisys AB; Prioritätstag: 13.01.1997) bekannt. Die Bewegungen des Markers sollen aus dem Videosignal eines aufgelösten Bilds einer CCD-Kamera, z. B. Infrarotkamera, berechnet werden. Es wird die zeitliche Struktur des Videosignals ausgewertet. Ein Segment, das in einer Bildzeile einem Marker entspricht wird mittels eines Komparators bestimmt. In dem Verfahren werden zunächst Koordinaten eines Bilds eines Objekts bestimmt. Danach wird ein Dimensionsparameter des Objekts ermittelt und anschließend werden daraus Proportionen berechnet. Aufgrund der sehr speziellen Bildauswertung sind technische Informationen des Kameratyps zu berücksichtigen.A method for determining a position of a body according to Cartesian coordinates (x, y, z) using at least one marker object of known dimensions is from document WO 98/30977 A1 (Applicant: Qualisys AB; priority date: 01/13/1997). The movements of the marker are to be derived from the video signal of a resolved image from a CCD camera, e.g. B. infrared camera, are calculated. The temporal structure of the video signal is evaluated. A segment that corresponds to a marker in an image line is determined using a comparator. In the method, coordinates of an image of an object are first determined. After that, a dimension parameter of the object is determined and then proportions are calculated from it. Due to the very special image evaluation, technical information on the camera type must be taken into account.

Die Rotation eines Körpers wird in der Patentanmeldung US 2002/0 001 397 A1 (Erfinder: Takatoshi Ishikawa et al.; Prioritätstag: 30.10.1997) betrachtet. Eine Kontrolleinheit soll bei schnellen Rotationen eine Bildfolge eines dargebotenen Raums erhöhen, sodass kein Eindruck des Ruckelns entsteht. Bei der Auswertung der Rotation soll auf eine Berechnung einer Winkelgeschwindigkeit einer Kopfbewegung zurückgegriffen werden. Es bleibt dabei offen, wie aus Bilddaten konkret auf die Winkelgeschwindigkeit geschlossen werden soll.The rotation of a body is described in the patent application US 2002/0001397 A1 (Inventors: Takatoshi Ishikawa et al.; priority date: 10/30/1997). A control unit should increase an image sequence of a presented space during rapid rotations so that there is no impression of jerking. When evaluating the rotation, a calculation of an angular velocity of a head movement should be used. It remains open how the angular velocity is to be specifically inferred from image data.

Die Verfolgung der Bewegung von Objekten die mit aktiv- oder passiv-strahlenden Markerelementen versehen sind, wird in Dokument WO 2011/141 531 A1 (Anmelderin: Movolution GmbH; Prioritätstag: 11.05.2010) beschrieben. Digitale Farbbilder werden fortlaufend mit einer Kamera aufgezeichnet und gespeichert. Die Farbbilder werden anschließend in Graubilder umgewandelt, um die Lokalisierung der Markerelemente als helle Flecken zu erleichtern. Hierzu wird jeder Grauwert mit einem definierten Schwellenwert verglichen und oberhalb eines Schwellenwerts wird ein Pixel als potentielles Markerelement registriert. Nach dieser Graubildauswertung wird zur Identifizierung der Markerelemente wieder auf die digital gespeicherten Farbbilder zurückgegriffen, um die Bewegungsanalyse durchzuführen. Passiv retro-reflektiv-strahlende Marker sollen eine hohe Richtwirkung aufweisen. Alternativ kommen auch Farb-LEDs als Marker in Betracht. Aufgrund der Verwendung von Schwellenwerten bei der Identifikation von passiven Markern besteht allerdings die Gefahr, dass einzelne Marker bei der Bildauswertung verloren gehen.The tracking of the movement of objects provided with actively or passively radiating marker elements is described in document WO 2011/141531 A1 (Applicant: Movolution GmbH; priority date: May 11, 2010). Digital color images are continuously recorded and stored with a camera. The color images are then converted to gray images to facilitate localization of the marker elements as bright spots. For this purpose, each gray value is compared with a defined threshold value and a pixel above a threshold value is registered as a potential marker element. After this gray image evaluation, the digitally stored color images are used again to identify the marker elements in order to carry out the motion analysis. Passively retro-reflective-radiating markers should have a high directivity. Alternatively, color LEDs can also be considered as markers. Due to the use of threshold values when identifying passive markers, however, there is a risk that individual markers will be lost during image analysis.

Zur Verbesserung der Identifizierbarkeit von einzelnen Markern, wird in der Patentanmeldung US 2012/0 121 124 A1 (Anmelderin: The Board of Trusties of the Leeland Stanford Junior University; Anmeldetag: 15.06.2011) vorgeschlagen, Marker so auszugestalten, dass sie jeweils ein aufgedrucktes schachbrettartiges Muster aufweisen, aus dem die Position des Markers hervorgeht. Damit sollen bei Positionsbestimmungen in tomographischen Messeinrichtungen der Medizintechnik Fehler vermieden werden. Ein Nachteil bei der Verwendung solcher Marker könnte allerdings darin zu sehen sein, dass bei einer freien Bewegung im Raum die Marker aus dem Kamerafokus gelangen können, sodass die positionsbestimmenden Markierungen nicht mehr aufgelöst werden können.To improve the identifiability of individual markers, the patent application US 2012/0 121 124 A1 (Applicant: The Board of Trusties of the Leeland Stanford Junior University; filing date: 06/15/2011) proposed, Marker see above to design that they each have a printed chessboard-like pattern from which the position of the marker emerges. This is intended to avoid errors when determining positions in tomographic measuring devices in medical technology. A disadvantage of using such markers, however, could be seen in the fact that the markers can move out of the camera focus during free movement in space, so that the position-determining markings can no longer be resolved.

Die in dem Dokument WO 02 063 456 A1 (Anmelderin: Anderson Technology PTY Ltd.; Prioritätstag: 08.02.2001) beschriebene Markeranordnung zur Verfolgung einer Bewegung, weist Streifen, die farblich gekennzeichnet sind, innerhalb eines Kreises auf einem Helm auf. In einer Farbanalyse von Bilddaten werden zunächst die den Markern entsprechenden Bereiche herausgefiltert, die zugeordneten Pixel gezählt und mittlere Werte für x- und y-Koordinaten bestimmt. Wird der Pixelbereich für vernünftig befunden, so erfolgt eine Auswertung verschiedener Radien auf dem Bild mit einer Bestimmung von Geradenparametern für die Beziehung zwischen verschiedenen Stellen. Ein Problem besteht darin, dass bei schnellen Bewegungen in der Bildfolge Sequenzen auftreten können, bei denen eine Positionsbestimmung des Helms nicht möglich ist. Bei Übertragung einer Bewegung aus dem realen Raum auf den virtuellen Raum können daher Ungleichmäßigkeiten auftreten, die das Erlebnis der Wahrnehmung des virtuellen Raums beeinträchtigen können.The ones in the document WO 02 063 456 A1 (Applicant: Anderson Technology PTY Ltd.; Priority date: 02/08/2001) for tracking a movement, has strips, which are colour-coded, within a circle on a helmet. In a color analysis of image data, the areas corresponding to the markers are first filtered out, the assigned pixels are counted and average values for x and y coordinates are determined. If the pixel area is found reasonable, an evaluation of various radii on the image is made with a determination of straight line parameters for the relationship between various locations. One problem is that rapid movements in the image sequence can result in sequences in which it is not possible to determine the position of the helmet. When transferring a movement from the real space to the virtual space, non-uniformities can therefore occur, which can impair the experience of perceiving the virtual space.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Videoverfolgung eines Objekts mittels einer am Kopf montierten Bildanzeigevorrichtung, sind in Dokument DE 603 01 987 T2 (Inhaberin: Samsung Electronics Co., Ltd.; Unionsprioritätstag: 07.03.2002) beschrieben. Die Bewegung des Objekts, d.h. Position, Orientierung und Bewegungsrichtung, soll durch eine Kamera erfasst werden. In Wechselwirkung mit den Bewegungen des Benutzers soll die Umgebung einer virtuellen Realität gestaltet werden. Es werden Hauptmarker und Zusatzmarker verwendet, die in unterschiedlichen Farben markiert sind. Mindestens ein Hauptmarker muss aufgenommen werden. In ermittelten Videodaten werden Linsenverzerrungen kompensiert. Den Markern entsprechende Bildbereiche werden unter Verwendung einer Rauschdämpfungseinheit bestimmt. Aus den Videodaten wird eine Bewegungsrichtung der Punkte abgeschätzt. Für eine Orientierungs- und Positionsabschätzung sind intrinsische Parameter der Kamera zu berücksichtigen. In der Rauschdämpfungseinheit, die auf markierte Videodaten angewendet wird, soll ein morphologisches Bildbearbeitungsverfahren zum Einsatz kommen. Aus Zentrumskoordinaten von Hauptmarkerbereichen wird von einer Bewegungsabschätzeinheit unter Hinzunahme von zeitlich folgenden Bildern anhand eines Farbhistogramms und eines Farbobjektverfolgungsverfahrens eine Bewegung abgeschätzt, wobei ein Kalmanfilter verwendet wird. Die Unterscheidung von Hauptmarkern und Nebenmarkern und unterschiedliche Farben lässt eine Bildauswertung zeitaufwendig erscheinen und erfordert unter Umständen eine Berücksichtigung des Farbspektrums der verwendeten Lichtquellen.A method and apparatus for video-tracking an object using a head-mounted image display device is US 2010/0000011 DE 603 01 987 T2 (Owner: Samsung Electronics Co., Ltd.; Union Priority Day: 03/07/2002). The movement of the object, ie position, orientation and direction of movement, should be recorded by a camera. The environment of a virtual reality should be designed in interaction with the movements of the user. Main markers and additional markers are used, which are marked in different colors. At least one main marker must be recorded. Lens distortions are compensated for in the determined video data. Image areas corresponding to the markers are determined using a noise reduction unit. A movement direction of the points is estimated from the video data. Intrinsic parameters of the camera must be taken into account for an orientation and position estimation. A morphological image processing method is to be used in the noise reduction unit, which is applied to marked video data. A movement is estimated from center coordinates of main marker areas by a movement estimation unit, with the addition of images following in time, using a color histogram and a color object tracking method, with a Kalman filter being used. The distinction between main markers and secondary markers and different colors makes an image evaluation time-consuming and may require the color spectrum of the light sources used to be taken into account.

Weitere Aspekte zur Bestimmung einer Pose mit einer Kamera sind z. B. in den Dokumenten US 2010/0 232 727 A1 (Anmelderin: Metaio GmbH; Anmeldetag: 22.05.2008) und Dokument US 2012/0 169 887 A1 (Anmelderin: AiLive Inc.; Anmeldetag: 05.01.2011) sowie DE 69 132 952 T2 (Inhaberin: Sun Microsystems, Inc.; Prioritätstag: 30.11.1990), US 7 529 387 B2 (Inhaberin: Canon Kabushiki Kaisha; Anmeldetag: 11.05.2005), US 8 081 815 B2 (Inhaberin: Canon Kabushiki Kaisha; Anmeldetag: 08.08.2007), US 8 217 995 B2 (Inhaberin: Lockhead Martin Corporation; Anmeldetag: 17.01.2009) und WO 2008/055 262 A2 (Annmelderin: Sensics, Inc.; Prioritätstag: 02.11.2006 und 19.06.2007) erläutert.Other aspects of determining a pose with a camera are e.g. B. in the documents US 2010/0 232 727 A1 (Applicant: Metaio GmbH; filing date: May 22, 2008) and document US 2012/0 169 887 A1 (Applicant: AiLive Inc.; filing date: 01/05/2011) and DE 69 132 952 T2 (Owner: Sun Microsystems, Inc.; priority date: 11/30/1990), U.S. 7,529,387 B2 (Owner: Canon Kabushiki Kaisha; filing date: 05/11/2005), U.S. 8,081,815 B2 (Owner: Canon Kabushiki Kaisha; filing date: 08/08/2007), U.S. 8,217,995 B2 (Owner: Lockhead Martin Corporation; filing date: 01/17/2009) and WO 2008/055 262 A2 (Applicant: Sensics, Inc.; priority dates: 11/02/2006 and 06/19/2007).

Im Artikel „virtuell und doch realistisch“, SBZ Ausgabe 06-2014, 5. März 2014 (https://www.sbz-online-de/sbz-schwerpunkt/neue-technologie-bringt-neue-moeglichkeiten-virtuell-und-dochrealistisch) wird als nächstliegendem Stand der Technik eine 3D-Badplanung mit einer Raumbrille und einer an der Decke eines Raumes angeordneten Kamera beschrieben. Dabei detektiert die Kamera an der Decke des Raumes einen am Kopf getragenen schwarzen fünfeckigen Ring, der mit weißen Kugeln bestückt ist.In the article "virtual and yet realistic", SBZ issue 06-2014, March 5, 2014 realistically), a 3D bathroom planning with room glasses and a camera arranged on the ceiling of a room is described as the closest prior art. The camera detects a black pentagonal ring on the ceiling of the room, which is fitted with white balls and is worn on the head.

Aus Varracella, Alberto; De Momi, Elena; Valenti, Marta; Ferrigno, Giancarlo et al. „Application of unscented Kalman filter for robust pose estimation in image-guided surgery“, Medical Imaging 2012, image guided procedures, robotic interventions and Modelling; International Society for Optics and Photonics (SPIE) ist ein Kalman-Filter bekannt geworden, der in einem Tracking System eingesetzt werden kann.From Varracella, Alberto; De Momi, Elena; Valentini, Martha; Ferrigno, Giancarlo et al. "Application of unscented Kalman filter for robust pose estimation in image-guided surgery", Medical Imaging 2012, image guided procedures, robotic interventions and modelling; The International Society for Optics and Photonics (SPIE) has disclosed a Kalman filter that can be used in a tracking system.

Einzelne Aspekte, die bei der mathematischen Ausgestaltung von Algorithmen hilfreich sein können, sowie Erläuterungen zu Begrifflichkeiten sind in den folgenden Veröffentlichungen enthalten: Zu Struktur aus Bewegung (Structure-from-Motion) siehe Linda G. Shapiro, George C. Stockman in „Computer Vision“, Prentice Hall, (2001); zu Kontrollalgorithmus zum Ausschluss von Fehlerbereichen (RANSAC-Algorithmus) siehe M. A. Fischler, und R. C. Bolles in „Random sample consensus: a paradigm for model fitting with applications to image analysis and automated cartography“, Commun. ACM, 24(6): S.381 bis S. 395 (1981); zu Ensemble-Anpassung-Algorithmus (Bundle Adjustment Algorithm) siehe B. Triggs, P. Mclauchlan,
R. Hartley und A. Fitzgibbon, Kapitel „Bundle adjustment - a modern synthesis“ in „Vision Algorithms: Theory and Practice“, LNCS, Seite 298 bis Seite 375, Springer Verlag, (2000); zu Hough-Transformation siehe US 3 069 654 (Erfinder: Paul V. C. Hough; Anmeldetag: 25.03.1960); zu 4-Parametrische Darstellung siehe J. B. Kuipers „Quaternions and Rotation Sequences: A Primer with Applications to Orbits, Aerospace, and Virtual Reality“, Mathematical Sciences Series, Princeton University Press (1999), ISBN 9780691058726; zu Kalmanfilter siehe Y. Bar-Shalom und Xiao Rong Li, „Estimation with Applications to Tracking and Navigation“, John Wiley & Sons, Inc., New York, NY, USA (2001), ISBN 047141655X; zu Linearisierter Kalmanfilter siehe Y. Bar-Shalom und Xiao Rong Li, „Estimation with Applications to Tracking and Navigation“, John Wiley & Sons, Inc., New York, NY, USA (2001); zu Partikelfilter (Condensation algorithm, Sequential Monte Carlo) siehe B. Ristic, S. Arulampalam, N. Gordon, „Beyond the Kalman Filter: Particle Filters for Tracking Applications“, Artech House (2004), siehe auch A. J. Haug, „A Tutorial on Bayesian Estimation and Tracking Techniques Applicable to Nonlinear and Non-Gaussian Processes“, The MITRE Corporation, USA, Tech. Rep., Feb. Retrieved 2008-05-06 (2005); zu Quaternionenbasiertes Trackingfilter siehe F. L. Markley, „Attitude Error Representations for Kalman Filtering“ in Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 26 (2), Seite 311 bis Seite 317, (März 2003), siehe auch I. Y. Bar-Itzhack, und Y. Oshman „Attitude Determination from Vector Observations: Quaternion Estimation“ in IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 21 (1), Seite 128 bis Seite 136, (Jan. 1985), sowie I. Y Bar-Itzhack,.J. Deutschmann und F. L. Markley, „Quaternion Normalization in Additive EKF For Spacecraft Attitude Determination“ in NASA Technical Documents, Seite 403 bis Seite 421, (Feb. 1993).
Individual aspects that can be helpful in the mathematical design of algorithms, as well as explanations of terminology, are contained in the following publications: For structure-from-motion, see Linda G. Shapiro, George C. Stockman in “Computer Vision “, Prentice Hall, (2001); on the control algorithm to exclude error regions (RANSAC algorithm) see MA Fischler, and RC Bolles in “Random sample consensus: a paradigm for model fitting with applications to image analysis and automated cartography”, Commun. ACM, 24(6): p.381 to p.395 (1981); for ensemble adjustment algorithm (bundle adjustment algorithm) see B. Triggs, P. Mclauchlan,
R. Hartley and A. Fitzgibbon, Chapter "Bundle adjustment - a modern synthesis" in "Vision Algorithms: Theory and Practice", LNCS, page 298 to page 375, Springer Verlag, (2000); for Hough transformation see U.S. 3,069,654 (Inventor: Paul VC Hough; filing date: 03/25/1960); for 4-Parametric representation see JB Kuipers "Quaternions and Rotation Sequences: A Primer with Applications to Orbits, Aerospace, and Virtual Reality", Mathematical Sciences Series, Princeton University Press (1999), ISBN 9780691058726; on Kalman filters, see Y Bar-Shalom and Xiao Rong Li, "Estimation with Applications to Tracking and Navigation", John Wiley & Sons, Inc., New York, NY, USA (2001), ISBN 047141655X; on the linearized Kalman filter, see Y. Bar-Shalom and Xiao Rong Li, "Estimation with Applications to Tracking and Navigation", John Wiley & Sons, Inc., New York, NY, USA (2001); on particle filters (condensation algorithm, sequential Monte Carlo) see B Ristic, S Arulampalam, N Gordon, “Beyond the Kalman Filter: Particle Filters for Tracking Applications”, Artech House (2004), see also AJ Haug, “A Tutorial on Bayesian Estimation and Tracking Techniques Applicable to Nonlinear and Non-Gaussian Processes”, The MITER Corporation, USA, Tech. Rep., Feb. Retrieved 2008-05-06 (2005); for quaternion-based tracking filter see FL Markley, "Attitude Error Representations for Kalman Filtering" in Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 26 (2), page 311 to page 317, (March 2003), see also IY Bar-Itzhack, and Y Oshman "Attitude Determination from Vector Observations: Quaternion Estimation" in IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 21 (1), page 128 to page 136, (Jan. 1985), and I. Y Bar-Itzhack, J. Deutschmann and FL Markley, "Quaternion Normalization in Additive EKF For Spacecraft Attitude Determination," in NASA Technical Documents, pp. 403-421, (Feb. 1993).

Ein Verfahren zur monokularen omnidirektionalen Erfassung von Kopfbewegungen im sichtbaren Lichtspektrum ist in dem Artikel von Giroen Lichtenauer und Maya Pantic, 2011 IEEE International Conference on Computervision Workshop, Seite 430 bis Seite 436, (2011) beschrieben. Die verwendeten Markerstrukturen sind an einem Metallrahmen befestigt, der auf dem Kopf getragen werden kann. Die Markeranordnung kann mit Winkeln von bis zu 90° in Frontalansicht verwendet werden. Die Marker sind zur Vermeidung von möglichen Abdeckungen an Stäben befestigt, die vom Kopf abstehen. In einem ersten Schritt ist es erforderlich, ein Ausgangsmodell der Markerstruktur zu bestimmen. Hierbei müssen Punkt-zu-Punkt Messungen von Markern vorgenommen werden. Der Metallrahmen passt sich flexibel dem Kopf an, weshalb die Markerpositionen veränderlich sind. Für die Positionsbestimmung werden Marker ausgewählt, die eine nahezu gleichseitige Dreiecksanordnung bilden. Damit werden tendenziell weit beabstandete Marker zu Auswertung vorausgewählt. Die Verwendung einer flexiblen Markerstruktur erhöht die Gefahr, dass sich während des Tragens die Struktur ändert und dadurch die Verfolgung der Marker größere Fehler aufweist oder unterbrochen wird.A method for monocular omnidirectional detection of head movements in the visible light spectrum is described in the article by Giroen Lichtenauer and Maya Pantic, 2011 IEEE International Conference on Computervision Workshop, page 430 to page 436, (2011). The marker structures used are attached to a metal frame that can be worn on the head. The marker array can be used with angles up to 90° in frontal view. The markers are attached to sticks protruding from the head to avoid possible masking. In a first step it is necessary to determine an initial model of the marker structure. Here, point-to-point measurements of markers must be made. The metal frame adapts flexibly to the head, which is why the marker positions can be changed. To determine the position, markers are selected that form an almost equilateral triangular arrangement. In this way, markers that are far apart tend to be preselected for evaluation. The use of a flexible marker structure increases the risk that the structure will change during wear and that the tracking of the markers will exhibit major errors or be interrupted as a result.

Von dem Unternehmen Immersight GmbH wurde bereits eine Ausführungsform eines Markerträgers mit einem fünfeckigen Querschnitts präsentiert, auf dem mehrere Marker auf Flächenelementen angeordnet sind. Der Markerträger kann um den Kopf einer Person ungefähr auf Augenhöhe mittels einer Videobrille getragen werden. Die Kopfstellung und die Bewegung der Person im Raum werden in einem System über eine Kamera ermittelt. Die Kopfposition lässt sich in eine Präsentation einer virtuellen Umgebung, z. B. aus einem rechnergestützten Entwicklungsprogramm (CAD), zur Darstellung auf einer Videobrille umrechnen. Damit können bereits beeindruckende visuelle Darstellungen erzeugt werden.The company Immersight GmbH has already presented an embodiment of a marker carrier with a pentagonal cross section, on which several markers are arranged on surface elements. The marker carrier can be worn around a person's head at approximately eye level using video goggles. The position of the head and the movement of the person in space are determined in a system using a camera. The head position can be incorporated into a presentation of a virtual environment, e.g. B. from a computer-aided development program (CAD), convert to display on video glasses. Impressive visual representations can already be generated with this.

Aufgabenstellungtask

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und die Bestimmung einer Position weiter zu verbessern und möglichst exakte Positionsdaten in Echtzeit, oder zumindest in einer Zeitfolge die unterhalb der menschlichen Wahrnehmungsschwelle liegt, bereitzustellen. Nach einem weiteren Aspekt besteht eine Aufgabe darin, gewonnene Positionsdaten zur weiteren Verbesserung eines visuellen Eindrucks einer virtuellen Umgebung innerhalb eines Systems zu verwerten. Damit sollen z. B. Bewegungen in einer virtuellen Welt noch beeindruckender erscheinen, weil die Darstellung der Bewegung einem natürlichen bzw. einem tatsächlichen Bewegungsablauf noch besser entspricht.The object of the present invention is to avoid the disadvantages of the prior art and to further improve the determination of a position and to provide position data that is as exact as possible in real time, or at least in a time sequence that is below the human perception threshold. According to a further aspect, an object consists in using position data obtained to further improve a visual impression of a virtual environment within a system. This should z. B. Movements in a virtual world appear even more impressive because the representation of the movement corresponds even better to a natural or an actual movement sequence.

Erfindungsbeschreibunginvention description

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil eines Verfahrens nach Anspruch 1 und den kennzeichnenden Teil eines Verfahrens nach Anspruch 8 gelöst, sowie durch ein System, das die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 18 aufweist.The object according to the invention is solved by the characterizing part of a method according to claim 1 and the characterizing part of a method according to claim 8, and by a system having the features of the characterizing part of claim 18.

Die Pose eines Objekts, die auch als Lage eines Objekts bzw. Lage eines Gegenstands bezeichnet werden kann, wird aus Kamerabildern ermittelt. Positionsdaten können auch bei schnellen Bewegungen oder Drehungen in guter Qualität, d.h. insbesondere ununterbrochen, bereitgestellt werden. Bereits ein einziges Kamerabild kann ausreichen, um eine präzise Abschätzung für die Lage eines Objekts zu erhalten.The pose of an object, which can also be referred to as the position of an object or the position of an item, is determined from camera images. Position data can be of good quality even with fast movements or turns, ie in particular uninterrupted. Even a single camera image can be sufficient to obtain a precise estimate of the position of an object.

Besonders zuverlässig sind erfindungsgemäße Verfahren, die es ermöglichen die Lage eines Objekts in jeder theoretisch einnehmbaren Pose zu bestimmen. Nach einem zeitlichen Aspekt kann eine einnehmbare Pose auch als eine geänderte gegenständliche Lage bezeichnet werden. Eine geänderte gegenständliche Lage lässt sich z. B. durch eine erste Bilddatenpixelanordnung und eine zweite Bilddatenpixelanordnung festhalten. Die geänderte gegenständliche Lage ist ausgehend von einer Ausgangslage einnehmbar. Die Ausgangslage kann daher auch als eine erste gegenständliche Lage bezeichnet werden. Vorzugweise werden die Bilder mit einer einzigen Kamera, wie eine schwarz/weiß-Kamera, aufgenommen. Handelsübliche Digitalkameras können verwendet werden. Die Aufnahmen erfolgen mit einer Bildwiederholrate. Die Bildwiederholrate hat eine Größe, mit der ein Bewegungsablauf insbesondere schrittweise, mit anderen Worten ohne Auslassung einzelner Bewegungsphasen, abbildbar ist. Die Bestimmung der Lage eines Objekts lässt sich besonders schnell ausführen, wenn eine Vorinformation über die geometrische Struktur des Objekts vorliegt. Eine anfängliche Bestimmung einer gegenständlichen Lage wird auch als Initialisierung bezeichnet.Methods according to the invention that make it possible to determine the position of an object in any pose that can theoretically be assumed are particularly reliable. From a temporal perspective, an adoptable pose can also be referred to as a changed physical location. A changed objective situation can e.g. by a first image data pixel array and a second image data pixel array. The changed objective position can be taken from an initial position. The starting position can therefore also be referred to as a first physical position. Preferably, the images are captured with a single camera, such as a black and white camera. Commercially available digital cameras can be used. The recordings are made with a frame rate. The image refresh rate has a size with which a movement sequence can be imaged, in particular step by step, in other words without omitting individual movement phases. The position of an object can be determined particularly quickly if prior information about the geometric structure of the object is available. An initial determination of a physical situation is also referred to as initialization.

Eine Objektstruktur lässt sich anhand einzelner Markerpunkte festlegen. Ein Markerpunkt kann eine Stelle des Objekts sein, die sich von einem Umgebungsbereich des Objekts unterscheidet. Es ist auch möglich, an einem Objekt Markerelemente vorzusehen. Ein Markerpunkt kann z. B. ein Mittelpunkt eines Markerelements sein. Anders gesagt kann durch ein Markerelement ein Punkt an einer Struktur eines Objekts messbar festgelegt sein. Die Festlegung ist nach einem Aspekt eindeutig. Eine Position eines Objektpunkts entspricht einer Position eines Markerpunkts. Auch die erhobene Position eines Markerpunkts legt die Position eines Objekts in drei Freiheitsgraden fest. Bei Objekten, die z. B. in Form oder Farbe veränderlich sind, ist es vorteilhaft für die Bestimmung einer gegenständlichen Lage, wenn dem veränderlichen Objekt ein Markerträger zugeordnet ist. Auf dem Markerträger sind Markerpunkte in Gestalt von Markerelementen angeordnet. Die Anordnung der Markerelemente zueinander ist festgelegt. Der Markerträger ist vorzugsweise forminvariant. Der Markerträger kann von dem Objekt oder von einer Person getragen werden. Nach einem Aspekt kann der Markerträger auch selbst als Objekt bezeichnet werden, dem eine gegenständliche Lage zukommt. Eine gegenständliche Lage wird eindeutig durch drei räumliche Dimensionen und eine Orientierung beschrieben. Durch ein Markerelement, insbesondere einen Mittelpunkt eines Markerelements, wird eine Position eines Objektpunkts angezeigt.An object structure can be defined using individual marker points. A marker point can be a location of the object that differs from a surrounding area of the object. It is also possible to provide marker elements on an object. A marker point can e.g. B. be a center point of a marker element. In other words, a point on a structure of an object can be measurably defined by a marker element. The definition is clear in one respect. A position of an object point corresponds to a position of a marker point. Also, the elevated position of a marker point defines the position of an object in three degrees of freedom. For objects that B. are variable in shape or color, it is advantageous for the determination of a physical situation when the variable object is assigned a marker carrier. Marker points are arranged on the marker carrier in the form of marker elements. The arrangement of the marker elements relative to each other is fixed. The marker carrier is preferably shape invariant. The marker carrier can be carried by the object or by a person. According to one aspect, the marker carrier itself can also be referred to as an object that has a physical position. A physical situation is clearly described by three spatial dimensions and an orientation. A position of an object point is indicated by a marker element, in particular a center point of a marker element.

Die Markerelemente bilden in einer jeweiligen Position auf dem Markerträger eine Markerkonfiguration. Eine Mehrzahl von Markerelementen liegt in einer Konfiguration vor. Die Markerkonfiguration kann auch als eine Konfiguration von Markerpunkten bezeichnet werden. Die Markerkonfiguration ist z. B. aus der Herstellung des Markerträgers vorbekannt. Nach einem Aspekt liegt die bekannte Markerkonfiguration als Datensatz vor, die auch als Markerkonfigurationsdaten bezeichnet werden. Es ist auch möglich die Markerkonfiguration an einem veränderbaren Markerträger durch einen Algorithmus, insbesondere aus einer Folge von zweidimensionalen Bildern, zu ermitteln. Der Markerträger oder auch die Markerkonfiguration ist zumindest einem Koordinatentupel eines Objekts zuordnenbar, wobei das Koordinatentupel zumindest drei räumliche Dimensionen und eine Orientierung beschreibt. Eine in einem Raum eingenommene Lage einer Markerkonfiguration, insbesondere bezogen auf einen Fixpunkt des Raums, wird auch als Markerpositionskonfiguration bezeichnet. Eine Markermodellkonfiguration umfasst eine Konfiguration von Markerpunktkoordinaten, die eine rechnerisch bereitgestellte Markerpositionskonfigurationshypothese darstellt.The marker elements form a marker configuration in a respective position on the marker carrier. A plurality of marker elements are present in a configuration. The marker configuration can also be referred to as a configuration of marker points. The marker configuration is e.g. B. already known from the production of the marker carrier. According to one aspect, the known marker configuration is available as a data record, which is also referred to as marker configuration data. It is also possible to determine the marker configuration on a changeable marker carrier using an algorithm, in particular from a sequence of two-dimensional images. The marker carrier or also the marker configuration can be assigned to at least one coordinate tuple of an object, the coordinate tuple describing at least three spatial dimensions and one orientation. A position taken by a marker configuration in a room, in particular in relation to a fixed point in the room, is also referred to as a marker position configuration. A marker model configuration includes a configuration of marker point coordinates that represents a computationally provided marker position configuration hypothesis.

Die Bestimmung der Pose bzw. der Lage erfolgt mit einer Digitalkamera. Die Digitalkamera kann einen Markerträger filmen oder fotografieren. Die optischen Kamerabilder werden in der Digitalkamera in elektronische Daten, die auch als Bilddaten bezeichnet werden, gewandelt. Die Bilddaten werden einer Recheneinheit zugeführt, welche insbesondere eine Speichereinheit aufweist. Zwischen der Recheneinheit und der Digitalkamera liegt eine Bilddatenerfassungsverbindung vor, die z. B. über eine Leitungsverbindung oder als eine Funkverbindung, wie eine Infrarotverbindung, ausgebildet sein kann. In der Recheneinheit wird die gegenständliche Lage bestimmt. Die Recheneinheit wertet Bilddaten aus. Die Bilddaten dienen der Bestimmung der Lage eines Objekts, die zu dem Zeitpunkt der Bilderfassung eingenommen ist. In Versuchen hat sich herausgestellt, dass Verfahren zur Bestimmung einer gegenständlichen Lage besonders genau arbeiten, wenn ein Markerträger verwendet wird, der mindestens sechs Markerelemente in einer vorbekannten Markerkonfiguration aufweist. Die Markerelemente sind zueinander beabstandet angeordnet. Die Markerkonfiguration nimmt auf dem Markerträger eine Position ein. Durch die Markerkonfiguration auf dem Markerträger lässt sich eine Richtung bezogen auf den Markerträger festlegen. Eine Richtung kann z. B. mit einer Orientierung angegeben werden. Die dem Markerträger zugeordnete Richtung kann eine Richtung eines Objekts, wie eine Drehrichtung, eine Bewegungsrichtung, eine Laufrichtung oder eine Flugrichtung, die auch als Translationsrichtung oder Rotationsrichtung bezeichnet werden können, sein. Der Markerträger ist an einem Objekt befestigbar. Die Richtung kann allerdings auch eine Kopfstellung oder eine Blickrichtung einer Person sein, die den Markerträger z. B. auf dem Kopf trägt. Position, Richtung oder auch Orientierung können z. B. mittels Koordinaten oder Vektoren abstrakt, insbesondere zusammengefasst als Datentupel, dargestellt werden.The pose or position is determined with a digital camera. The digital camera can film or photograph a marker carrier. In the digital camera, the optical camera images are converted into electronic data, which are also referred to as image data. The image data are supplied to a computing unit, which in particular has a memory unit. There is an image data acquisition connection between the processing unit and the digital camera. B. via a line connection or as a radio connection such as an infrared connection can be formed. The physical position is determined in the processing unit. The computing unit evaluates image data. The image data are used to determine the position of an object at the time the image was captured. Experiments have shown that methods for determining a position of objects work particularly accurately if a marker carrier is used which has at least six marker elements in a previously known marker configuration. The marker elements are arranged at a distance from one another. The marker configuration occupies a position on the marker carrier. A direction relative to the marker carrier can be defined by the marker configuration on the marker carrier. For example, a direction can B. be specified with an orientation. The direction assigned to the marker carrier can be a direction of an object, such as a direction of rotation, a direction of movement, a direction of travel or a direction of flight, which can also be referred to as a direction of translation or direction of rotation. The marker carrier can be attached to an object. However, the direction can also be a head position or a line of sight of a person who z. B. carries on the head. Position, direction or orientation can e.g. B. by means of coordinates or vectors abstract, in particular summarized as data tuples.

Ein Markerelement nimmt im Raum eine Markerposition ein. Die Markerposition ist von der Digitalkamera erfassbar. Die Digitalkamera zeichnet Licht, das von einem Markerelement ausgeht, auf. Licht, das von dem Markerelement aktiv oder passiv ausgesendet werden kann, wird durch einen Kamerachip auf eine elektronische Bilddatenpixelanordnung abgebildet. Der Raumbereich in drei Dimensionen, in dem sich ein Markerelement befindet, wird auf eine zweidimensionale Pixelanordnung abgebildet, aus der die zu erfassenden Bilddaten hervorgehen. In der Recheneinheit werden die Bilddaten bzw. die Bilddatenpixelanordnung ausgewertet. Vorzugsweise nimmt ein Markerelement in der Bilddatenpixelanordnung mindestens ein Pixel ein, womit ein von der Digitalkamera zu leistendes Auflösungsvermögen festgelegt werden kann. Nach einem anderen Aspekt bestimmt eine Pixelgröße im Verhältnis zu einer Markergröße bei einem gegebenen, festliegenden Abbildungsverhältnis durch eine Digitalkamera einen, vorzugsweise maximalen, Abstand zwischen der Digitalkamera und dem Markerelement. Aufgrund der innerhalb eines Pixels erfolgten Helligkeitsintegration und der möglichen Aufteilung der Helligkeit eines Markerelements, z. B. über vier in einem Quadrat angeordnete Pixel, sollte das Auflösungsvermögen, zumindest bei passiven, lichtstreuenden Markerelementen, nicht unterschritten werden. Damit ist ein Markerelement in einer Bilddatenpixelanordnung als ein Markerbildbereich auffindbar.A marker element occupies a marker position in space. The marker position can be captured by the digital camera. The digital camera records light emanating from a marker element. Light, which can be actively or passively emitted by the marker element, is imaged by a camera chip onto an electronic image data pixel arrangement. The spatial area in three dimensions, in which a marker element is located, is mapped onto a two-dimensional pixel arrangement, from which the image data to be captured emerge. The image data or the image data pixel arrangement are evaluated in the processing unit. A marker element in the image data pixel arrangement preferably occupies at least one pixel, with which a resolution to be provided by the digital camera can be defined. According to another aspect, a pixel size in relation to a marker size determines a, preferably maximum, distance between the digital camera and the marker element for a given, fixed imaging ratio by a digital camera. Due to the brightness integration that took place within a pixel and the possible distribution of the brightness of a marker element, e.g. B. over four pixels arranged in a square, the resolution should not be undershot, at least in the case of passive, light-scattering marker elements. A marker element can thus be found in an image data pixel arrangement as a marker image region.

In der Recheneinheit kann ein Verfahren, wie das Verfahren zur Bestimmung einer gegenständlichen Lage, durch einen Softwarecode programmiert sein. Die Recheneinheit führt Algorithmen aus. Ein Algorithmus kann nach einem Systemaspekt auch als eine Einheit bezeichnet werden, die in der Recheneinheit vorliegen. Anders gesagt sind Algorithmen Untereinheiten einer Recheneinheit, die neben den internen Betriebseinheiten der Recheneinheit zur Ausführung vorgehalten werden.A method, such as the method for determining a physical position, can be programmed in the computing unit by means of a software code. The computing unit executes algorithms. According to a system aspect, an algorithm can also be referred to as a unit that is present in the computing unit. In other words, algorithms are sub-units of an arithmetic unit that are kept available for execution alongside the internal operating units of the arithmetic unit.

Die Recheneinheit ist mit einem Markererkennungsalgorithmus ausgestattet. Der Markererkennungsalgorithmus dient der Auffindung eines Markerbildbereichs in der zweidimensionalen Bilddatenpixelanordnung. Vorzugsweise wird jeder der abgebildeten Markerelemente als Markerbildbereich von dem Markererkennungsalgorithmus aufgefunden. Als Markererkennungsalgorithmus eignet sich z. B. die sogenannte Hough-Transformation. Die Hough-Transformation ist ein robustes globales Verfahren zur Erkennung von Geraden, Kreisen oder beliebigen anderen parametrisierbaren geometrischen Figuren in einem binären Gradientenbild, also einem Schwarz-Weiß-Bild, anhand des Auffindens von Kanten. Die Hough-Transformation eignet sich, um kugelförmige Marker oder Markerelemente in einer Bilddatenpixelanordnung zu erkennen.The computing unit is equipped with a marker detection algorithm. The marker detection algorithm is used to find a marker image area in the two-dimensional image data pixel arrangement. Each of the mapped marker elements is preferably found as a marker image area by the marker detection algorithm. A suitable marker detection algorithm is e.g. B. the so-called Hough transform. The Hough transform is a robust global method for recognizing straight lines, circles or any other parameterizable geometric figures in a binary gradient image, i.e. a black-and-white image, based on finding edges. The Hough transform is useful for detecting spherical markers or marker elements in an image data pixel array.

Die zweidimensionale Bilddatenpixelanordnung wird verwendet, um eine dreidimensionale Markerpositionskonfiguration zu berechnen. Die dreidimensionale Markerpositionskonfiguration kann als die räumliche Anordnung, in der die Markerelemente im Aufnahmebereich der Digitalkamera vorliegen, bezeichnet werden. Nach einem Aspekt ist in der Markerpositionskonfiguration auch der Abstand zwischen Markerträger und Digitalkamera enthalten. Abstandsänderungen zwischen einer Markerkonfiguration und einer Digitalkamera sind schnell auswertbar. Marker können auch als Markerelemente bezeichnet werden. Nach einem Aspekt können Marker Markerelemente umfassen.The two-dimensional image data pixel array is used to calculate a three-dimensional marker position configuration. The three-dimensional marker position configuration can be referred to as the spatial arrangement in which the marker elements are present in the field of view of the digital camera. In one aspect, the marker position configuration also includes the distance between the marker carrier and the digital camera. Changes in distance between a marker configuration and a digital camera can be evaluated quickly. Markers can also be referred to as marker elements. In one aspect, markers can include marker elements.

Der Markerträger weist mindestens zwei fest miteinander verbundene Trägerflächenelemente auf, die als ein erstes und als ein zweites Trägerflächenelement bezeichnet werden können. Ein Trägerflächenelement ist ein Flächenelement, das vorzugsweise ein Verhältnis von einer Längsseite zu einer Schmalseite aufweist, das z. B. ein Verhältnis von 10:1 nicht überschreitet. Das kann Trägerflächenelement zur Längsseite und Schmalseite noch eine Dicke aufweist, die insbesondere weniger als 10 mm (Millimeter), vorzugsweise weniger als 2 mm beträgt. Ein Trägerflächenelement ist vorzugsweise ebenflächig. Auf dem Trägerflächenelement angeordnete Markerelemente verschwinden bei einer Winkelstellung des Trägerflächenelements bezogen auf die Digitalkamera nicht hinter dem Horizont einer Wölbung. Das erste und das zweite Trägerflächenelement weisen eine Winkelstellung zueinander auf. Ein Winkel zwischen zwei Trägerflächenelementen beträgt vorzugsweise mindestens 90°. Dem ersten Trägerflächenelement sind mindestens drei der mindestens sechs Markerelemente zugeordnet. Die Markerelemente besitzen eine zwei- oder drei-dimensionale Form, die sie von dem Trägerflächenelement unterscheidet. Markerelemente sind z. B. kugelförmige Objekte, die auf dem Trägerflächenelement angeordnet sind. Weitere Markerelemente sind dem zweiten Trägerflächenelement oder auch weiteren, vorliegenden Trägerflächenelementen zugeordnet. Das erste Trägerflächenelement mit den zugeordneten Markerelementen unterscheidet sich von dem zweiten Trägerflächenelements durch die zugeordneten Markerelementen und insbesondere von allen weiterer Trägerflächenelemente mit zugeordneten Markerelementen. Die Unterscheidbarkeit ergibt sich aus der abweichenden Konfigurierung der Markerelemente auf einem jeweiligen Trägerflächenelement. Bei gleichartigen Markerelementen unterscheiden sich vorzugsweise die Abstände, die die Markerelemente auf einem Trägerflächenelement zueinander aufweisen. Liegen die Markerelemente auf einem Trägerflächenelement in einer Dreieckskonfiguration vor, so ist vorzugsweise zumindest einer der Dreieckswinkel nur einmalig in der vorbekannten Markerkonfiguration vorhanden. Vorteilhaft ist es auch, wenn alle Dreieckswinkel, die in der Markerkonfiguration, insbesondere auf einem Trägerflächenelement, vorliegen, voneinander abweichen. Die Markerelemente der Markerkonfiguration sind bereichsweise unterscheidbar konfiguriert.The marker carrier has at least two carrier surface elements which are firmly connected to one another and which can be referred to as a first and a second carrier surface element. A carrier surface element is a surface element which preferably has a ratio of a long side to a narrow side, e.g. B. does not exceed a ratio of 10:1. The carrier surface element can also have a thickness on the long side and narrow side, which is in particular less than 10 mm (millimeters), preferably less than 2 mm. A carrier surface element is preferably planar. Marker elements arranged on the carrier surface element do not disappear behind the horizon of a curvature when the carrier surface element is in an angular position relative to the digital camera. The first and the second carrier surface element have an angular position in relation to one another. An angle between two carrier surface elements is preferably at least 90°. At least three of the at least six marker elements are assigned to the first carrier surface element. The marker elements have a two- or three-dimensional shape that distinguishes them from the carrier surface element. Marker elements are e.g. B. spherical objects, which are arranged on the support sheet. Further marker elements are assigned to the second surface element or to other surface elements that are present. The first carrier surface element with the associated marker elements differs from the second carrier surface element by the associated marker elements and in particular from all other carrier surface elements with associated marker elements. The distinguishability results from the different configuration of the marker elements on a respective carrier surface element. In the case of marker elements of the same type, the distances between the marker elements on a carrier surface element preferably differ. If the marker elements are present on a carrier surface element in a triangular configuration, at least one of the triangular angles is preferably present only once in the previously known marker configuration. It is also advantageous if all triangular angles that are present in the marker configuration, in particular on a carrier surface element, deviate from one another. The marker elements of the marker configuration are configured so that they can be differentiated by area.

Die Berechnung der Markerpositionskonfiguration erfolgt aus drei gemeinsam für die Digitalkamera sichtbaren Markerelementen, die in der Markerkonfiguration vorliegen. Bei der Berechnung kommt ein Vergleichsalgorithmus zum Einsatz. Der Vergleichsalgorithmus wird auf drei gemeinsam von der Digitalkamera in einer Bilddatenpixelanordnung erfasste Markerelemente, die der Markerkonfiguration angehören, und eine Markermodellkonfiguration angewendet. Anders gesagt wird der Vergleichsalgorithmus auf die Bildbereiche der Markerelemente, insbesondere auf einen Koordinatensatz des jeweiligen Bildbereichs angewendet. Die Markermodellkonfiguration geht aus der bekannten Markerkonfiguration hervor. Die Markermodellkonfiguration ist eine perspektivische Darstellung der Markerkonfiguration, die z. B. als ein Datensatz in der Recheneinheit vorliegt. Die Markermodellkonfiguration wird, insbesondere bereichsweise, vorzugsweise mit einem Projektionsalgorithmus, auf die Ebene der Markerbildbereiche projiziert. Mathematisch wird die Projektion mit einer sogenannten Projektionsgleichung durchgeführt, deren Lösung in der Recheneinheit erfolgt. Die Projektion wird auf drei Markerbildbereiche gerichtet. Die drei Markerbildbereiche sind eine Untergruppe aus allen aufgefundenen Markerbildbereichen einer Bilddatenpixelanordnung. Die Untergruppe kann z. B. auch fünf Markerbildbereiche umfassen aus denen verschiedene Kombinationen von drei Markerbildbereichen gebildet werden.The marker position configuration is calculated from three marker elements that are jointly visible to the digital camera and that are present in the marker configuration. A comparison algorithm is used for the calculation. The comparison algorithm is applied to three marker elements that belong to the marker configuration and a marker model configuration that are captured jointly by the digital camera in an image data pixel arrangement. In other words, the comparison algorithm is applied to the image areas of the marker elements, in particular to a set of coordinates of the respective image area. The marker model configuration emerges from the known marker configuration. The marker model configuration is a perspective representation of the marker configuration, e.g. B. is present as a data set in the computing unit. The marker model configuration is projected onto the plane of the marker image areas, in particular area by area, preferably using a projection algorithm. Mathematically, the projection is carried out with a so-called projection equation, the solution of which takes place in the computing unit. The projection is directed to three marker image areas. The three marker image areas are a subset of all found marker image areas of an image data pixel arrangement. The subgroup can e.g. B. also include five marker image areas from which different combinations of three marker image areas are formed.

Verschiedene Markermodellkonfigurationen werden sequenziell mit drei Markerbildbereichen verglichen. Der Vergleich kann auch auf parallelen Prozessoren einer Recheneinheit ausgeführt werden. Der Vergleichsalgorithmus bestimmt mindestens einen Genauigkeitswert des Vergleichs. Der Genauigkeitswert kann z. B. ein Koordinatendifferenzwert, ein Schrittweitewert oder ein Schrittzahlwert sein. Der mindestens eine Genauigkeitswert ist einer Markermodellkonfiguration zugeordnet. Ein Vergleich von Genauigkeitswerten verschiedener Markermodellkonfigurationen zeigt an, welche Markermodellkonfiguration der Markerpositionskonfiguration entspricht. Es wird rechnerisch festgelegt, welche räumliche Position und welche Orientierung die Markerpositionskonfiguration aufweist. Position und Orientierung werden anhand der zuordnenbaren Markermodellkonfiguration ausgewählt, nämlich der Markermodellkonfiguration, die am Besten zu den Markerbildbereichen passt. Damit ist die gegenständliche Lage erkannt. Insbesondere liegen die drei räumlichen Dimensionen und eine Orientierung in einer Koordinatendarstellung vor. Die eindeutig ermittelten Koordinaten, welche die Lage beschreiben, können von der Recheneinheit in zusätzlichen Algorithmen weiterverwendet werden. Die gegenständliche Lage, die z. B. von einem Objekt oder einer Person, welcher der Markerträger zugeordnet ist, zumindest nach einem Aspekt eingenommen ist, ist somit bestimmt. Demnach ist die Lage erkannt oder anders gesagt ausgemacht.Different marker model configurations are sequentially compared to three marker image areas. The comparison can also be carried out on parallel processors of a computing unit. The comparison algorithm determines at least one accuracy value of the comparison. The accuracy value can e.g. B. a coordinate difference value, an increment value or a step number value. The at least one accuracy value is associated with a marker model configuration. A comparison of accuracy values of different marker model configurations indicates which marker model configuration corresponds to the marker position configuration. It is determined by calculation which spatial position and which orientation the marker position configuration has. Position and orientation are selected based on the assignable marker model configuration, namely the marker model configuration that best fits the marker image areas. The present situation is thus recognized. In particular, the three spatial dimensions and an orientation are present in a coordinate representation. The clearly determined coordinates, which describe the position, can be further used by the computing unit in additional algorithms. The situation in question, the z. B. is occupied by an object or a person to which the marker carrier is assigned, at least according to one aspect, is thus determined. Accordingly, the situation is recognized or, to put it another way, agreed.

Es ist auch möglich mit einem erfindungsgemäßen Verfahren schnell eine geänderte gegenständliche Lage zu bestimmen. Eine geänderte gegenständliche Lage liegt insbesondere dann vor, wenn ein Markerträger ausgehend von einer ersten Position eine zweite Position einnimmt. Beispielsweise kann eine Person oder ein Objekt, das dem Markerträger zugeordnet ist, eine Pose einnehmen. Eine Pose ist z. B. eine Neigung eines Markerträgers, die einer Kopfneigung entspricht. Eine Pose ist auch eine Drehstellung eines Markerträgers, die einer Kopfdrehung entspricht. Nach einem Aspekt umfasst die Pose eine Position eines Markerträgers im Raum und eine Orientierung des Markerträgers. Es kann auch von einem Ort und von einer Neigung des Markerträgers gesprochen werden. Die Orientierung ist nach einem weiteren Aspekt eine dem Markerträger zugeordnete Richtung. In jedem Fall liegt eine geänderte gegenständliche Lage im Ablauf einer Bewegung vor. Die geänderte gegenständliche Lage ist mit einer Digitalkamera aufzeichenbar. Eine geänderte gegenständliche Lage ist eine gegenständliche Lage, die ausgehend von einer Ausgangslage eingenommen worden ist. Eine Änderung der gegenständlichen Lage ist als eine zeitliche Folge von Änderungsschritten, die auch als Bewegungsschritte bezeichnet werden können, beschreibbar. Die gegenständliche Lage nach einem Änderungsschritt ist in einer Bilddatenpixelanordnung erfassbar. Nach einem Aspekt kann eine Ausgangslage eine bekannte Markerkonfiguration sein, die als Koordinatensatz, der alle Markerelemente einzeln umfasst, in der Recheneinheit vorliegt. Die Ausgangslage kann z. B. durch eine Erfassung von Markerbildbereichen mit einer Digitalkamera in einer ersten Bilddatenpixelanordnung in einer Recheneinheit bestimmt worden sein. Die Ausgangslage kann allerdings auch iterativ aus einer zeitlich zurückliegenden Auswertung von Markerbildbereichen bestimmt worden sein. Hierzu eignet sich z. B. eine Folge von zweidimensionalen Bilddatenpixelanordnungen, die in einem Ablauf einer Bewegung mit dem Markerträger aufgezeichnet wurde, wobei vorzugsweise alle Seiten des Markerträgers der Digitalkamera gezeigt werden.It is also possible with a method according to the invention to quickly determine a changed physical position. A changed objective situation is present in particular when a marker carrier assumes a second position, starting from a first position. For example, a person or an object associated with the marker carrier can assume a pose. For example, a pose is B. an inclination of a marker carrier, which corresponds to a head inclination. A pose is also a rotational position of a marker carrier, which corresponds to a head turn. According to one aspect, the pose includes a position of a marker carrier in space and an orientation of the marker carrier. One can also speak of a location and an inclination of the marker carrier. According to a further aspect, the orientation is a direction assigned to the marker carrier. In any case, there is a changed objective situation in the course of a movement. The changed position can be recorded with a digital camera. A changed physical position is a physical position assumed from an initial position. A change in the physical situation can be described as a chronological sequence of change steps, which can also be referred to as movement steps. The physical situation after a change step can be recorded in an image data pixel arrangement. According to one aspect, a starting position can be a known marker configuration that is present in the computing unit as a set of coordinates that individually includes all marker elements. The starting position can B. be determined by a detection of marker image areas with a digital camera in a first image data pixel arrangement in a computing unit. However, the starting point can also be iterative from a point in time that is in the past Evaluation of marker image areas have been determined. For this purpose z. a sequence of two-dimensional image data pixel arrays recorded in a sequence of motion with the marker carrier, preferably showing all sides of the digital camera marker carrier.

Bei der Aufzeichnung der Bewegung durch die Digitalkamera wird eine zeitliche Abfolge von Bilddatenpixelanordnungen aufgenommen. Ausgehend von einer ersten Bilddatenpixelanordnung, aus der heraus eine Ausgangslage festgelegt ist, wird mindestens eine weitere Bilddatenpixelanordnung aufgenommen und als Datensatz der Recheneinheit zugeführt. Diese weitere, zweidimensionale Bilddatenpixelanordnung weist in Folge einer Bewegung geänderte Markerbildbereiche auf. Geänderte Markerbildbereiche zeigen eine geänderte gegenständliche Lage an. Hierbei ist es einerseits möglich, dass eine Bewegung des Markerträgers erfolgt ist. Andererseits können geänderte Markerbildbereiche auch durch eine Bewegung der Digitalkamera vorliegen, wobei vorzugsweise der Markerträger sich an einer ortsfesten Position befindet. Es ist auch möglich, dass geänderte Bildbereiche aufgrund einer Relativbewegung zwischen Markerträger und Digitalkamera vorliegen. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann insbesondere eine geänderte relative gegenständliche Lage bestimmt werden.When the movement is recorded by the digital camera, a time sequence of image data pixel arrangements is recorded. Starting from a first image data pixel arrangement, from which an initial position is defined, at least one further image data pixel arrangement is recorded and supplied to the computing unit as a data set. This further, two-dimensional image data pixel arrangement has changed marker image areas as a result of a movement. Changed marker image areas indicate a changed physical location. On the one hand, it is possible that the marker carrier has moved. On the other hand, changed marker image areas can also be present as a result of a movement of the digital camera, with the marker carrier preferably being in a stationary position. It is also possible that there are changed image areas due to a relative movement between the marker carrier and the digital camera. In particular, a changed relative physical position can be determined by means of the method according to the invention.

Eine geänderte gegenständliche Lage ist durch eine Position und/oder eine Orientierung beschreibbar. Die geänderte Position und/oder die geänderte Orientierung können einem Objekt zugeordnet sein. Die Position bzw. die Orientierung lassen sich z. B. durch Koordinaten eines Koordinatensystems benennen. Es können Datentupel für einen Punkt im Koordinatensystem oder für eine Richtung im Koordinatensystem angegeben werden. Der Ursprung des Koordinatensystems kann theoretisch in die Digitalkamera gesetzt sein. Der Ursprung des Koordinatensystems kann aber auch in einen Punkt, wie den Mittelpunkt eines Markerträgers gesetzt sein. Es ist auch möglich dass der Ursprung des Koordinatensystems als ein Fixpunkt raumfest vorliegt. Der Zeitpunkt in dem die geänderte gegenständliche Lage vorliegt, bestimmt auch das Vorliegen einer zugeordneten Markerpositionskonfiguration. Andererseits kann aus Kenntnis der Markerpositionskonfiguration auch eine, insbesondere geänderte, gegenständliche Lage vorgegeben werden. Eine Markerpositionskonfiguration ist aus den Markerbildbereichen, die in einer weiteren Bilddatenpixelanordnung enthalten sind, festlegbar. Bei der Bestimmung der Markerpositionskonfiguration wird auch eine Markermodellkonfiguration herangezogen, die der Ausgangslage entspricht. Ein Vergleichsalgorithmus wird auf eine Anordnung von ausgewählten Markerbildbereichen und eine Markermodellkonfiguration angewendet. Bei dem Vergleich kann ein Markerbildbereich in der weiteren Bilddatenpixelanordnung aufgesucht werden, der zu einem Markerbildbereich in der Ausgangslage, insbesondere einem dem Markerbildbereich in der Ausgangslage zugeordneten Koordinatenpunkt, einen im Vergleich zu anderen Markerbildbereichen der weiteren Bilddatenpixelanordnung, insbesondere zu deren jeweiligen Koordinatenmittelpunkt, kleinsten Abstand aufweist. Ein solcher Bildbereich wird auch als nächster Nachbar bezeichnet. Nächste Nachbarn können auch für mindestens drei Markerbildbereiche, z. B. für jeweils zugeordnete Koordinatenpunkte, insbesondere der weiteren Bilddatenpixelanordnung, bestimmt werden.A changed physical situation can be described by a position and/or an orientation. The changed position and/or the changed orientation can be assigned to an object. The position and the orientation can be z. B. by coordinates of a coordinate system. Data tuples can be specified for a point in the coordinate system or for a direction in the coordinate system. The origin of the coordinate system can theoretically be set in the digital camera. However, the origin of the coordinate system can also be set in a point, such as the center point of a marker carrier. It is also possible that the origin of the coordinate system is fixed in space as a fixed point. The point in time at which the changed physical position is present also determines the presence of an associated marker position configuration. On the other hand, knowledge of the configuration of the marker position can also be used to specify a physical position, in particular a changed one. A marker position configuration is definable from the marker image areas contained in a further image data pixel arrangement. When determining the marker position configuration, a marker model configuration is also used, which corresponds to the initial position. A comparison algorithm is applied to an array of selected marker image areas and a marker model configuration. During the comparison, a marker image area in the further image data pixel arrangement can be found which is at a smallest distance from a marker image area in the initial position, in particular a coordinate point assigned to the marker image area in the initial position, in comparison to other marker image areas of the further image data pixel arrangement, in particular to their respective center of coordinates . Such an image area is also referred to as the nearest neighbor. Nearest neighbors can also be used for at least three marker image areas, e.g. B. for respectively assigned coordinate points, in particular the further image data pixel arrangement.

Wenn ein Markerbildbereich in der Bilddatenpixelanordnung nicht erscheint, weil ein entsprechendes Markerelement z. B. durch ein zweites Markerelement verdeckt ist, so kann aufgrund bekannter Markerkonfiguration auf einen solchen verdeckten, weiteren Markerbildbereich rückgeschlossen werden. Das Verfahren wird insbesondere dadurch robust, dass nicht alle Markerelemente des Markerträgers von der Digitalkamera aufgezeichnet werden müssen. Aufgrund der Vorkenntnis über eine Geometrie des Markerträgers und der Vorkenntnis über eine Markerkonfiguration ist bekannt, in welcher Modellansicht Markerträger und zugeordnete Markerelemente für die Digitalkamera sichtbar sind. Solche „sichtbaren“ Markerelemente sind bei der Auswertung einer Markermodellkonfiguration besonders zu berücksichtigen. Damit liegt ein Ergebnis des Vergleichsalgorithmus, der auf Markermodellkonfigurationen und auf Markerbildbereiche angewendet wird, schneller vor. Weiterhin wird auch die Leistungsfähigkeit eines numerischen Optimierungsverfahrens, das auf die im Vergleichsalgorithmus vorausgewählte Markermodellkonfiguration angewendet wird, noch mehr verbessert.If a marker image region does not appear in the image data pixel array because a corresponding marker element e.g. B. is covered by a second marker element, it is possible to deduce such a covered, further marker image area based on the known marker configuration. The method is particularly robust because not all marker elements of the marker carrier have to be recorded by the digital camera. Based on prior knowledge of a geometry of the marker carrier and prior knowledge of a marker configuration, it is known in which model view marker carriers and associated marker elements are visible for the digital camera. Such "visible" marker elements must be given special consideration when evaluating a marker model configuration. A result of the comparison algorithm, which is applied to marker model configurations and to marker image areas, is thus available more quickly. Furthermore, the performance of a numerical optimization method applied to the marker model configuration preselected in the comparison algorithm is improved even more.

Das Verfahren gewinnt eine besondere Genauigkeit insbesondere dadurch, dass eine Markerpositionskonfiguration eine Markerkonfiguration von einer Mehrzahl von Markern an einer Position im Raum aufweist. Die Markerkonfiguration liegt auf einem Markerträger vor. Der Markerträger weist mindestens zwei Flächenelemente auf. Die Marker auf den Flächenelementen stellen in der Gestalt des Markerträgers an einem Ort im Raum und in einer Orientierung im Raum eine Markerpositionskonfiguration dar. Die Marker, liegen in einer flächenelementweisen Anordnung vor. Die Anordnung auf einem ersten Flächenelement und die Anordnung auf einem zweiten Flächenelement unterscheiden sich. Allerdings können die Marker auch in ein Flächenelement räumlich integriert sein, z. B. als weiße oder farbige Flächenbereiche. Auf das jeweilige Flächenelement bezogen, weisen die Marker auf dem ersten Flächenelement eine andere Position auf als die Marker auf dem zweiten Flächenelement. Die Marker auf einem ersten und einem zweiten Flächenelement können nicht deckungsgleich übereinander gebracht werden. Vorzugsweise sind die Markerpositionen auf dem ersten Flächenelement und die Markerpositionen auf dem zweiten Flächenelement weder durch Drehung, noch durch Verschiebung, noch durch gleichmäßige Streckung der Konfiguration, noch durch eine Kombination dieser Operationen ineinander überführbar. Anders gesagt weicht die Anordnung von Markern, die ein erstes Flächenelement aufweist, von einer Anordnung von Markern, die ein zweites Flächenelement aufweist, ab. Zwar können drei nichtlinear angeordnete Marker durch eine räumliche Drehung immer in eine räumliche Anordnung verbracht werden. Deren Projektion auf eine ebene Fläche, wie dem Sensor einer Digitalkamera, könnte einer zweiten, ebenen Dreiecksanordnung von Markerelementen gleichen. Diese grundsätzlich bekannte Möglichkeit ist allerdings durch die Markerkonfiguration, die auf Flächenelemente bezogen ist, ausgeschlossen. Markerelemente, die auf Flächenelementen konfiguriert sind, sind nicht gruppenweise frei zueinander räumlich veränderbar. Folglich sind die Markerelemente auch in der Projektion auf eine Bilddatenpixelanordnung flächenelementeweise unterscheidbar. Insbesondere ist die Anordnung von Markerelementen auf zueinander benachbarten Flächenelementen so konfiguriert, dass in der Projektion auf eine Fläche in einer Digitalkamera Markerelemente eines ersten Flächenelements nicht z. B. dreiecksgleich zu Markerelementen eines zweiten Flächenelements vorliegen. Ein zweites Flächenelement ist zu einem ersten Flächenelement benachbart, wenn zwischen dem ersten und dem zweiten Flächenelement kein weiteres Flächenelement vorliegt. Ein Vergleichsalgorithmus, angewendet auf die Marker des ersten Flächenelements und die Marker weiterer Flächenelemente, wird keine Übereinstimmung zwischen der jeweiligen Markerkonfiguration feststellen. Zwei beliebig auswählbare Flächenelemente von allen vorgesehenen Trägerflächenelementen differieren in der Konfiguration der jeweiligen Marker eines Flächenelements.The method gains particular accuracy in that a marker position configuration has a marker configuration of a plurality of markers at one position in space. The marker configuration is available on a marker carrier. The marker carrier has at least two surface elements. The markers on the surface elements represent a marker position configuration in the form of the marker carrier at a location in space and in an orientation in space. The markers are present in a surface element arrangement. The arrangement on a first surface element and the arrangement on a second surface element differ. However, the markers can also be spatially integrated into a surface element, e.g. B. as white or colored areas. In relation to the respective area element, the markers on the first area element have a different position than the markers on the second surface element. The markers on a first and a second surface element cannot be superimposed congruently. Preferably, the marker positions on the first surface element and the marker positions on the second surface element cannot be converted into one another by rotation, displacement, uniform stretching of the configuration, or a combination of these operations. In other words, the arrangement of markers that a first surface element has differs from an arrangement of markers that has a second surface element. It is true that three non-linearly arranged markers can always be brought into a spatial arrangement by means of a spatial rotation. Their projection onto a flat surface, such as the sensor of a digital camera, could resemble a second, flat triangular arrangement of marker elements. However, this possibility, which is known in principle, is ruled out by the marker configuration, which is related to surface elements. Marker elements that are configured on surface elements cannot be freely changed spatially in groups. Consequently, the marker elements can also be distinguished by area elements in the projection onto an image data pixel arrangement. In particular, the arrangement of marker elements on surface elements that are adjacent to one another is configured in such a way that, in the projection onto a surface in a digital camera, marker elements of a first surface element are not z. B. triangular to marker elements of a second surface element. A second surface element is adjacent to a first surface element if there is no further surface element between the first and the second surface element. A comparison algorithm, applied to the markers of the first surface element and the markers of other surface elements, will not determine any agreement between the respective marker configuration. Two surface elements that can be selected as desired from all the planned carrier surface elements differ in the configuration of the respective markers of a surface element.

Ein numerisches Optimierungsverfahren wird verwendet, um die Parameter eines Systems, die eine Zielfunktion minimieren oder maximieren, zu bestimmen. Die Bestimmung erfolgt derart, dass entweder ein vorgegebenes Ergebnis ε der Zielfunktion unterschritten bzw. überschritten wird oder keine anderen Parameter gefunden werden, die ein kleineres bzw. größeres Ergebnis einer Zielfunktion liefern. Das Ergebnis ε kann auch als Genauigkeitswert bezeichnet werden. Diese Parameter bezeichnet man als optimal bezüglich der Zielfunktion. In einem Messsystem zur Bestimmung einer gegenständlichen Lage im Raum aus einer zwei-dimensionalen Bilddatenpixelanordnung sind die „optimalen“ Koordinaten im Idealfall die tatsächlichen Koordinaten der Markerkonfiguration.A numerical optimization method is used to determine the parameters of a system that minimize or maximize an objective function. The determination is made in such a way that either a predetermined result ε of the target function is not reached or exceeded or no other parameters are found that supply a smaller or larger result of a target function. The result ε can also be referred to as the accuracy value. These parameters are said to be optimal with respect to the objective function. In a measurement system for determining a physical position in space from a two-dimensional image data pixel arrangement, the "optimal" coordinates are ideally the actual coordinates of the marker configuration.

Die Ausgleichsrechnung ist ein Beispiel für eine verwendbare Optimierungsmethode, wobei für eine Reihe von Messdaten (z. B. Markierungen in einem zweidimensionalen Bild) die unbekannten Parameter ihres geometrisch-physikalischen Modells (Projektion von Objektpunkten in eine Bildebene) bestimmt bzw. geschätzt werden.The best fit calculation is an example of an optimization method that can be used, whereby the unknown parameters of their geometric-physical model (projection of object points in an image plane) are determined or estimated for a series of measurement data (e.g. markings in a two-dimensional image).

Eine Methode zur Lösung von solchen sogenannten Ausgleichs-Problemen ist die Methode der kleinsten Fehlerquadrate, bei der der quadratische Abstand der Messpunkte zu einer Schätzfunktion als Zielfunktion minimiert wird, derart, dass entweder mit den gefundenen Parametern ein vorgegebener Abstand ε unterschritten wird, oder es keine anderen Parameter gibt, die einen kleineren quadratischen Abstand von Messpunkten zu einer Schätzfunktion liefert.A method for solving such so-called adjustment problems is the least squares method, in which the squared distance of the measuring points to an estimator function is minimized as a target function in such a way that either the parameters found fall below a given distance ε, or none there are other parameters that provide a smaller squared distance from measurement points to an estimator.

Iterative Verfahren zur Lösung nichtlinearer Ausgleichsprobleme nähern die zu schätzenden Parameter, insbesondere Koordinaten, ausgehend von Startwerten schrittweise den optimalen Parametern, wie Koordinaten, an. Iterative Verfahren werden so lange fortgeführt bis ein Abbruchkriterium eintrifft, wie beispielsweise:

  • • Eine Zielfunktion unterschreitet mit den iterativ gefunden Parametern einen vorgegebenen Grenzwert ε.
  • • Das Ergebnis der Zielfunktion ändert sich um weniger als beispielsweise 1% des Vorergebnisses.
  • • Es wurden die maximale Anzahl an Iterationsschritten, zum Beispiel 20, durchgeführt.
  • • Es können keine Parameter mehr gefunden werden die das Ergebnis der Zielfunktion weiter verkleinern.
Iterative methods for solving non-linear adjustment problems gradually approximate the parameters to be estimated, in particular coordinates, to the optimal parameters, such as coordinates, starting from initial values. Iterative processes are continued until a termination criterion is met, such as:
  • • A target function falls below a given limit value ε with the iteratively found parameters.
  • • The result of the objective function changes by less than, for example, 1% of the previous result.
  • • The maximum number of iteration steps, for example 20, has been carried out.
  • • No more parameters can be found that further reduce the result of the target function.

Beispiele für numerische Optimierungsverfahren sind der Levenberg-Marquardt-Algorithmus oder das Gauß-Newton-Verfahren.Examples of numerical optimization methods are the Levenberg-Marquardt algorithm or the Gauss-Newton method.

Eine gegenständliche Lage bzw. eine geänderte gegenständliche Lage kann besonders vorteilhaft mit einem System zur Darbietung einer Blickfelddarstellung erhoben werden. In dem System wird eine Lage bestimmt und ausgewertet. Eine als Datensatz durch das System bereitgestellte Lage kann innerhalb des Systems weiter verwendet werden. Hierbei wird eine Lage vorzugsweise zur Berechnung einer Blickfelddarstellung benutzt. Die Blickfelddarstellung kann z. B. eine Ansicht eines virtuellen Raums umfassen. Ein virtueller Raum ist eine zumindest nach einem Aspekt rechnerisch generierte, in Visualisierungsdaten darstellbare, räumliche Geometrie. Eine Ansicht wird insbesondere durch einen Raumwinkelbereich, der nach einem Aspekt auch als Blickfeld bezeichnet werden kann, festgelegt. Der Raumwinkelbereich ist durch eine Bewegung veränderbar. Die Bewegung wird im realen Raum ausgeführt. Die reale Bewegung ist in eine Darstellung des virtuellen Raums übertragbar. Ein sich durch die Bewegung veränderndes Blickfeld kann einem Betrachter angezeigt werden.A physical position or a changed physical position can be recorded in a particularly advantageous manner using a system for presenting a field of view representation. A position is determined and evaluated in the system. A position provided by the system as a data set can be used further within the system. In this case, a position is preferably used to calculate a field of view representation. The field of view representation can B. include a view of a virtual space. A virtual space is, at least according to one aspect, a computationally generated spatial image that can be represented in visualization data che geometry. A view is defined in particular by a solid angle range, which according to one aspect can also be referred to as a field of view. The solid angle range can be changed by a movement. The movement is performed in real space. The real movement can be transferred to a representation of the virtual space. A changing field of view due to movement can be displayed to a viewer.

Das System umfasst einen portablen Markerträger, der z. B. einen Bereich eines Gesichtsfelds einer Person, wie einen Schläfenbereich, überdeckt. Vorzugsweise umschließt der Markerträger den Kopf allseitig auf einer Ebene. In der Ebene können die Augen liegen. Die Ebene kann auch die Ohren oder die Gehörgänge überschneiden. Die Ebene erstreckt sich vorzugsweise von den Augen zum Hinterkopf. Die Ebene kann auch parallel zu einer Ebene liegen, die den Augen zugeordnet ist, wie eine Ebene einer Hutkrempe. Der Markerträger kann sich z. B. entlang eines Stirnbands erstrecken. Der Markerträger kann mit Hilfe eines Bandes, das den Hinterkopf umschließt, getragen werden. Der portable Markerträger kann allerdings auch an einer Vorrichtung nach Art eines Brillengestells getragen werden. Der Markerträger weist ein sehr geringes Gewicht von weniger als 1 Kilogramm auf. Der Markerträger schränkt Bewegungsmöglichkeiten einer Person nicht oder zumindest nur unwesentlich ein.The system includes a portable marker carrier z. B. covers an area of a person's visual field, such as a temple area. The marker carrier preferably encloses the head on all sides on one level. The eyes can lie in the plane. The plane can also intersect the ears or the ear canals. The plane preferably extends from the eyes to the back of the head. The plane can also be parallel to a plane associated with the eyes, such as a plane of a hat brim. The marker carrier can be z. B. extend along a headband. The marker carrier can be worn with the help of a strap that encloses the back of the head. However, the portable marker carrier can also be worn on a device in the manner of a spectacle frame. The marker carrier has a very low weight of less than 1 kilogram. The marker carrier does not restrict a person's freedom of movement, or at least only marginally.

Auf einem Oberflächenbereich, der bezogen auf einen zur Aufnahme eines Kopfes oder eines Objektes vorgesehenen Innenbereich des Markerträgers, nach außen gerichtet ist, ist eine Mehrzahl von Markerelementen vorgesehen. Ein Markerelement kann ein Ellipsoid sein. Ein Markerelement kann auch aus Zylinder, Quader, Kugel, Kegelelementen oder Kombinationen davon darstellbar sein. Es ist auch möglich Markerelemente zu verwenden, die eine Polyederform aufweisen. Die Form eines Markerelements kann eine Körperform sein, die sich von dem Markerträger abhebt. Zwischen einem Markerelement und dem Markerträger befindet sich kein Abstandshalter. Vielmehr kann ein Markerelement auch in einem ebenen Bereich des Markerträgers integriert sein, wobei sich das Markerelement allerdings in zumindest einer optischen Eigenschaft, wie Absorption, Reflektivität oder eine spektrale Eigenschaft, von dem Flächenbereich des portablen Markerträgers unterscheiden muss. Als Materialien für Markerelemente eignen sich z. B. Papier oder leichtgewichtige Keramik, wie Zeolith, insbesondere von nahezu weißer Farbe. Als Materialien für Markerträger eignen sich z. B. Kohlefaserplatten, schwarz eloxierte Leichtmetallplatten oder Kunststoffplatten, insbesondere von schwarzer Farbe. Auch andere Materialien können verwendet werden, die insbesondere ein Leichtgewicht aufweisen, das den Tragekomfort nicht beeinträchtigt.A plurality of marker elements are provided on a surface area which is directed outwards relative to an inner area of the marker carrier provided for receiving a head or an object. A marker element can be an ellipsoid. A marker element can also be represented from cylinder, cuboid, sphere, cone elements or combinations thereof. It is also possible to use marker elements that have the shape of a polyhedron. The shape of a marker element can be a body shape that contrasts with the marker carrier. There is no spacer between a marker element and the marker carrier. Rather, a marker element can also be integrated in a flat area of the marker carrier, although the marker element must differ from the surface area of the portable marker carrier in at least one optical property, such as absorption, reflectivity or a spectral property. Suitable materials for marker elements are e.g. B. paper or lightweight ceramics such as zeolite, in particular of almost white color. Suitable materials for marker carriers are e.g. B. carbon fiber panels, black anodized light metal panels or plastic panels, especially black color. Other materials can also be used, which in particular have a light weight that does not impair the wearing comfort.

Das System weist mindestens eine Digitalkamera auf. Die Digitalkamera kann z. B an einem Stativ oder an einer Zimmerdecke befestigt sein. Es ist auch möglich mehrere Digitalkameras zu verwenden, um einen durch eine Digitalkamera aufnehmbaren Raumbereich zu erweitern. Die Digitalkamera weist insbesondere ein Objektiv auf, mit dem ein Raumbereich scharf abgebildet werden kann. Es kann z. B. ein monokulares Objektiv zum Einsatz kommen. Vorteilhaft sind Objektive, die mit nur unwesentlicher Verzerrung einen Raumbereich abbilden. Die Abbildung erfolgt auf ein zweidimensionales Feld eines Sensors. Der Sensor wandelt das eintreffende Licht pixelweise in elektronische Daten um, die ein zweidimensionales Pixeldatenfeld bilden. Eine fotographische Aufnahme oder ein Bild einer Filmsequenz der Digitalkamera kann als ein erstes Pixeldatenfeld an eine Recheneinheit übertragen werden. Die Recheneinheit ist z. B. eine mobile Recheneinheit, wie ein sogenanntes Smartphone, ein Laptop oder ein Tablet. Auf der Recheneinheit sind Algorithmen, wie Bilddatenverarbeitungsalgorithmen, ausführbar. Weiterhin umfasst das System eine elektronische Bildanzeige. Auf der elektronischen Bildanzeige kann z. B. ein Pixeldatenfeld optisch sichtbar gemacht werden. Auf der elektronischen Bildanzeige kann allerdings auch eine berechnete Blickfelddarstellung visualisiert werden.The system has at least one digital camera. The digital camera can B attached to a tripod or ceiling. It is also possible to use several digital cameras in order to expand a spatial area that can be recorded by one digital camera. In particular, the digital camera has a lens with which a spatial region can be imaged sharply. It can e.g. B. a monocular lens can be used. Lenses that image a spatial area with only insignificant distortion are advantageous. The mapping takes place on a two-dimensional field of a sensor. The sensor converts the incoming light pixel by pixel into electronic data that form a two-dimensional pixel array. A photograph or an image of a film sequence from the digital camera can be transmitted to a computing unit as a first pixel data field. The computing unit is z. B. a mobile computing unit, such as a so-called smartphone, a laptop or a tablet. Algorithms, such as image data processing algorithms, can be executed on the computing unit. The system also includes an electronic image display. On the electronic image display z. B. a pixel data field can be made optically visible. However, a calculated field of view representation can also be visualized on the electronic image display.

In dem System ist eine Datenübertragungseinheit vorgesehen. Die Datenübertragungseinheit besorgt die Datenübertragungsverbindung zwischen der Digitalkamera und der Recheneinheit. Die Datenübertragungsverbindung kann auch die Bereitstellung von elektronischen Daten für die Erstellung einer Blickfelddarstellung auf der elektronischen Bildanzeige bereitstellen. Anders gesagt, kann die elektronische Bildanzeige in Verbindung mit der Recheneinheit vorliegen. Die elektronische Bildanzeige kann aber auch ein eigenständiges Gerät unabhängig von der Recheneinheit sein und über die Datenübertragungsverbindung mit elektronischen Daten, insbesondere auch mit elektrischer Energie zum Betrieb, versorgt werden. Vorzugsweise wird eine kabellose Datenübertragungsverbindung verwendet. Es ist günstig für Anwendungen des Systems, wenn die Bildanzeige frei bewegbar ist. Eine Datenübertragungsverbindung zwischen Bildanzeige und Recheneinheit wird durch Bewegungen eines Markerträgers nicht unterbrochen.A data transmission unit is provided in the system. The data transmission unit takes care of the data transmission connection between the digital camera and the computing unit. The communications link may also provide for the provision of electronic data for the creation of a head-up representation on the electronic image display. In other words, the electronic image display can be in connection with the computing unit. However, the electronic image display can also be an independent device independent of the processing unit and can be supplied with electronic data, in particular also with electrical energy for operation, via the data transmission connection. A wireless data transmission connection is preferably used. It is beneficial for applications of the system when the image display is freely movable. A data transmission connection between the image display and the computing unit is not interrupted by movements of a marker carrier.

Das System umfasst mindestens eine Lichtquelle. Die Lichtquelle dient zur Aussendung von vorzugsweise sichtbarem Licht. Das von der Lichtquelle bereitgestellte Licht muss mit der Digitalkamera registrierbar sein. Es ist auch möglich, dass eine Umwandlung des Lichts, z. B. durch Fluoreszenz oder Phosphoreszenz, an einem Markerelement erfolgt. Hierbei kann insbesondere eine ultraviolette Lichtquelle nützlich sein. Markerelemente können eine fluoreszierende oder phosphorzierende Beschichtung aufweisen. Vorzugsweise wird allerdings sichtbares Licht verwendet. Markerelemente können als Lichtquelle nach Art eines leuchtenden Mondes dienen. Es kann auch gesagt werden, dass das Tageslicht, das die Sonne liefert, direkt oder durch Reflexion bzw. Streuung indirekt als Lichtquelle Verwendung finden kann. Das Licht ist von der Digitalkamera registrierbar. Das Licht der Lichtquelle durchtritt zumindest bereichsweise den von der Digitalkamera überblickten Raumbereich. Es ist auch möglich durch Fluoreszenzeigenschaften von Markerelementen einen nichtsichtbaren Spektralbereich einer Lichtquelle in einen sichtbaren Spektralbereich an Markerelementen umzuwandeln und für die Digitalkamera registrierbar zu machen. Damit kann eine Kontrastverstärkung zwischen dem Markerelement und der unmittelbaren Umgebung des Markerelements, insbesondere in einem Bildbereich des Pixeldatenfelds, das auch als Pixeldatenanordnung bezeichnet werden kann, erreicht werden. Eine häufig eingesetzte Lichtquelle ist z. B. eine Leuchtstoffröhre oder eine Leuchtdiode (LED).The system includes at least one light source. The light source is used to emit light that is preferably visible. The light provided by the light source must be registerable with the digital camera. It is also possible that a conversion of the light, e.g. B. by fluorescence or phosphorescence on a marker element. An ultraviolet light source in particular can be useful here. Marker elements can have a fluorescent or phosphorescent coating. However, visible light is preferably used. Marker elements can serve as a light source in the manner of a glowing moon. It can also be said that the daylight provided by the sun can be used as a light source, directly or indirectly through reflection or scattering. The light can be registered by the digital camera. The light from the light source passes through the spatial area surveyed by the digital camera, at least in certain areas. It is also possible to use the fluorescence properties of marker elements to convert a non-visible spectral range of a light source into a visible spectral range on marker elements and make it recordable for the digital camera. A contrast enhancement between the marker element and the immediate vicinity of the marker element can thus be achieved, in particular in an image area of the pixel data field, which can also be referred to as a pixel data arrangement. A commonly used light source is B. a fluorescent tube or a light emitting diode (LED).

Die Recheneinheit errechnet eine Blickfelddarstellung. Die Blickfelddarstellung wird für die Bildanzeige bereitgestellt. In die Blickfelddarstellung wird eine Betrachterposition, die nahezu zeitgleich eingenommen ist, eingerechnet. Der Markerträger ist in dem von der Digitalkamera abgebildeten Raumbereich frei bewegbar. Zwischen Markerträger und Digitalkamera sind keine optischen Barrieren angeordnet. Es ist allerdings möglich, dass Teile des Markerträgers vorübergehend durch z. B. Haare oder einen Schal überdeckt werden. Der Raum zwischen Markerträger und Digitalkamera ist obstruktionsfrei. Es ist z. B. durch eine Raumbegrenzung vorgesehen, dass durch eine Abstandsänderung zwischen Markerträger und Digitalkamera eine Mindestauflösung von einem Markerelement in dem Pixeldatenfeld nicht unterschritten wird. Die Mindestauflösung umfasst vorzugsweise ein Pixel für ein Markerelement. Anders gesagt sollte ein Markerelement mindestens ein Pixel einnehmen. Die Mindestauflösung kann aber auch auf eine vorbestimmbare Anzahl von, z. B. vier, Pixel für ein Markerelement festgelegt werden, um eine Zuverlässigkeit einer fehlerfreien Markererkennung, z. B. durch Ausschluss elektronischer Einzelpixelfehler, zu verbessern.The processing unit calculates a field of view representation. The head-up representation is provided for the image display. An observer position that is occupied almost at the same time is included in the visual field representation. The marker carrier can be moved freely in the spatial area imaged by the digital camera. There are no optical barriers between the marker carrier and the digital camera. However, it is possible that parts of the marker carrier are temporarily damaged by e.g. B. hair or a scarf are covered. The space between the marker carrier and the digital camera is free of obstructions. It is Z. B. provided by a space limitation that a minimum resolution of a marker element in the pixel data field is not undercut by a change in distance between marker carrier and digital camera. The minimum resolution preferably includes one pixel for one marker element. In other words, a marker element should occupy at least one pixel. However, the minimum resolution can also be limited to a predeterminable number of, e.g. B. four, pixels for a marker element are set to ensure reliability of error-free marker detection, z. B. by excluding electronic single pixel errors to improve.

Der Markerträger umfasst mindestens fünf Flächenelemente. Ein Flächenelement kann auch als Trägerflächenelement bezeichnet werden. Ein Flächenelement ist zumindest bereichsweise ebenflächig. Ein Flächenelement kann eine Kante, wie eine Faltungskante aufweisen. Nach einem Aspekt können Flächenelemente mit einer Faltungskante auch als zwei Flächenelemente bezeichnet werden. Als besonders günstig hat sich in Versuchen ein Markerträger herausgestellt, der mindestens fünf Flächenelemente umfasst, die jeweils an einem Randbereich einander zugeordnet sind. Es können allerdings auch zehn Flächenelemente vorteilhaft zusammengestellt werden. Werden Flächenelement trapezartig ausgebildet, lassen sie sich besonders günstig aneinanderstellen. Entlang von drei Randbereichen der trapezartigen Form erstrecken sich vorzugsweise wiederum Randbereiche weiterer Flächenelemente. Ein vierter Randbereich des Flächenelements kann freistehend sein. Die Flächenelemente sind ringartig angeordnet. Mindestens fünf Flächenelemente können zu einem Ring zusammengeschlossen sein. Nach einem Aspekt kann der Ring mit einer fünfeckigen Querschnittsfläche vorliegen. Der Markerträger kann ähnlich wie ein Kranz um einen Kopf liegen. Auf einem Flächenelement des Markerträgers liegen die Markerelemente in einer Konfiguration vor. Die Konfiguration der Markerelemente auf einem Flächenelement ist einzigartig. Anders gesagt, weicht die Anordnung der Markerelemente auf einem Flächenelement von der Anordnung der Markerelemente auf einem zweiten Flächenelement ab. Die Konfiguration der Markerelemente ist flächenelementeweise voneinander abweichend.The marker carrier comprises at least five surface elements. A surface element can also be referred to as a carrier surface element. A surface element is planar at least in regions. A surface element can have an edge, such as a folding edge. According to one aspect, surface elements with a fold edge can also be referred to as two surface elements. A marker carrier that has at least five surface elements that are assigned to one another in an edge region has proven to be particularly favorable in tests. However, ten surface elements can also be advantageously put together. If surface elements are designed in a trapezoidal manner, they can be placed next to one another in a particularly favorable manner. Edge areas of further surface elements preferably in turn extend along three edge areas of the trapezoidal shape. A fourth edge area of the surface element can be free-standing. The surface elements are arranged like a ring. At least five surface elements can be connected to form a ring. In one aspect, the ring may have a pentagonal cross-sectional area. The token carrier can be placed around a head like a wreath. The marker elements are present in a configuration on a surface element of the marker carrier. The configuration of the marker elements on a surface element is unique. In other words, the arrangement of the marker elements on one surface element differs from the arrangement of the marker elements on a second surface element. The configuration of the marker elements differs from one another for each surface element.

Der portable Markerträger kann in dem Raumbereich, den die Digitalkamera ermisst, eine Winkelstellung einnehmen. Die Winkelstellung liegt bezüglich einer Kamerabildebene vor. Nach einem Aspekt liegt die Winkelstellung bezüglich einer Sensorebene der Digitalkamera vor. Die Winkelstellung ist durch eine Bewegung des Markerträgers veränderbar. Es kann z. B. eine Kippbewegung oder eine Rotationsbewegung des Markerträgers zu einer Winkelstellung führen. Der Markerträger ist von der Digitalkamera in jeder Winkelstellung in Gestalt von mindestens zwei markerelementeaufweisenden Flächenelementen, ein erstes Flächenelement und ein zweites Flächenelement, die auch als Trägerflächenelemente bezeichenbar sind, einsehbar. Die zwei Flächenelemente können zueinander benachbart sein, wobei insbesondere das erste Flächenelement mit einem Randbereich an das zweite Flächenelement anschließt. Mindestens zwei Flächenelemente, die Markerelemente aufweisen, sind von der Digitalkamera gemeinsam filmbar bzw. fotografierbar, oder anders gesagt abbildbar. Die zwei Flächenelemente sind vorzugsweise jeweils trapezartig und ebenflächig gestaltet. Von den zwei Flächenelementen wird ein Winkel eingeschlossen, der kleiner als 180 °ist. Anders gesagt ist das zweite Flächenelement nicht als eine geradlinige, insbesondere nicht als parallelartige Fortsetzung des ersten Flächenelements angeordnet. Die zwei Flächenelemente können einteilig vorliegen, gelten aber, insbesondere hinsichtlich einer Abbildung auf eine Bilddatenpixelanordnung, dennoch als unterschiedliche Flächenelemente.The portable marker carrier can assume an angular position in the spatial area measured by the digital camera. The angular position is relative to a camera image plane. According to one aspect, the angular position is relative to a sensor plane of the digital camera. The angular position can be changed by moving the marker carrier. It can e.g. B. lead to a tilting movement or a rotational movement of the marker carrier to an angular position. The marker carrier can be seen by the digital camera in any angular position in the form of at least two surface elements having marker elements, a first surface element and a second surface element, which can also be called carrier surface elements. The two surface elements can be adjacent to one another, with the first surface element in particular adjoining the second surface element with an edge region. At least two surface elements that have marker elements can be filmed or photographed together by the digital camera, or in other words can be imaged. The two surface elements are preferably designed in each case in the manner of a trapezium and are planar. The two surface elements enclose an angle that is less than 180°. In other words, the second surface element is not arranged as a rectilinear, in particular not as a parallel-like continuation of the first surface element. The two surface elements can be present in one piece, but still count as different surface elements, in particular with regard to mapping onto an image data pixel arrangement.

Die Digitalkamera empfängt Licht von Markerelementen. Es liegen mindestens vier Markerelemente vor, die algorithmisch von der Recheneinheit in dem Pixeldatenfeld erkennbar sind. Mittels der erfassbaren Markerelemente wird in der Recheneinheit durch mindestens eine Vergleichseinheit, wie ein Vergleichsalgorithmus, eine räumliche Lage des Blickfelds festgelegt. Der Vergleichsalgorithmus überprüft, ob bzw. inwieweit eine Abweichung zwischen den vier Markerelementen in zweidimensionaler Abbildung und einer Markermodellkonfiguration vorliegt. Der Vergleichsalgorithmus erkennt die Markermodellkonfiguration, die die bestmögliche Übereinstimmung mit vier Markerelementen aufweist. Die ausgewählte Markermodellkonfiguration, die auch als Markerpositionskonfiguration bezeichnet werden kann, umfasst Koordinaten, die eine räumliche Lage des Blickfelds festlegen. Das Blickfeld ist an der Markerpositionskonfiguration ausgerichtet. Mit dem System kann die räumliche Lage des Blickfelds zeiteffizient berechnet und der Bildanzeige zugeführt werden, sodass der Eindruck einer fließenden Veränderung des Blickfelds in dem Verlauf einer Bewegung entsteht.The digital camera receives light from marker elements. There are at least four marker elements that are algorithmically recognizable by the processing unit in the pixel data field. Using the detectable marker elements, a spatial position of the field of view is determined in the computing unit by at least one comparison unit, such as a comparison algorithm. The comparison algorithm checks whether or to what extent there is a deviation between the four marker elements in a two-dimensional image and a marker model configuration. The comparison algorithm identifies the marker model configuration that has the best possible match for four marker elements. The selected marker model configuration, which can also be referred to as a marker position configuration, includes coordinates that define a spatial position of the field of view. The field of view is aligned with the marker position configuration. With the system, the spatial position of the field of view can be calculated in a time-efficient manner and fed to the image display, so that the impression of a flowing change in the field of view in the course of a movement is created.

Nachfolgend werden vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dargelegt, die für sich gesehen, sowohl einzeln aus auch in Kombination, ebenfalls erfinderische Aspekte offenbaren können.Advantageous refinements and developments are presented below, which, viewed individually, both individually and in combination, can also reveal inventive aspects.

Die Markermodellkonfiguration kann ausgehend von einer Vorauswahl von Markerelementen bestimmt werden. Vorzugsweise umfasst eine Vorauswahl drei Markerelementen. Die Markerelemente können auf einem einzigen Flächenelement angeordnet sein. Die Markerkonfiguration, aus der die Markerelemente ausgewählt werden, ist vorbekannt. Für den Vergleich mit Markerbildbereichen werden vorzugsweise Konfigurationshypothesen der drei Markerelemente erstellt, die auch als Markermodellkonfigurationen der drei Markerelemente bezeichnet werden können. Insbesondere bis zu fünf Konfigurationshypothesen kommen zum Einsatz. Auf Grundlage der fünf Konfigurationshypothesen gelangt der Vergleichsalgorithmus zu einer Entscheidung, ob die drei Markerelemente als Markermodellkonfiguration für weitere Berechnungen geeignet sind. Ein solches Vorgehen erlaubt ein schnelles Überprüfen verschiedener Markermodellkonfigurationen.The marker model configuration can be determined based on a pre-selection of marker elements. A pre-selection preferably comprises three marker elements. The marker elements can be arranged on a single surface element. The marker configuration from which the marker elements are selected is previously known. For the comparison with marker image areas, configuration hypotheses of the three marker elements are preferably created, which can also be referred to as marker model configurations of the three marker elements. In particular, up to five configuration hypotheses are used. Based on the five configuration hypotheses, the comparison algorithm comes to a decision as to whether the three marker elements are suitable as a marker model configuration for further calculations. Such a procedure allows a quick checking of different marker model configurations.

Die Qualität einer Vorauswahl einer Markermodellkonfiguration kann überprüft werden. Mindestens ein weiterer Markerbildbereich, insbesondere aus der gleichen zweidimensionalen Bilddatenpixelanordnung, wird ausgewählt. Die Zuordenbarkeit des mindestens einen weiteren Bildbereichs zur Markermodellkonfiguration kann die Auswahlentscheidung zu der Markermodellkonfiguration bestärken. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn bei der Überprüfung eine perspektivische Sichtbarkeit von Markerelementen berücksichtigt wird. Es ist möglich, dass mindestens ein Markerelement von dem Markerträger, insbesondere von einem Flächenelement des Markerträgers in einer Position des Markerträgers oder einer Orientierung des Markerträgers vor der Digitalkamera verdeckt ist. Ein verdecktes Markerelement der Markermodellkonfiguration kann von der Überprüfung eines weiteren Markerbildbereichs ausgeschlossen werden. Eine perspektivische Sichtbarkeit ist insbesondere aufgrund der Zuordnung von Markerelementen, insbesondere von konfigurierten Markerelementen, zu einem Trägerflächenelement vorbestimmt. Eine Markermodellkonfiguration ist nach einem Aspekt ein hypothetisches Abbild einer vorbestimmten Anordnung von Markerelementen auf einem Markerträger, die als Datensatz in einer Recheneinheit vorliegt. Die Markermodellkonfiguration kann alle Markerelemente, die auf einem Markerträger angeordnet sind, umfassen.The quality of a pre-selection of a marker model configuration can be checked. At least one further marker image area, in particular from the same two-dimensional image data pixel arrangement, is selected. The ability to assign the at least one further image area to the marker model configuration can strengthen the selection decision regarding the marker model configuration. It has turned out to be advantageous if a perspective visibility of marker elements is taken into account during the check. It is possible that at least one marker element is covered by the marker carrier, in particular by a surface element of the marker carrier in a position of the marker carrier or an orientation of the marker carrier in front of the digital camera. A hidden marker element of the marker model configuration can be excluded from checking another marker image area. Perspective visibility is predetermined in particular on the basis of the assignment of marker elements, in particular configured marker elements, to a carrier surface element. According to one aspect, a marker model configuration is a hypothetical image of a predetermined arrangement of marker elements on a marker carrier, which is present as a data record in a computing unit. The marker model configuration can include all marker elements arranged on a marker carrier.

Als besonders zuverlässiger Markererkennungsalgorithmus hat sich ein Hellfleckfilter herausgestellt. Mit dem Hellfleckfilter werden insbesondere helle Bildbereiche in einer Bilddatenpixelanordnung vor einem Hintergrund, der weniger hell ist, als ein Markerbildbereich erkannt. Es können z. B. weiße Markerelemente verwendet werden, die helle, zumindest stellenweise weißliche, Bildbereiche verursachen. Der Hellfleckfilter kann eine Fleckgeometrie herausfiltern, die einem Markerelement zuordnenbar ist. Helle Flecken in einer Bilddatenpixelanordnung, die nicht von einem Markerelement stammen, können zumindest teilweise ausgeschlossen werden.A bright spot filter has proven to be a particularly reliable marker detection algorithm. In particular, bright image areas in an image data pixel arrangement against a background that is less bright are recognized as a marker image area with the bright spot filter. It can e.g. B. white marker elements can be used, which cause bright, at least partially whitish, image areas. The bright spot filter can filter out a spot geometry that can be assigned to a marker element. Bright spots in an image data pixel arrangement that do not originate from a marker element can be at least partially ruled out.

Die Zuverlässigkeit des Verfahrens lässt sich weiter verbessern, wenn berücksichtigt wird, dass ein Markerelement vorrübergehend, z. B. durch Haare oder durch Schattenwurf verdeckt sein kann. Es ist möglich zu berechnen, an welcher Stelle ein verdecktes Markerelement vorliegen könnte. Dadurch lässt sich z. B. eine Erkennung von Markerbildbereichen unter Verwendung einer vorbekannten Markermodellkonfiguration verfeinern.The reliability of the method can be further improved if it is taken into account that a marker element is temporarily, e.g. B. can be covered by hair or shadows. It is possible to calculate where a hidden marker element could exist. This allows z. B. refine a detection of marker image regions using a previously known marker model configuration.

Das Verfahren lässt sich weiterhin günstig ausgestalten, indem eine vorteilhafte Darstellungsweise einer Position und einer Richtung zur Bestimmung der Lage verwendet wird. Eine Position und eine Richtung können z. B. mit einem Translationsvektor und einer Rotationsdarstellung mathematisch dargestellt werden, die zu einer Markermodellkonfiguration führen. Beispiele für eine Rotationsdarstellung sind eine Rotationsmatrix, Euler-Winkel, ein Quaternion, eine Rodriguez-Darstellung oder eine Winkel-Vektor-Darstellung.The method can also be designed favorably in that an advantageous way of representing a position and a direction is used to determine the position. A position and a direction can e.g. B. can be represented mathematically with a translation vector and a rotation representation, which lead to a marker model configuration. Examples of a rotation representation are a rotation matrix, Euler angles, a quaternion, a Rodriguez representation or an angle-vector representation.

Orientierungsdarstellungen werden verwendet um eine Winkellage von Objekten zueinander mathematisch beschreiben zu können. Außerdem werden sie benutzt um eine Winkellageänderung, also eine Drehbewegung, von Objekten mathematisch zu beschreiben.Orientation representations are used in order to be able to mathematically describe an angular position of objects in relation to one another. Furthermore they are used to mathematically describe a change in angular position, i.e. a rotational movement, of objects.

Euler-Winkel und Rodriguez-Darstellung sind 3-Parametrische Darstellungen. Bei einer 3-Parametrischen Darstellung der Orientierung sind alle Parameter von einander unabhängig. Das bedeutet, dass jeder Parameter für sich allein geändert werden kann und die Parameter immer noch eine Orientierung darstellen. Vor allem bei numerischen Optimierungsverfahren ist das ein großer Vorteil. Ein Problem kann sich ergeben, wenn eine Orientierungsdarstellung in einer Winkellage durch mehrere Varianten derselben Darstellungsform ausgedrückt werden kann. Es gibt beispielsweise 12 Arten eine einzige Orientierung mit Eulerwinkeln darzustellen. Ein weiteres mögliches Problem einer Darstellungsform ist das Auftreten einer kardanischen Blockade (Gimbal-Lock), bei der zwei Parameter dieselbe Änderung der Winkellage, also eine Drehung um dieselbe Achse, beschreiben. Eine Folge ist ein Springen der beschreibenden Parameter obwohl sich die Winkellage nicht ändert. Möchte man üblicherweise aus zwei Messungen der Winkellage auf eine Winkelgeschwindigkeit schließen, indem man die Differenz der gemessenen Lageparameter durch die verstrichene Zeit teilt, würde man in diesem Fall ein falsches Ergebnis erhalten. 3-Parametrische Darstellungsformen sind deshalb für Anwendungen bei denen der Parameter über die Zeit fortgeschrieben wird (Beispielsweise Rauschfilter) ungünstig. Die Rodriguez-Darstellung bietet Vorteile für numerische Optimierungsverfahren, weil sie sich besonders einfach aus einer Quaternion Darstellung berechnet.Euler angles and Rodriguez representation are 3-parametric representations. With a 3-parameter representation of the orientation, all parameters are independent of each other. This means that each parameter can be changed on its own and the parameters are still a guide. This is a great advantage, especially for numerical optimization methods. A problem can arise when an orientation representation in an angular position can be expressed by several variants of the same representation form. For example, there are 12 ways to represent a single orientation using Euler angles. Another possible problem with a form of representation is the occurrence of a gimbal lock, in which two parameters describe the same change in angular position, i.e. a rotation about the same axis. One consequence is that the descriptive parameters jump, although the angular position does not change. If one would normally like to infer an angular velocity from two measurements of the angular position by dividing the difference in the measured position parameters by the elapsed time, an incorrect result would be obtained in this case. 3-Parametric forms of representation are therefore unfavorable for applications in which the parameter is updated over time (e.g. noise filter). The Rodriguez representation offers advantages for numerical optimization methods because it is particularly easy to calculate from a quaternion representation.

Quaternion oder Winkel-Vektor-Darstellung sind Beispiele für 4(vier)-parametrisch Darstellungen. Eine 4-parametrische Darstellungsform hat keinen undefinierten Zustand wie den Gimbal-Lock und ist daher für sogenannte „Tracking“-Anwendungen bei der Verfolgung von Bewegung sowie für Rauschfilter geeignet. Die vier Parameter sind allerdings aufgrund der Überbestimmung nicht unabhängig von einander. Eine Änderung eines einzelnen Parameters hat immer eine Änderung mindestens eines weiteren Parameters zur Folge. Werden Zwangsbedingungen der Parameter zueinander nicht beachtet kann es sein, dass die Parameter eine Drehung und Verformung beschreiben. Für Methoden, die einzelne Parameter verändern, wie numerische Optimierungsverfahren, ist diese Darstellung daher weniger geeignet und erfordert oft eine zusätzliche Korrektur der Verformung, wenn z. B. bei einer Optimierung einer Orientierung das Objekt nicht nur gedreht sondern auch verformt wird.Quaternion or angle-vector representation are examples of 4(four)-parametric representations. A 4-parameter display form has no undefined state like the gimbal lock and is therefore suitable for so-called "tracking" applications when tracking movement and for noise filters. However, due to overdetermination, the four parameters are not independent of each other. A change in a single parameter always results in a change in at least one other parameter. If constraint conditions of the parameters to one another are not observed, it is possible that the parameters describe rotation and deformation. This representation is therefore less suitable for methods that change individual parameters, such as numerical optimization methods, and often requires an additional correction of the deformation, e.g. B. when optimizing an orientation, the object is not only rotated but also deformed.

Es ist allerdings vorteilhaft, wenn das erfindungsgemäße Verfahren mit einem numerischen Optimierungsverfahren ausgestattet ist. Durch ein numerisches Optimierungsverfahren kann die Genauigkeit bei der Bestimmung der Lage verbessert werden. In einem numerischen Optimierungsverfahren kann z. B. ein Levenberg-Marquart-Algorithmus zum Einsatz kommen. Der Levenberg-Marquardt-Algorithmus ist ein numerisch, iteratives Verfahren zur Lösung nichtlinearer Ausgleichs-Probleme mit Hilfe der Methode der kleinsten Fehlerquadrate, das sehr robust gegen schlechte Startwerte der zu bestimmenden Parameter ist. Das Gauß-Newton-Verfahren ist ein anderes Beispiel für ein verwendbares numerisches Optimierungsverfahren.However, it is advantageous if the method according to the invention is equipped with a numerical optimization method. The accuracy in determining the position can be improved by means of a numerical optimization process. In a numerical optimization process, e.g. B. a Levenberg-Marquart algorithm can be used. The Levenberg-Marquardt algorithm is a numerical, iterative method for solving non-linear adjustment problems using the least squares method, which is very robust against poor initial values of the parameters to be determined. The Gauss-Newton method is another example of a numerical optimization method that can be used.

Das numerische Optimierungsverfahren wird auf eine Vorauswahl von Markerbildbereichen angewendet. Die Vorauswahl umfasst die drei Markerbildbereiche, die als Markerbildbereiche mit einer geringsten Abweichung zu einer Markermodellkonfiguration erkannt wurden. Es wird mindestens ein weiterer Markerbildbereich hinzugenommen. Anders gesagt wird das numerische Optimierungsverfahren auf mindestens vier Markerbildbereiche angewendet. Damit kann die Bestimmung der Lage präzisiert werden. Insbesondere lässt sich eine Orientierung genauer bestimmen. Vorzugsweise wird das numerische Optimierungsverfahren auf eine dreiparametrische Darstellung der Orientierung der Markermodellkonfiguration angewendet. Es werden auch alle weiteren Punkte der Markermodellkonfiguration, die nicht zu den Markerbildbereichen passen, durch die vorbekannten Markerkonfiguration mitgeführt.The numerical optimization method is applied to a pre-selection of marker image areas. The pre-selection includes the three marker image areas that were recognized as marker image areas with the smallest deviation from a marker model configuration. At least one further marker image area is added. In other words, the numerical optimization method is applied to at least four marker image areas. The determination of the position can thus be made more precise. In particular, an orientation can be determined more precisely. The numerical optimization method is preferably applied to a three-parametric representation of the orientation of the marker model configuration. All other points of the marker model configuration that do not match the marker image areas are also carried along by the previously known marker configuration.

Bei der Bestimmung einer Änderung einer gegenständlichen Lage werden von der Digitalkamera Bilddatenpixelanordnungen, z. B. mit einer Folge von sechzig Bilddatenpixelanordnungen, die auch als Bilder bezeichnet werden können, in einer Sekunde bereitgestellt. Von einem ersten Bild zu einem zweiten Bild kann eine Änderung einer Markerpositionskonfiguration erfolgt sein. Der Veränderung der Markerpositionskonfiguration kann auch eine Verschiebung von Markern, die auch als Markerelemente bezeichnet werden können, auf dem Markerträger zugrunde liegen. Dabei kann es erforderlich sein, die Markermodellkonfiguration, welche die Ausgangslage festlegt, neu zu berechnen. Das Verfahren lässt sich besonders schnell ausführen, wenn die auf dem Markerträger angeordneten Marker gleich gestaltet sind. Vorzugsweise sind die Markerelemente, die dem Markerträger zugeordnet sind, gleichförmig, gleichfarbig, insbesondere weiß oder schwarz, und gleichgroß. Der Markerträger ist dazu kontrastierend ausgebildet, vorzugsweise schwarz oder weiß. Eine Markerkonfiguration kann aus den erfassten Markerbildbereichen rechnerisch bestimmt werden. Hierbei werden Markerbildbereiche aus mehreren Bilddatenpixelanordnungen berücksichtigt. Vorzugsweise werden in den mehreren Bilddatenpixelanordnungen alle Markerelemente gezeigt. Anders gesagt, sollte jedes Trägerflächenelement des Markerträgers in zumindest einer Bilddatenpixelanordnung zumindest mit den auf dem Trägerflächenelement angeordneten Markern erfasst werden. Die geänderte Markerkonfiguration wird algorithmisch festgelegt. Insbesondere werden gute Ergebnisse durch Verwendung eines Struktur-aus-Bewegung-Algorithmus (structure-from-motion) erlangt. Diesem Algorithmus liegt eine Methode der Photogrammetrie, bei der eine dreidimensionale Struktur, die aus zwei Blickwinkeln in zweidimensionalen-Bildern betrachtet wird, dreidimensional vermessen wird, zugrunde. Zusätzlich kann auch noch ein Ensemble-Anpassung-Algorithmus (bundle-adjustment) verwendet werden, um die Genauigkeit der bestimmten Markerkombination weiter zu verbessern. Hierbei erfolgt eine gleichzeitige numerische Verfeinerung der Kameraparameter (Position, Ausrichtung, Fokuslänge, Pixelabmessungen, optische Verzerrung) und einer dreidimensionalen Struktur, die aus mehreren Perspektiven aufgenommen wurde. Aus einem näherungsweise bestimmten Punktemodell, das von verschiedenen Blickwinkeln mit unsicheren Kameraparametern erfasst wurde, kann eine präzise Schätzung der Punktkoordinaten ermittelt werden. Der Fehler zwischen projizierter dreidimensionaler Markermodellkonfiguration und korrespondierenden Bildpunkten wird minimiert. Es wird rekursiv eine Markerkonfiguration als Markermodellkonfiguration errechnet. Die berechnete Markerkonfiguration legt die Markermodellkonfiguration der Ausgangslage fest.In determining a change in physical location, the digital camera uses image data pixel arrays, e.g. B. with a sequence of sixty image data pixel arrays, which can also be referred to as images, provided in one second. A change in marker position configuration may have occurred from a first image to a second image. The change in the marker position configuration can also be based on a displacement of markers, which can also be referred to as marker elements, on the marker carrier. In doing so, it may be necessary to recalculate the marker model configuration, which defines the initial position. The method can be carried out particularly quickly if the markers arranged on the marker carrier are of the same design. Preferably, the marker elements assigned to the marker carrier are uniform, have the same color, in particular white or black, and are the same size. The marker carrier is designed to contrast with this, preferably black or white. A marker configuration can be calculated from the detected marker image areas. In this case, marker image areas from a plurality of image data pixel arrangements are taken into account. All marker elements are preferably shown in the plurality of image data pixel arrangements. In other words, each carrier surface element of the marker carrier should be recorded in at least one image data pixel arrangement at least with the markers arranged on the carrier surface element. The changed marker configuration is determined algorithmically. In particular, good results are obtained using a structure-from-motion algorithm. This algorithm is based on a photogrammetry method in which a three-dimensional structure that is viewed from two perspectives in two-dimensional images is measured three-dimensionally. In addition, an ensemble adjustment algorithm (bundle adjustment) can also be used to further improve the accuracy of the determined marker combination. Here, a simultaneous numerical refinement of the camera parameters (position, orientation, focus length, pixel dimensions, optical distortion) and a three-dimensional structure, which was recorded from several perspectives, takes place. A precise estimate of the point coordinates can be determined from an approximately determined point model, which was acquired from different viewing angles with uncertain camera parameters. The error between the projected three-dimensional marker model configuration and the corresponding pixels is minimized. A marker configuration is calculated recursively as a marker model configuration. The calculated marker configuration defines the initial position marker model configuration.

Die Markerpositionskonfiguration der geänderten Lage lässt sich aus z. B. einer ersten und einer zweiten Bilddatenpixelanordnung berechnen. In die Berechnung kann auch eine weitere Bilddatenpixelanordnung, wie die zweite Bilddatenpixelanordnung, einbezogen werden. Nach einem Aspekt erfolgt eine Zuordnung eines Markerbildbereichs, der in einer ersten Bilddatenpixelanordnung vorliegt, zu einem nächster-Nachbar-Bildbereich, der ein Markerbildbereich einer weiteren Bilddatenpixelanordnung ist. Es ist möglich, dass bei der Zuordnung eine zweite Bilddatenpixelanordnung übersprungen wird, weil z. B. zu wenige Markerbildbereiche in der zweiten Bilddatenpixelanordnung auffindbar waren, sodass eine weitere Bilddatenpixelanordnung verwendet wird. Ein Nächster-Nachbar-Bildbereich ist ein Bildbereich, der ausgehend von einer Position eines erfassten Markerbildbereichs einer ersten Bilddatenpixelanordnung in einer weiteren Bilddatenpixelanordnung den kleinsten linearen Abstand im Vergleich zu allen anderen Markerbildbereichen der weiteren Bilddatenpixelanordnung aufweist. Vorzugsweise ist zu mindestens drei Markerbildbereichen einer ersten Bilddatenpixelanordnung jeweils ein Nächster-Nachbar-Bildbereich der weiteren Bilddatenpixelanordnung auffindbar. Die erste Bilddatenpixelanordnung ist dabei die Ausgangslage. Durch die Änderung der drei Markerbildbereiche der Ausgangslage zu den drei Nächster-Nachbar-Bildbereichen ist die Markerpositionskonfiguration, die die geänderte Lage festlegt, z. B. mittels einer Projektion oder einer Verschiebung einer Ausgangslage, insbesondere anhand einer Markermodellkonfiguration bestimmbar. Damit lässt sich die Auswertungsgeschwindigkeit noch mehr steigern.The marker position configuration of the changed location can be derived from e.g. B. a first and a second image data pixel array. A further image data pixel arrangement, such as the second image data pixel arrangement, can also be included in the calculation. According to one aspect, a marker image area, which is present in a first image data pixel arrangement, is assigned to a nearest neighbor image area, which is a marker image area of a further image data pixel arrangement. It is possible that a second image data pixel arrangement is skipped during assignment, because e.g. B. too few marker image areas could be found in the second image data pixel arrangement, so that a further image data pixel arrangement is used. A nearest neighbor image area is an image area which, starting from a position of a detected marker image area of a first image data pixel arrangement in a further image data pixel arrangement, has the smallest linear distance compared to all other marker image areas of the further image data pixel arrangement. A nearest-neighbor image area of the further image data pixel arrangement can preferably be found for at least three marker image areas of a first image data pixel arrangement. The first image data pixel arrangement is the starting position. By changing the three marker image areas of the initial position to the three nearest neighbor image areas, the marker position configuration that defines the changed position, e.g. B. by means of a projection or a shift of an initial position, in particular can be determined using a marker model configuration. This allows the evaluation speed to be increased even more.

Die Genauigkeit der Bestimmung von Position und/oder die Orientierung kann noch weiter optimiert werden. Eine Optimierung ist mittels einer additiven Änderung möglich. Das Optimierungsverfahren wird numerisch ausgeführt. In der Recheneinheit kann z. B. ein Levenberg-Marquardt-Algorithmus zur Optimierung einer Markermodellkonfiguration verwendet werden. Hierbei wird eine Jacoby-Matrix durch numerische Differentiation approximiert. Vorzugsweise erfolgt die Optimierung der Orientierung in einer dreiparametrischen Darstellung der Orientierung in der Markermodellkonfiguration. Die Optimierung erfolgt z. B. mittels eines Programmcodes, der in der Recheneinheit ausführbar ist.The accuracy of determining the position and/or the orientation can be further optimized. An optimization is possible by means of an additive change. The optimization procedure is carried out numerically. In the computing unit z. B. a Levenberg-Marquardt algorithm can be used to optimize a marker model configuration. Here, a Jacoby matrix is approximated by numerical differentiation. The orientation is preferably optimized in a three-parameter representation of the orientation in the marker model configuration. The optimization takes place e.g. B. by means of a program code that is executable in the processing unit.

Das Verfahren zur Bestimmung einer gegenständlichen Lage, insbesondere nach einer Lageänderung, kann noch bessere Ergebnisse liefern, wenn bei dem numerischen Optimierungsverfahren ein Kontrollalgorithmus (RANSAC, Random Sample Consensus) vorgesehen ist. Mindestens ein Ergebnis des numerischen Optimierungsverfahrens wird überprüft. Nach einem ersten Aspekt können Fehlerbildbereiche, die z. B. durch stark reflektierende Gegenstände in dem Raumbereich von der Digitalkamera in die Bilddatenpixelanordnung abgebildet werden, die allerdings keine Markerelemente bzw. Marker sind, von dem Kontrollalgorithmus ausgeschlossen werden. Nach einem zweiten Aspekt können Markerbildbereiche, die in einer ersten Bilddatenpixelanordnung nicht sichtbar oder nicht auffindbar waren, die allerdings gemäß der Markerkonfiguration hätten auffindbar sein sollen, als Fehler erkannt und insbesondere nach Auffindung in einer zweiten Bilddatenpixelanordnung, z. B. rekursiv, mit einbezogen werden. Das Ergebnis des numerischen Optimierungsverfahrens wird anhand einer Zufallsauswahl von mindestens einer Markerbildbereichskonfiguration überprüft. Anders gesagt dient der RANSAC-Algorithmus dazu um eine Reihe von Messwerten, wie Markerbildbereichen bzw. Markerbildbereichen zugeordnete Koordinaten, von sogenannten Ausreißern, also Messwerten mit groben Fehlern, zu bereinigen. Aus einer vorliegenden Menge von Messungen m wird eine zufällig gewählte Untermenge mi genommen, die genau die zur Generierung einer Schätzhypothese notwendige Mindestanzahl an Messungen enthält. Damit wird die Wahrscheinlichkeit, dass sich Ausreißer in der Untermenge mi befinden, minimiert. Werte, die abhängig von einem Grenzwert k, der auch als Genauigkeitswert bezeichnet werden kann, die aus mi generierte Hypothese stärken, werden als Treffer, sogenannte „Inlier“, betrachtet. Die Untermenge, deren Hypothese die meisten Treffer produziert, wird als beste Schätzung betrachtet. Die Untermenge ist z. B. eine Auswahl von drei Markerbildbereichen, mit denen eine eindeutige Bestimmung möglich ist. Das so erhaltene Ergebnis wird mit dem Ergebnis des numerischen Optimierungsverfahrens, das insbesondere mehr als drei Markerbildbereiche einbezogen hat, verglichen. Durch Wiederholung ist es auch möglich verschiedene Markerbildbereichskonfigurationen zu überprüfen, ob daraus konsistent ein gleichartiges Ergebnis erhalten wird. Eine Hypothese kann auch als Posenhypothese oder Lagehypothese bezeichnet werden. Der Kontrollalgorithmus wird insbesondere zur Überprüfung der Zuordnung nächster Nachbarn von Markerbildbereichen zwischen einer ersten und einer zweiten Bilddatenpixelanordnung verwendet. Es erfolgt, anders gesagt, eine Überprüfung einer Übereinstimmung einer Projektion einer Markermodellkonfiguration mit einer Konfiguration von Markerbildbereichen aus einer nachfolgend aufgenommenen Bilddatenpixelanordnung. Damit kann eine grundsätzliche Möglichkeit, dass mit einer fehlerhaften Zuordnung eines nächsten Nachbarn in der Zeitfolge das Verfahren die Bestimmung einer geänderten gegenständlichen Lage verfehlt, nahezu ausgeschlossen werden.The method for determining an object's position, in particular after a change in position, can deliver even better results if a control algorithm (RANSAC, Random Sample Consensus) is provided in the numerical optimization method. At least one result of the numerical optimization process is checked. According to a first aspect, error image areas z. B. are imaged by highly reflective objects in the spatial area of the digital camera in the image data pixel arrangement, which, however, are not marker elements or markers, are excluded from the control algorithm. According to a second aspect, marker image areas that were not visible or could not be found in a first image data pixel arrangement, but which should have been able to be found according to the marker configuration, are recognized as errors and, in particular, after finding them in a second image data pixel arrangement, e.g. B. recursively, are included. The result of the numerical optimization process is checked using a random selection of at least one marker image area configuration. In other words, the RANSAC algorithm is used to clean a series of measured values, such as marker image areas or coordinates assigned to marker image areas, from so-called outliers, ie measured values with gross errors. A randomly selected subset mi is taken from an existing set of measurements m, which contains exactly the minimum number of measurements required to generate an estimation hypothesis. This minimizes the probability that there are outliers in the subset m i . Values dependent on a limit k, also called accuracy value that strengthen the hypothesis generated from m i are considered as hits, so-called “inliers”. The subset whose hypothesis produces the most hits is considered the best guess. The subset is z. B. a selection of three marker image areas with which an unambiguous determination is possible. The result obtained in this way is compared with the result of the numerical optimization method, which in particular included more than three marker image areas. By repetition, it is also possible to check different marker image area configurations to see whether a similar result is consistently obtained. A hypothesis can also be referred to as a pose hypothesis or position hypothesis. The control algorithm is used in particular to check the assignment of nearest neighbors of marker image areas between a first and a second image data pixel arrangement. In other words, a match between a projection of a marker model configuration and a configuration of marker image regions from a subsequently recorded image data pixel arrangement is checked. In this way, a fundamental possibility that the method fails to determine a changed physical position with an erroneous assignment of a nearest neighbor in the time sequence can be almost completely ruled out.

Eine weitere Verbesserung der Genauigkeit bei der Bestimmung einer gegenständlichen Lage ist durch die Verwendung eines Rauschenunterdrückungsalgorithmus möglich. Es ist günstig, wenn der Rauschenunterdrückungsalgorithmus mittels einer Bewegungsverlaufsprognose die Position und/oder die Orientierung rechnerisch filtert. Position und/oder Orientierung werden beispielsweise bei einer geänderten gegenständlichen Lage aus Bilddatenpixelanordnungen erhalten und mit einem numerischen Optimierungsverfahren verfeinert. Ein Bewegungsverlauf ist stetig. Daher ist eine Prognose über den Bewegungsverlauf möglich. Vorzugsweise kommt eine Zustandsraumdarstellung von Markermodellkonfigurationen zum Einsatz. Die Zustandsraumdarstellung, die auch als Zustandsraummodell bezeichnet werden kann, ist eine Form der Beschreibung eines dynamischen Übertragungssystems. Das Zustandsraummodell ermöglicht eine Analyse und Synthese dynamischer, veränderlicher Systeme im Zeitbereich und kann auch effizient z. B. bei der regelungstechnischen Behandlung von Mehrgrößensystemen, sowie bei nichtlinearen und zeitvariablen Übertragungssystemen eingesetzt werden. Es werden sämtliche Beziehungen der Zustandsgrößen, der Eingangsgrößen und Ausgangsgrößen in Form von Matrizen und Vektoren dargestellt. Das Zustandsraummodell wird durch zwei Gleichungen - die Zustandsdifferenzialgleichung erster Ordnung und die Ausgangsgleichung - beschrieben.A further improvement in the accuracy when determining a physical position is possible through the use of a noise suppression algorithm. It is favorable if the noise suppression algorithm filters the position and/or the orientation by means of a movement profile prediction. Position and/or orientation are obtained from image data pixel arrangements, for example in the case of a changed physical position, and are refined using a numerical optimization method. A course of motion is continuous. It is therefore possible to make a prognosis about the course of movement. A state space representation of marker model configurations is preferably used. The state space representation, which can also be referred to as a state space model, is a form of description of a dynamic transmission system. The state space model enables an analysis and synthesis of dynamic, variable systems in the time domain and can also be used efficiently, e.g. B. in the control engineering treatment of multivariable systems, as well as in non-linear and time-variable transmission systems. All relationships between the state variables, the input variables and the output variables are represented in the form of matrices and vectors. The state space model is described by two equations - the first-order state differential equation and the output equation.

Ein Beispiel für einen Rauschenunterdrückungsalgorithmus ist ein Kalmanfilter. Der Kalmanfilter ist ein Filter, der im Zustandsraum anwendbar ist. Damit können Messungen unter Zuhilfenahme eines Prozess- und Mess-Modells, wie einer Markermodellkonfiguration, verbessert werden. Der Kalmanfilter arbeitet in den zwei Schritten Prädikation und Innovation:

  • - Prädiktion: Unter Zuhilfenahme eines Prozessmodells (z. B. Differentialgleichung eines bewegenden Objekts) wird der letzte geschätzte Zustand (z. B. Position und Geschwindigkeit) für die nächste Messung vorausgesagt.
  • - Innovation: Die prädizierte Messung wird mit der neuen Messung zu einem neuen Schätzergebnis kombiniert. Dabei wird Messung und Messwertprädiktion je nach Unsicherheit der Messung (Messrauschen) und Unsicherheit der Prädiktion (Modellrauschen, Kovarianz der Messwertprädiktion, Kovarianz der Schätzung) unterschiedlich gewichtet.
An example of a noise reduction algorithm is a Kalman filter. The Kalman filter is a filter applicable in state space. This allows measurements to be improved with the help of a process and measurement model, such as a marker model configuration. The Kalman filter works in the two steps of prediction and innovation:
  • - Prediction: With the help of a process model (e.g. differential equation of a moving object), the last estimated state (e.g. position and speed) is predicted for the next measurement.
  • - Innovation: The predicted measurement is combined with the new measurement to produce a new estimated result. Measurement and measurement value prediction are weighted differently depending on the uncertainty of the measurement (measurement noise) and the uncertainty of the prediction (model noise, covariance of the measurement value prediction, covariance of the estimate).

Der Kalmanfilter selbst basiert auf einem Satz linearer mathematischer Gleichungen und setzt gauss-verteiltes Rauschen voraus. Vereinfacht gesprochen dient der Kalmanfilter nach einem Aspekt zum Entfernen der von den Messgeräten, wie der Digitalkamera, verursachten Störungen. Dabei müssen sowohl die mathematische Struktur des zugrundeliegenden dynamischen Systems, wie die Bewegung von Markerelementen, als auch die der Messverfälschungen, wie z. B. das Pixelrauschen, bekannt sein. Im Rahmen der mathematischen Schätztheorie spricht man hinsichtlich Kalmanfilter auch von einem Bayes'schen Minimum-Varianz-Schätzer für lineare stochastische Systeme in Zustandsraumdarstellung.The Kalman filter itself is based on a set of linear mathematical equations and assumes Gaussian distributed noise. To put it simply, the Kalman filter is used in one aspect to remove the interference caused by the measuring devices, such as the digital camera. Both the mathematical structure of the underlying dynamic system, such as the movement of marker elements, and that of the measurement errors, such as e.g. B. the pixel noise to be known. In the context of mathematical estimation theory, with regard to Kalman filters, one also speaks of a Bayesian minimum variance estimator for linear stochastic systems in state space representation.

Es können auch Weiterentwicklungen von Kalmanfiltern verwendet werden, wie z. B. ein Extended Kalman-Filter (EKF) bzw. ein linearisiertes Kalman-Filter.Further developments of Kalman filters can also be used, e.g. B. an Extended Kalman filter (EKF) or a linearized Kalman filter.

Eine andere, vorzugsweise in einem Verfahren verwendete Weiterentwicklung eines Rauschenunterdrückungsalgorithmus ist der quaternionenbasierte Bewegungsfolgefilter, der auch als quaternionenbasierter Kalmanfilter bezeichnet werden kann. Hierbei handelt es sich um einen nichtlinearen Filter zum Glätten von Winkellagemessungen. Insbesondere wird bei diesem Filter das bekannte Problem des „Gimbal-Lock“ vermieden. Quaternionen eignen sich ganz besonders zur Darstellung von Rotationen und bei der Lösung von Problemen der Bewegungsverfolgung. Quaternionen sind gegenüber anderen Darstellungsformen auch besonders kompakt. Es handelt sich um Vier-Parameter-Darstellungen. Die Bewegungsdynamik kann als Modell linear beschrieben werden und die Übergangsmatrix, die auch als Transitionsmatrix bezeichnet werden kann, ist einfach zu berechnen.Another further development of a noise suppression algorithm that is preferably used in a method is the quaternion-based motion sequence filter, which can also be referred to as a quaternion-based Kalman filter. This is a non-linear filter for smoothing angular position measurements. In particular, the well-known problem of "gimbal lock" is avoided with this filter. Quaternions are particularly useful for representing rotation and solving motion tracking problems. Quaternions are also particularly compact compared to other forms of representation. These are four-parameter representations. The motion dynamics can be described as a linear model and the transition matrix, also known as Transition matrix can be called, is easy to calculate.

Bei drei räumlichen Koordinatenachsen zur Bezeichnung einer räumlichen Lage kann die Transitionsmatrix mit drei um die jeweiligen Koordinatenachsen auftretenden Winkelgeschwindigkeiten berechnet werden. Nach einem weiteren Aspekt lassen sich in der Umkehrung mit der Transitionsmatrix aus zwei Winkellagen, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten bestimmt wurden, Drehgeschwindigkeiten um die jeweiligen Koordinatenachsen berechnen. Die Drehgeschwindigkeiten sind einer Drehung zugeordnet, die ein Objekt von der ersten Winkellage in die zweite Winkellage zum jeweiligen Zeitpunkt der Winkellage überführen.With three spatial coordinate axes for designating a spatial position, the transition matrix can be calculated with three angular velocities occurring around the respective coordinate axes. According to a further aspect, rotational speeds about the respective coordinate axes can be calculated in the reversal using the transition matrix from two angular positions which were determined at different points in time. The speeds of rotation are associated with a rotation that transfers an object from the first angular position to the second angular position at the respective point in time of the angular position.

Der quaternionenbasierte Bewegungsfolgefilter berücksichtigt im Speziellen zwei Eigenschaften der Orientierungsdarstellung mit Quaternionen. Zum einen berücksichtigt der Bewegungsfolgefilter die Eigenschaft, dass der die Drehung, anders gesagt die Rotation, darstellende Operator, nämlich der Rotationsoperator, und damit ein möglicher Fehler, der der Orientierung zukommt, durch eine Multiplikation beschrieben wird, und damit nichtlinear ist. Zum anderen wird berücksichtigt, dass das Quaternion, das die Winkellage eines Objekts beschreibt, immer ein Einheitsquaternion mit der Länge 1 (betrachtet als Betrag eines Vektors) ergeben muss.The quaternion-based motion sequence filter specifically takes into account two properties of the orientation representation with quaternions. On the one hand, the motion sequence filter takes into account the property that the operator representing the rotation, in other words the rotation, namely the rotation operator, and thus a possible error associated with the orientation, is described by a multiplication and is therefore nonlinear. On the other hand, it is taken into account that the quaternion that describes the angular position of an object must always result in a unit quaternion with length 1 (considered as the absolute value of a vector).

In einer Ausführungsform eines quaternionenbasierten Filters mit additivem Fehler kann die multiplikative Rotationsoperation linearisiert werden, sodass sie durch eine Addition beschrieben wird. Die Eigenschaft des Einheitsquaternions kann in diesem Falle zwar dadurch bewahrt werden, dass das Ergebnis der Filterung normiert wird. In der mathematischen Struktur des zugrundeliegenden dynamischen Systems als auch bei der Beschreibung der Messverfälschung, muss allerdings das Verfahren zur Bestimmung der Winkellage als ein Pseudomessgerät für die vier Parameter eines Quaternion betrachtet werden, wobei jedem Parameter eine von den anderen Parametern unabhängige Messverfälschung zugeordnet wird, was daher vorzugsweise noch weiter zu verbessern ist.In an embodiment of a quaternion-based additive error filter, the multiplicative rotation operation can be linearized so that it is described by an addition. In this case, the property of the unit quaternion can be preserved by normalizing the result of the filtering. In the mathematical structure of the underlying dynamic system as well as in the description of the measurement error, however, the method for determining the angular position must be viewed as a pseudo-measuring device for the four parameters of a quaternion, with each parameter being assigned a measurement error that is independent of the other parameters, what is therefore preferably to be further improved.

Eine andere Weiterentwicklung eines quaternionenbasierten Bewegungsfolgefilters verfolgt nicht die Winkellage eines Objekts selbst, sondern die Änderung der Winkellage des Objekts. Es kann auch gesagt werden, dass die multiplikative Operation der 4-parametrischen Ausgangswinkellage mit der ebenfalls 4-parametrischen Änderung der Winkellage die aktualisierte Winkellage ergibt, die zum Zeitpunkt der Erfassung einer neuen Bilddatenpixelanordnung vorliegt. Nach einem Aspekt kann die Messung der neuen Winkellage aus der neuen Bilddatenpixelanordnung als eine Messung der Winkellage mit einer Messverfälschung bezeichnet werden. Die Berechnung der neuen, um die Messverfälschung bereinigten Winkellage wird um den Bewegungsfolgefilter gekapselt. Der Bewegungsfolgefilter berücksichtigt eine Beschränkung der Winkellage hinsichtlich eines Erwartungswerts einer Bewegungsgröße. Im Bewegungsfolgefilter selbst wird die Änderung der Winkellage in einer 3(drei)-parametrischen Darstellungsform verfolgt und kann deshalb mit einem linearen, additiven Fehler beschrieben werden ohne die Drehoperation zu verzerren. Das gefilterte Ergebnis wird vor der multiplikativen Rotationsoperation mit der Ausgangswinkellage in eine 4-parametrische Darstellung umgerechnet. Die Änderung der Winkellage kann beispielsweise mit Winkelgeschwindigkeitssensoren, wie etwa einem Gyroskop, direkt gemessen werden. Es ist auch möglich, die Änderung der Winkellage unter Annahme gleichmäßiger Rotationsbewegung im Bewegungsprozess-Modell, mittels der Transitionsmatrix aus der Ausgangswinkellage und der neuen Messung der Winkellage zu berechnen. Bei der Verwendung von sensorisch erhobenen Winkelgeschwindigkeiten müssen unterschiedliche Datenraten zwischen Sensordaten und Bilddatenpixelanordnungen kompensiert werden. Eine Anpassung von Messungen, die mit unterschiedlichen Datenraten erfasst werden, kann durch Zuhilfenahme eines dynamischen Bewegungsmodells geschehen, mit dem insbesondere Messwerte interpoliert werden können.Another advancement of a quaternion-based motion tracking filter does not track the angular position of an object itself, but rather the change in the object's angular position. It can also be said that the multiplicative operation of the 4-parametric initial angular position with the likewise 4-parametric change in angular position gives the updated angular position that is present at the time of acquisition of a new image data pixel arrangement. In one aspect, the measurement of the new angular position from the new image data pixel arrangement may be referred to as an angular position measurement with measurement corruption. The calculation of the new angular position, which has been corrected for the measurement error, is encapsulated around the motion sequence filter. The movement sequence filter takes into account a limitation of the angular position with regard to an expected value of a movement quantity. In the movement sequence filter itself, the change in the angular position is tracked in a 3(three)-parametric form of representation and can therefore be described with a linear, additive error without distorting the rotation operation. The filtered result is converted into a 4-parameter representation with the initial angular position before the multiplicative rotation operation. The change in angular position can be measured directly, for example with angular rate sensors such as a gyroscope. It is also possible to calculate the change in the angular position, assuming uniform rotational movement in the motion process model, using the transition matrix from the initial angular position and the new measurement of the angular position. When using angular velocities collected by sensors, different data rates between sensor data and image data pixel arrangements must be compensated for. Measurements that are recorded with different data rates can be adapted by using a dynamic movement model, with which measured values in particular can be interpolated.

Durch ein dynamisches Bewegungsmodell können Bewegungsänderungen in der Position mit Änderungen der Winkellage gekoppelt werden, was eine verbesserte Bestimmung der Objektpose, anders gesagt, der gegenständlichen Lage eines Objekts, ergibt.Through a dynamic motion model, changes in motion in position can be coupled with changes in angular attitude, resulting in improved determination of object pose, in other words, the physical location of an object.

Als Alternative zu einem Kalman-Filter kann auch ein Partikelfilter, wie ein Kondensationsalgorithmus oder ein sequenzieller Monte-Carlo-Algorithmus eingesetzt werden. Hierbei handelt es sich um nichtlineare Filter, die keine Gauß-verteilten Rauschprozesse voraussetzen.As an alternative to a Kalman filter, a particle filter such as a condensation algorithm or a sequential Monte Carlo algorithm can also be used. These are nonlinear filters that do not require any Gaussian distributed noise processes.

Mit dem Verfahren kann besonders zügig und schnell eine Lagebestimmung erfolgen, wenn als Ausgangspunkt eine Vorauswahl einer Markeruntergruppe der Markerkonfiguration zur Anwendung des Vergleichsalgorithmus getroffen wird. In der Vorauswahl kann anders gesagt eine Anfangskonfiguration des Vergleichsalgorithmus festgelegt werden. Die Markeruntergruppe wird aus der Markerkonfiguration bestimmt. Die Markeruntergruppe kann auch aus einer Markermodellkonfiguration bestimmt werden. Vorzugsweise erfolgt die Vorauswahl der Markeruntergruppe algorithmisch in der Recheneinheit, wobei auf vorbekannte Markerkonfigurationsdaten zurückgegriffen wird. Als Markeruntergruppe können z. B. Markerelemente gewählt werden, die einen kleinsten, insbesondere mittleren, Abstand aufweisen. Nach einem Aspekt handelt es sich hierbei um die nächsten Nachbarn innerhalb der Markerkonfiguration. Die Markeruntergruppe umfasst vorzugsweise drei Markerelemente. Die Markeruntergruppe kann auch vier Markerelemente umfassen. Der kleinste mittlere Abstand ist insbesondere dann erkannt, wenn durch einen hypothetischen Austausch eines Markerelements der Markeruntergruppe ein mittlerer Abstand vergrößert wird. Der mittlere Abstand kann z. B. danach berechnet werden, dass jeweils alle vorliegenden paarweisen Abstände von zwei Markerelementen der Markeruntergruppe addiert und durch die Anzahl der Abstände dividiert werden.The method can be used to determine the position particularly quickly and quickly if a pre-selection of a marker subgroup of the marker configuration is made as a starting point for the application of the comparison algorithm. In other words, an initial configuration of the comparison algorithm can be defined in the preselection. The marker subgroup is determined from the marker configuration. The marker subset can also be determined from a marker model configuration. The pre-selection of the marker subgroup is preferably carried out algorithmically in the computing unit, with previously known marker configuration data being used. As a marker subset, e.g. B. marker elements can be selected that have a smallest, especially average, distance. In one aspect, these are the nearest neighbors within the marker configuration. The marker subset preferably comprises three marker elements. The marker subset can also include four marker elements. The smallest mean distance is recognized in particular when a mean distance is increased by a hypothetical replacement of a marker element of the marker subgroup. The mean distance can be It can be calculated, for example, by adding up all available pairwise distances between two marker elements of the marker subgroup and dividing them by the number of distances.

Nach einem anderen Aspekt hat es sich in Versuchen als förderlich für die Schnelligkeit bei der Bestimmung einer Lage bzw. einer geänderten Lage herausgestellt, wenn eine Untergruppe von Markerbildbereichen vorausgewählt wird, auf die der Vergleichsalgorithmus angewendet wird. Eine erste Untergruppe umfasst vorzugsweise fünf Markerbildbereiche. Die erste Untergruppe kann allerdings auch drei Markerbildbereiche umfassen, insbesondere wenn eine Überprüfung eines numerischen Optimierungsverfahrens durchzuführen ist. Die Untergruppe wird vorzugsweise als Nächste-Nachbar-Markerbildbereichskonfiguration ausgewählt. Hierbei werden aus allen aufgefundenen Markerbildbereichen die Markerbildbereiche ausgewählt, die zueinander als nächste Nachbarn algorithmisch ausgewertet werden. Die nächsten Nachbarn lassen sich z. B. dadurch identifizieren, dass der mittlere Abstand von jeweils drei Markerbildbereichen aus allen aufgefundenen Markerbildbereichen berechnet wird. Die Markerbildbereiche mit dem kleinsten mittleren Abstand bilden die ausgewählte erste Untergruppe. Weitere Markerbildbereiche, die einen größeren mittleren Abstand als eine erste Untergruppe aufweisen, lassen sich sequenziell mit jeweils größerem mittleren Abstand in den Vergleichsalgorithmus einbringen. Das erfolgt vorzugsweise wenn die erste Untergruppe oder eine weitere Untergruppe von dem Vergleichsalgorithmus, z. B. aufgrund unzureichender Übereinstimmung mit einer Markermodellkonfiguration, aussortiert wurde.According to another aspect, tests have shown that it is beneficial for the speed in determining a position or a changed position if a subgroup of marker image areas is preselected to which the comparison algorithm is applied. A first subgroup preferably includes five marker image areas. However, the first subgroup can also include three marker image areas, in particular if a numerical optimization method is to be checked. The subset is preferably selected as a nearest neighbor marker image area configuration. Here, from all the marker image areas found, the marker image areas are selected which are algorithmically evaluated as nearest neighbors to one another. The nearest neighbors can be z. B. identify that the mean distance of three marker image areas is calculated from all found marker image areas. The marker image areas with the smallest mean distance form the selected first subgroup. Further marker image areas, which have a larger mean distance than a first subgroup, can be introduced into the comparison algorithm sequentially with a larger mean distance in each case. This is preferably done when the first subgroup or a further subgroup is determined by the comparison algorithm, e.g. B. due to insufficient agreement with a marker model configuration, was discarded.

Nach einem weiteren Aspekt kann eine Nächste-Nachbar-Markerbildbereichskonfiguration auch eine erste Markerbildbereichskonfiguration aus einer ersten Bilddatenpixelanordnung und eine zweite Markerbildbereichskonfiguration aus einer zweiten Bilddatenpixelanordnung sein, die z. B. von allen Markerbildbereichskonfigurationen, insbesondere innerhalb der Markerbildbereichskonfiguration, den kleinsten mittleren Abstand zueinander aufweisen.According to a further aspect, a nearest neighbor marker image area configuration can also be a first marker image area configuration from a first image data pixel arrangement and a second marker image area configuration from a second image data pixel arrangement, e.g. B. of all marker image area configurations, in particular within the marker image area configuration, have the smallest mean distance from one another.

Eine algorithmisch mittels Markerbildbereichen aufgefundene Markerpositionskonfiguration, die die gegenständliche Lage ausmacht, kann noch weiter verfeinert werden, indem der Markerpositionskonfiguration eine Position und eine Richtung eines Raumwinkelbereichs zugeordnet wird. Insbesondere ist es möglich, bei einer Bewegung eine Zuordnung eines geänderten Raumwinkelbereichs zu einer Markerpositionskonfiguration durchzuführen. Ein geänderter Raumwinkelbereich ist ein Raumwinkelbereich, der in einer zweiten gegenständlichen Lage vorliegt. Eine Größe des Raumwinkelbereichs kann z. B. durch zwei Winkel angegeben werden. Die Größe des Raumwinkelbereichs entspricht z. B. einem Blickfeld eines menschlichen Auges oder einem Blickfeld eines menschlichen Augenpaares. Die Position kann z. B. die Position des Kopfes im Raum sein. Die Richtung kann z. B. die Drehstellung des Kopfes oder die Drehstellung der Augen oder auch eine Kombination aus Drehstellung des Kopfes und Drehstellung der Augen sein. Der Raumwinkelbereich ist in Bereichsbilddaten eines virtuellen Raums umrechenbar. Es können allerdings auch aus Bilddaten eines realen Raums, wie eine Photographie oder ein Film, die digitalisiert auf der Recheneinheit vorliegen, zur Berechnung von Bereichsbilddaten, die einem Raumwinkelbereich zugeordnet sind, herangezogen werden. Insbesondere werden für eine Umrechnung Bilddaten eines dreidimensionalen Raums verwendet. Bereichsbilddaten, die einem Raumwinkelbereich zuordnenbar sind, können von einem rechnergestützten Konstruktionsprogramm bereitgestellt worden sein. Es ist auch möglich eine Position und eine Richtung in einem rechnergestützten Konstruktionsprogramm zu verwenden, um einen Raumwinkelbereich eines virtuellen Raums zu errechnen.A marker position configuration found algorithmically by means of marker image areas, which makes up the physical position, can be further refined by assigning a position and a direction of a solid angle area to the marker position configuration. In particular, it is possible to assign a changed solid angle range to a marker position configuration during a movement. A changed solid angle range is a solid angle range that is present in a second physical position. A size of the solid angle range can, for. B. be specified by two angles. The size of the solid angle range corresponds to z. B. a field of view of a human eye or a field of view of a pair of human eyes. The position can e.g. B. be the position of the head in space. The direction can e.g. B. the rotational position of the head or the rotational position of the eyes or a combination of rotational position of the head and rotational position of the eyes. The solid angle area can be converted into area image data of a virtual space. However, from image data of a real space, such as a photograph or a film, which is present in digitized form on the computing unit, it is also possible to use it to calculate area image data that is assigned to a solid angle area. In particular, image data of a three-dimensional space are used for a conversion. Area image data that can be assigned to a solid angle area can have been provided by a computer-aided design program. It is also possible to use a position and a direction in a computer-aided design program to calculate a solid angle range of a virtual space.

Ein System, mit dem eine Blickfelddarstellung dargeboten werden kann, arbeitet vorzugsweise mit Markerelementen, die in einer Konfiguration vorliegen. Die Konfiguration der Markerelemente kann durch einen Markerträger, insbesondere durch Flächenelemente des Markerträgers strukturiert sein. Die Konfiguration der Markerelemente wird vorzugsweise durch eine Pseudozufallsverteilung der Markerelemente festgelegt. Bei einer Pseudozufallsverteilung wird eine Position eines Markerelements mit Hilfe mindestens einer Zufallszahl vorbestimmt. Zufallszahlen werden z. B. von einem Zufallszahlenalgorithmus rechnerisch vorgegeben. Eine Zufallszahl kann z. B. eine Koordinate oder ein Pixel auf einem Flächenelement eindeutig festlegen. Der Begriff Pseudozufallsverteilung besagt, dass die zufällige Verteilung der Markerelemente weiteren Randbedingungen unterliegt. Es ist beispielsweise möglich vorab festzulegen, dass auf einem Flächenelement des Markerträgers eine bestimmte Anzahl, wie z. B. drei, Markerelemente vorliegen müssen. Es kann auch festgelegt werden, dass die Markerelemente nichtlinear angeordnet sind. Bei einer Pseudozufallsverteilung kann auch eine Randbedingung festgelegt werden, wonach in der Konfiguration ein Mindestabstand jedes Markerelements von einem nächstliegenden Rand eingehalten ist. Nach einem anderen Aspekt kann auch ein Mindestabstand von einer nächstliegenden Kante des Markerträgers vorausgesetzt sein. Nach noch einem anderen Aspekt lässt sich vorab ein Mindestabstand von jeweils zwei Markerelementen der Konfiguration festlegen. Mit solchen Vorgaben lässt sich z. B. die Unterscheidbarkeit von zwei Markerelementen verbessern. Weiterhin werden in einem Pixeldatenfeld, das von einer Kamera aufgenommen wurde, Markerelemente zumindest bereichsweise mit dem Hintergrund des Markerträgers gezeigt, wodurch ein Auffinden von Markerelementen in dem Pixeldatenfeld erleichtert werden kann. Ein Markerträger bietet einen homogenen und gleichmäßigen, insbesondere dunklen, Hintergrund, der sich z. B. von einem in dem Raumbereich erfassbaren Hintergrund unterscheidet. Der Mindestabstand beträgt vorzugsweise mindestens ein Drittel eines Markerelementdurchmessers. Es ist auch möglich, einen Mindestabstand von einem halben Markerelementdurchmesser oder einem ganzen Markerelementdurchmesser als Mindestabstand vorzusehen, um so die Markererkennung in dem Pixeldatenfeld weiter zu verbessern. Vorzugsweise sind alle Markerelemente in der Konfiguration nicht linear zueinander angeordnet, sodass von einer Nichtlinearität der Konfiguration gesprochen werden kann. Eine nichtlineare Konfiguration von drei Markerelementen ist eine Dreieckskonfiguration. Durch jede dieser Randbedingungen kann die Bestimmung einer Lage in verschiedenen Winkelstellungen des Markerträgers weiter verbessert, und eine Erkennbarkeit eines Markerelements durch eine Digitalkamera gesteigert werden.A system with which a visual representation can be presented preferably works with marker elements that are present in a configuration. The configuration of the marker elements can be structured by a marker carrier, in particular by surface elements of the marker carrier. The configuration of the marker elements is preferably determined by a pseudo-random distribution of the marker elements. In the case of a pseudo-random distribution, a position of a marker element is predetermined using at least one random number. Random numbers are z. B. mathematically specified by a random number algorithm. A random number can e.g. B. clearly define a coordinate or a pixel on a surface element. The term pseudo-random distribution means that the random distribution of the marker elements is subject to additional boundary conditions. For example, it is possible to specify in advance that a certain number, e.g. B. three, marker elements must be present. It can also be set that the markers elements are arranged non-linearly. In the case of a pseudo-random distribution, a boundary condition can also be specified, according to which a minimum distance of each marker element from a nearest edge is maintained in the configuration. According to another aspect, a minimum distance from a nearest edge of the marker carrier can also be required. According to yet another aspect, a minimum distance of two marker elements of the configuration can be defined in advance. With such specifications, z. B. improve the distinguishability of two marker elements. Furthermore, in a pixel data field recorded by a camera, marker elements are shown at least in regions with the background of the marker carrier, which can make it easier to find marker elements in the pixel data field. A marker carrier offers a homogeneous and even, especially dark background, which can be seen e.g. B. differs from a detectable in the spatial area background. The minimum distance is preferably at least one third of a marker element diameter. It is also possible to provide a minimum distance of half a marker element diameter or a whole marker element diameter as the minimum distance in order to further improve marker recognition in the pixel data field. All marker elements in the configuration are preferably arranged non-linearly to one another, so that the configuration can be said to be non-linear. A non-linear configuration of three marker elements is a triangular configuration. Each of these boundary conditions can further improve the determination of a position in different angular positions of the marker carrier, and the detectability of a marker element by a digital camera can be increased.

Markerelemente lassen sich besonders gut in einem Pixeldatenfeld auffinden, wenn die Konfiguration mindestens einen, vorzugsweise mindestens vier Markerbildbereiche bereitstellt. Konfiguration besagt auch, dass eine Kombination einer vorausgewählten Ausgestaltung eines Markerträgers mit Markerelementen vorliegt. Die Markerbildbereiche werden in einer Aufnahme einer Digitalkamera bereitgestellt. Die Aufnahme der Digitalkamera erfasst auch Markerträgerbildbereiche. Mindestens einer der Markerbildbereiche sollte zumindest bereichsweise an einen Markerträgerbildbereich angrenzen. Vorzugsweise grenzen mindestens vier Markerbildbereiche an einen Markerträgerbildbereich an. Sind weitere Markerbildbereiche in dem Pixeldatenfeld enthalten, so sind insbesondere auch die weiteren Markerbildbereiche in zweidimensionaler Ansicht des Pixeldatenfelds zumindest an einem Kantenbereich mit einem Helligkeitsunterschied zu einem Flächenelement des Markerträgers ausgewiesen. Vorzugsweise ist ein Markerbildbereich von einem Markerträgerbildbereichsrand umschlossen.Marker elements can be found particularly well in a pixel data field if the configuration provides at least one, preferably at least four, marker image areas. Configuration also means that there is a combination of a preselected configuration of a marker carrier with marker elements. The marker image areas are provided in a recording from a digital camera. The digital camera recording also captures marker carrier image areas. At least one of the marker image areas should border on a marker carrier image area, at least in some areas. At least four marker image areas preferably border on a marker carrier image area. If additional marker image areas are contained in the pixel data field, the additional marker image areas are also identified in a two-dimensional view of the pixel data field, at least at an edge area, with a difference in brightness to a surface element of the marker carrier. A marker image area is preferably enclosed by a marker carrier image area edge.

Markerbildbereiche sind besonders gut mit einem Markererkennungsalgorithmus zu erfassen, wenn sie mit einem hohen Kontrast im Verhältnis zu einem Bildbereichshintergrund vorliegen. Dafür ist es günstig, wenn Flächenelemente eines Markerträgers eine absorptionsfördernde Oberfläche aufweisen. Als ein förderlicher Aspekt einer Oberfläche wird eine Materialeigenschaft verstanden, die eine Erleichterung oder eine Begünstigung eines optischen Effekts bewirkt. Der Markerträger kann z. B. zur Verbesserung, d. h. Erhöhung, der Absorption von sichtbarem Licht ausgebildet sein. Die Absorption eines Flächenelements kann auch für einen vorgegebenen Spektralbereich optimiert sein. Vorzugsweise wird mehr als 50% des Lichts, das auf ein Flächenelement einfällt, absorbiert. Eine absorptionsfördernde Oberfläche ist nach einem Aspekt zu unterscheiden von einer reflexionsfördernden Oberfläche. Eine reflexionsfördernde Oberfläche erleichtert Photonen das Verlassen der Oberfläche, wohingegen eine absorptionsfördernde Oberfläche eine Aussendung von Photonen erschwert. Der Bereich sichtbaren Lichts kann z. B. zwischen 350 und 800 Nanometer bemessen sein. Markerelemente weisen vorzugsweise eine reflexionsfördernde Oberfläche auf. Eine reflexionsfördernde Oberfläche ist z. B. eine weiße Oberfläche. Eine weiße Oberfläche wirft eintreffendes Licht des sichtbaren Spektralbereichs zurück. Es ist auch möglich, dass die Reflexion mit einer Streuung von Licht erfolgt. Anders gesagt bietet eine reflexionsfördernde Oberfläche vorzugsweise keinen Winkelerhalt für einfallendes Licht, insbesondere möglichst geringe Rückreflexion, sodass eine Positionierung einer Lichtquelle frei wählbar ist. Eine reflexionsfördernde Oberfläche kann nach einem Aspekt auch als eine abstrahlungsfördernde Oberfläche bezeichnet werden. Die Abstrahlung kann eine Rückstrahlung von empfangenem Licht umfassen. Die Abstrahlung kann aber auch die Aussendung von generiertem Licht umfassen. Vorzugsweise werden mehr als 50 % des auf ein Markerelement einfallenden Lichts reflektiert. Insbesondere sind Markerelementoberflächen vorteilhaft, die Licht breitbandig zurückwerfen. Es können allerdings auch Markerelementoberflächen oder Markerelementoberflächenbeschichtungen verwendet werden, die eine Abstrahlung von sichtbarem Licht, insbesondere in einem spektral-eingeschränkten Wellenlängenbereich, fördern. Damit ist es möglich, z. B. durch das Vorsetzen eines geeigneten Spektralfilters vor eine Digitalkamera, die Auffindbarkeit von Bildbereichen von Markerelementen in einer Bilddatenpixelanordnung zu verbessern. Nach einem weiteren Aspekt kann die Auffindbarkeit von Markerelementen in Bildbereichen auch durch eine Beschichtung mit einem optischen Aufheller verbessert werden. Ein optischer Aufheller ist eine Substanz, die z. B. energiereiches Licht, wie UV-Licht, in energieärmeres Licht, wie sichtbares Licht, umwandelt. Der optische Aufheller wird vorzugsweise auf den Markerelementen aufgebracht. Der optische Aufheller kann auch als Beimischung des formgebenden Materials eines Markerelements vorliegen. Optische Aufheller sind z. B. dann besonders nützlich, wenn an dem Aufstellungsort des Markerträgers Tageslicht herrscht oder zumindest zum Licht der Lichtquelle beiträgt. Es kann allerdings auch eine zusätzliche, sogenannte Schwarzlichtquelle, wie eine Schwarzlichtleuchtstofflampe, verwendet werden, um die Auffindbarkeit von Markerelementen durch einen Markererkennungsalgorithmus noch weiter zu verbessern. Als Alternative zu passiv kontrastbildenden Markerelementen können auch aktiv leuchtende Markerelemente, wie z. B. Markerelemente, in die jeweils eine Leuchtdiode integriert ist, verwendet werden. Eine größere Unabhängigkeit von verfügbaren Lichtquellen lässt sich z. B. durch Integration einer Leuchtdiode oder eines Lichtleitfaserendes von einer Lichtquelle in mindestens ein nach außen durchscheinbares Markerelement erreichen.Marker image areas can be detected particularly well with a marker detection algorithm if they are present with a high contrast in relation to an image area background. It is favorable for this if surface elements of a marker carrier have an absorption-promoting surface. A beneficial aspect of a surface is understood to be a material property that facilitates or promotes an optical effect. The marker carrier can e.g. B. to improve, ie increase, the absorption of visible light. The absorption of a surface element can also be optimized for a given spectral range. More than 50% of the light incident on a surface element is preferably absorbed. According to one aspect, an absorption-promoting surface is to be distinguished from a reflection-promoting surface. A surface that promotes reflection makes it easier for photons to leave the surface, whereas a surface that promotes absorption makes it difficult for photons to be emitted. The visible light range can e.g. B. be dimensioned between 350 and 800 nanometers. Marker elements preferably have a reflection-promoting surface. A reflection-enhancing surface is z. B. a white surface. A white surface reflects incoming light in the visible spectral range. It is also possible that the reflection takes place with a scattering of light. In other words, a reflection-promoting surface preferably does not offer any angle maintenance for incident light, in particular the lowest possible back-reflection, so that the positioning of a light source can be freely selected. A reflection-enhancing surface may, in one aspect, also be referred to as a radiation-enhancing surface. The emission may include reflection of received light. However, the emission can also include the emission of generated light. More than 50% of the light incident on a marker element is preferably reflected. Marker element surfaces that reflect broadband light are particularly advantageous. However, marker element surfaces or marker element surface coatings can also be used, which promote the emission of visible light, in particular in a spectrally restricted wavelength range. This makes it possible, for. B. by placing a suitable spectral filter in front of a digital camera to improve the findability of image areas of marker elements in an image data pixel arrangement. According to a further aspect, the ability to find marker elements in image areas can also be improved by coating them with an optical brightener. An optical brightener is a substance that B. ener converts high-energy light, such as UV light, into low-energy light, such as visible light. The optical brightener is preferably applied to the marker elements. The optical brightener can also be present as an admixture to the material that gives the shape of a marker element. Optical brighteners are z. B. particularly useful when there is daylight at the installation site of the marker carrier or at least contributes to the light of the light source. However, an additional, so-called black light source, such as a black light fluorescent lamp, can also be used in order to further improve the ability to find marker elements using a marker detection algorithm. As an alternative to passive contrast-forming marker elements, actively luminous marker elements, such as e.g. B. Marker elements, in each of which a light-emitting diode is integrated, can be used. Greater independence from available light sources can be achieved e.g. B. by integrating a light-emitting diode or an optical fiber end from a light source in at least one outwardly translucent marker element.

Die Recheneinheit des Systems ist vorzugsweise so klein und leicht, dass sie tragbar ist. Die Recheneinheit kann z. B. in einer Hand getragen werden. Es ist auch möglich, die Recheneinheit an einem Riemen oder einem Gürtel zu befestigen. Der Anwendungsmöglichkeiten der Recheneinheit werden noch mehr erweitert, wenn die Recheneinheit eine Speichereinheit aufweist. Die Speichereinheit kann unter Anderem zur Bereitstellung von Daten eines virtuellen Raums eingesetzt werden. Es ist aber auch möglich, die Daten eines virtuellen Raums per Funk zur Recheneinheit zu übertragen, um die tragbare Recheneinheit möglichst klein zu gestalten, sodass sie in einem Innenbereich eines Markerträgers untergebracht sein kann. Die Daten des virtuellen Raums können zur Bereitstellung von Lageänderungen oder Blickfelddarstellungen in zeitlicher Folge verwendet werden. Es ist auch vorteilhaft, wenn ein Steuerelement in dem System vorgesehen ist. Das Steuerelement kann eine Vorauswahl einer Raumbereichspositionierung einfach und schnell ermöglichen. Ein Steuerelement kann so ausgebildet sein, dass es mit einer Recheneinheit verbindbar ist. Beispielsweise kann ein Steuerelement als ein Spracherkennungsmodul vorliegen, das über ein Mikrofon eine Spracheingabe auswertet. Es ist auch möglich, dass das Steuerelement als eine Gestenerkennungseinheit ausgebildet ist, in der ein oder mehrere Pixeldatenfelder algorithmisch analysierbar sind. Die Pixeldatenfelder werden z. B. mit der Digitalkamera optisch erfasst und in algorithmisch auswertbare elektronische Daten umgewandelt. Damit lässt sich eine Blickfelddarstellung schnell ändern, ohne einen Systemneustart vornehmen zu müssen. Die Blickfelddarstellung kann durch Lageänderungen in dem System weiter verfolgt werden.The computing unit of the system is preferably small and light enough to be portable. The processing unit can, for. B. be carried in one hand. It is also possible to attach the computing unit to a strap or a belt. The possible uses of the computing unit are expanded even further if the computing unit has a memory unit. The memory unit can be used, among other things, to provide data from a virtual space. However, it is also possible to transmit the data of a virtual space to the computing unit by radio, in order to make the portable computing unit as small as possible, so that it can be accommodated in an interior area of a marker carrier. The virtual space data can be used to provide positional changes or view field representations in time sequence. It is also advantageous if a control element is provided in the system. The control element can easily and quickly enable pre-selection of a spatial area positioning. A control element can be designed in such a way that it can be connected to a computing unit. For example, a control element can be in the form of a speech recognition module that evaluates a speech input via a microphone. It is also possible for the control element to be in the form of a gesture recognition unit in which one or more pixel data fields can be analyzed using algorithms. The pixel data fields are z. B. recorded optically with a digital camera and converted into algorithmically evaluable electronic data. This allows you to quickly change a field of view display without having to restart the system. The field of view representation can be further tracked by position changes in the system.

Neben einer ersten elektronischen Bildanzeige kann das System auch weitere elektronische Bildanzeigen, insbesondere eine zweite elektronische Bildanzeige, umfassen. Es ist möglich, dass die erste elektronische Bildanzeige und die zweite elektronische Bildanzeige gemeinsam ein Blickfeld bilden. Eine günstige Anordnung liegt vor, wenn die weitere elektronische Bildanzeige von einer ersten elektronischen Bildanzeige in einer Querrichtung fest beabstandet ist. Vorzugsweise sind die elektronischen Bildanzeigen nebeneinander angeordnet, womit eine erweiterte Blickfelddarstellung möglich ist. Nach einem weiteren Aspekt kann auch das gleiche Blickfeld dupliziert dargeboten werden. Damit können auch unterschiedliche Betrachter sich auf das gleiche Blickfeld konzentrieren. In einer weiteren Ausführungsform können ein erstes und ein zweites Blickfeld als ein Stereoraumwinkelbereich dargeboten werden. Ein Stereoraumwinkelbereich bietet einen noch beeindruckenderen räumlichen Eindruck einer virtuellen Umgebung bzw. eines virtuellen Raums für einen Betrachter.In addition to a first electronic image display, the system can also include other electronic image displays, in particular a second electronic image display. It is possible that the first electronic image display and the second electronic image display together form a field of view. A favorable arrangement is when the further electronic image display is fixedly spaced from a first electronic image display in a transverse direction. The electronic image displays are preferably arranged next to one another, with the result that an expanded field of view display is possible. According to a further aspect, the same field of view can also be presented in duplicate. This means that different viewers can concentrate on the same field of vision. In another embodiment, a first and second field of view may be presented as a stereo solid angle region. A stereo solid angle range offers an even more impressive spatial impression of a virtual environment or a virtual space for a viewer.

Ein Ausführungsbeispiel einer elektronischen Bildanzeige ist eine Videobrille. Eine Videobrille weist in einer Ausführungsform eine erste und eine zweite Bildanzeige auf. Eine Bildanzeige ist einem Auge zugeordnet. Weiterhin kann eine Videobrille mindestens eine Messeinrichtung umfassen. Es können auch weitere Messeinrichtungen, wie eine zweite Messeinrichtung, an einer Videobrille vorgesehen sein. Eine Messeinrichtung ist eine Einheit zur Ausführung mindestens einer Messung einer Messgröße, vorzugsweise in zeitlicher Folge. Eine Messeinrichtung umfasst z. B. mindestens einen Inertialsensor zur Messung von Beschleunigung und Drehraten (inertial measurement unit, kurz IMU), mindestens einen Augenstellungssensor oder ein Sehschärfesensor. Es ist in einer vorteilhaften Weiterbildung möglich mittels einer Videobrille, die insbesondere für jedes Auge eine Augenstellungsmesseinrichtung umfasst, eine Blickrichtung einer Person, bzw. eine Blickrichtungsänderung einer Person, durch Verdrehen der Augen festzustellen. Eine Blickrichtung kann in eine Darstellung insbesondere eines Blickfelds bzw. eines Winkelbereichs in einem virtuellen Raum eingerechnet werden. Es ist auch möglich eine Lagesensorik, die z. B. mechanisch arbeitet, oder einen Beschleunigungssensor in dem System vorzusehen, um eine Genauigkeit einer Lagebestimmung noch weiter zu verbessern oder nach einem anderen Aspekt eine Geschwindigkeit einer Lagebestimmung noch weiter zu erhöhen.One embodiment of an electronic image display is video goggles. In one embodiment, video glasses have a first and a second image display. An image display is associated with an eye. Furthermore, video glasses can include at least one measuring device. Further measuring devices, such as a second measuring device, can also be provided on video glasses. A measuring device is a unit for carrying out at least one measurement of a measured variable, preferably in a chronological sequence. A measuring device includes z. B. at least one inertial sensor for measuring acceleration and rotation rates (inertial measurement unit, IMU for short), at least one eye position sensor or a visual acuity sensor. In an advantageous development, it is possible to determine a person's line of sight or a change in a person's line of sight by turning the eyes by means of video glasses, which in particular have an eye position measuring device for each eye. A viewing direction can be included in a representation, in particular of a field of view or an angular range in a virtual space. It is also possible a position sensor, the z. B. works mechanically, or to provide an acceleration sensor in the system in order to further improve an accuracy of a position determination or, according to another aspect, to further increase a speed of a position determination.

Die zuvor dargestellten Kombinationen und Ausführungsbeispiele lassen sich auch in zahlreichen weiteren Verbindungen und Kombinationen betrachten. Einzelne benannte Aspekte sind frei miteinander kombinierbar oder auch mit Merkmalskombinationen als weitere Ausführungsform zusammenfassbar.The combinations and exemplary embodiments presented above can also be used in numerous other connections and combinations consider. Individual named aspects can be freely combined with one another or combined with combinations of features as a further embodiment.

Figurenlistecharacter list

Die vorliegende Erfindung kann noch besser verstanden werden, wenn Bezug auf die beiliegenden Figuren genommen wird, die beispielhaft besonders vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten darlegen, ohne die vorliegende Erfindung auf diese einzuschränken, wobei

  • 1 ein System zur Darbietung einer Blickrichtung zeigt, wobei eine Trägerperson sich in einem Raumbereich frei bewegen kann,
  • 2 einen Markerträger zeigt, in den aktivleuchtende Markerelemente integrierbar sind, und zwar in Draufsicht in 2a, in einem Durchschnitt entlang der Achse B-B in 2b, in Seitenansicht in Richtung B, in 2c sowie in einer dazu senkrechten Seitenansicht in 2d und in einer perspektivischen Ansicht in 2e,
  • 3 einen Markerträger mit passiv lichtstreuenden Markerelementen zeigt, und zwar in einer Draufsicht in 3a, in einer ersten Seitenansicht, in 3b sowie in einer zweiten Seitenansicht in 3c und in einer perspektivischen Ansicht in 3d,
  • 4 einen Markerträger aus 3 mit eingebauter Videobrille in Draufsicht in 4a, in erster Seitenansicht in 4b, in zweiter Seitenansicht in 4c und in perspektivischer Ansicht in 4d zeigt,
  • 5 eine erste Ausführungsform eines Verfahrens zeigt und
  • 6 eine zweite Ausführungsform eines Verfahrens zeigt.
The present invention can be understood even better if reference is made to the accompanying figures, which present particularly advantageous configuration options by way of example, without restricting the present invention to these, wherein
  • 1 shows a system for presenting a viewing direction, with a wearer being able to move freely in a spatial area,
  • 2 shows a marker carrier in which actively luminescent marker elements can be integrated, in a plan view in 2a , in an average along the axis BB in 2 B , in side view towards B, in 2c as well as in a side view perpendicular thereto in 2d and in a perspective view in 2e ,
  • 3 shows a marker carrier with passively light-scattering marker elements, in a plan view in 3a , in a first side view, in 3b and in a second side view in 3c and in a perspective view in 3d ,
  • 4 a marker carrier 3 with built-in video glasses in plan view in 4a , in first side view in 4b , in second side view in 4c and in perspective view in 4d indicates,
  • 5 shows a first embodiment of a method and
  • 6 shows a second embodiment of a method.

Figurenbeschreibungcharacter description

In 1 ist ein System 1 gezeigt, mit dem eine Blickfelddarstellung für eine Trägerperson P darbietbar ist. Die Trägerperson P trägt auf dem Kopf auf Augenhöhe einen Markerträger 3, welcher kugelartige Markerelemente, wie das Markerelement 5 aufweist, die alle gleichartig ausgeformt sind. Ein Trägerflächenelement, wie die Trägerflächenelemente 27, 27v, trägt mindestens drei Markerelemente, wie das Markerelement 5. Der Markerträger 3, umfasst insgesamt dreißig, verteilt angeordnete Markerelemente 5. Die Trägerperson P kann sich mit dem Markerträger 3 in eine gegenständlichen Lage 2, bezeichenbar durch eine erste räumliche Dimension x, eine zweite räumliche Dimension y, eine dritte räumliche Dimension z und eine Orientierung Θ, bringen. Die erste räumliche Dimension x, die zweite räumliche Dimension y, die dritte räumliche Dimension z und die Orientierung Θ sind durch eine Bewegung der Trägerperson P einzeln oder in Kombination veränderbar. Hierbei liegt jeweils eine Winkelstellung 61 des Markerträgers 3 bezüglich der Kamerabildebene 9 der monookularen Digitalkamera 7 vor. Die monookulare Digitalkamera 7 bildet einen kegelartigen Raumbereich 11 mit dem Raumwinkelbereich α ab. Die Trägerperson P kann sich in dem Raumbereich F frei bewegen, insbesondere bei der Lagebestimmung tanzen, hüpfen oder auch Pirouetten drehen. Auch wenn die Person P sich bückt oder z. B. sich aus einer Horizontalen mit dem Oberkörper aufrichtet bzw. aufsteht, kann die Bewegung präzise verfolgt werden. Die Trägerperson hält sich aber innerhalb des Raumbereichs 11 auf. Bei Erreichen einer Grenze des Raumbereichs 11 wird automatisch ein wahrnehmbares Warnsignal von der Recheneinheit 13 ausgegeben. Es liegt jeweils zu einem Zeitpunkt eine Markerpositionskonfiguration 46 vor. Ein erstes Trägerflächenelement 27 des Markerträgers 3 ist zu einem zweiten Trägerflächenelement 27v abgewinkelt. In der gezeigten Stellung der Trägerperson P wird das erste Trägerflächenelement 27 von der Digitalkamera 7 abgebildet, wohingegen das Trägerflächenelement 27v vor der Digitalkamera 7 verborgen ist. Das Markerelement 5 auf dem ersten Trägerflächenelement wird von der Digitalkamera abgebildet und elektronisch in ein Bilddatenfeld 21, das auch als Bilddatenpixelanordnung bezeichnet werden kann, umgewandelt. Das Bilddatenfeld 21 ist z. B. auf einer elektronischen Bildanzeige 19 einer Recheneinheit 13 anzeigbar. Über die Datenübertragungsverbindung 17, die von der monookularen Digitalkamera 7 zur Recheneinheit 13 als Leitungsverbindung ausgebildet ist, können Daten gesendet und empfangen werden. An die Recheneinheit 13 ist weiterhin die Datenübertragungseinheit 15 angeschlossen, die Datenübertragungsverbindung 17' eine bidirektionale Funkverbindung zu einer Empfangseinheit an einer Videobrille 23, die in einem Innenbereich des Markerträgers 3 sitzt, unterhält.In 1 a system 1 is shown, with which a field of view display for a wearer P can be presented. The wearer P wears a marker carrier 3 on his head at eye level, which has spherical marker elements, like the marker element 5, which are all shaped in the same way. A carrier surface element, such as the carrier surface elements 27, 27 v , carries at least three marker elements, such as the marker element 5. The marker carrier 3 comprises a total of thirty marker elements 5 arranged in a distributed manner by a first spatial dimension x, a second spatial dimension y, a third spatial dimension z and an orientation Θ. The first spatial dimension x, the second spatial dimension y, the third spatial dimension z and the orientation Θ can be changed individually or in combination by a movement of the wearer P. In each case there is an angular position 61 of the marker carrier 3 with respect to the camera image plane 9 of the monoocular digital camera 7 . The monoocular digital camera 7 images a cone-like spatial area 11 with the solid angle area α. The carrier P can move freely in the spatial area F, in particular when determining the position, dance, hop or do pirouettes. Even if the person P bends down or z. B. straightens or stands up from a horizontal with the upper body, the movement can be followed precisely. However, the wearer stays within the spatial area 11 . When a limit of the spatial area 11 is reached, a perceptible warning signal is automatically output by the computing unit 13 . There is a marker position configuration 46 at a point in time. A first carrier surface element 27 of the marker carrier 3 is angled to form a second carrier surface element 27 v . In the position of the carrier P shown, the first carrier surface element 27 is imaged by the digital camera 7 , whereas the carrier surface element 27 v is hidden from the digital camera 7 . The marker element 5 on the first carrier surface element is imaged by the digital camera and electronically converted into an image data field 21, which can also be referred to as an image data pixel arrangement. The image data field 21 is z. B. on an electronic image display 19 of a computing unit 13 can be displayed. Data can be sent and received via the data transmission connection 17, which is designed as a line connection from the monoocular digital camera 7 to the computing unit 13. The data transmission unit 15 is also connected to the arithmetic unit 13 and the data transmission connection 17 ′ maintains a bidirectional radio connection to a receiving unit on video glasses 23 which are located in an interior area of the marker carrier 3 .

Eine Ausführungsform eines Markerträgers 3' ist in 2 gezeigt, mit einer absorptionsbegünstigenden Oberfläche 29. Der Markerträger 3' ist zum Einbau von selbstleuchtenden Markerelementen vorgesehen, wobei strombetriebene Leuchtdioden (LEDs) als Lichtquelle (nicht gezeigt) dienen. Die Figuren 2a, 2b, 2c, 2d und 2e sind verschiedene Ansichten von Markerträger 3'. Der Markerträger 3' weist in der Ansicht 2a die Trägerflächenelemente 27, 27', 27'', 27''' und 27IV auf, die ringartig angeordnet sind. Die Trägerflächenelemente 27, 27' haben eine Winkelstellung 63 von 72°. In Draufsicht sind die fünf Flächenelemente 27, 27', 27'', 27''', 27 IV einer Digitalkamera (nicht dargestellt) zugewandt. 2b zeigt einen Schnitt entlang der Achse B-B aus 2a, woran der freie Innenbereich 46 ersichtlich ist, in den ein Gegenstand oder ein Kopf eingebracht werden kann. In der Seitenansicht von 2c, die in Richtung B aus 2a liegt, ist gezeigt, dass das erste Trägerflächenelement 27 zu dem zweiten Trägerflächenelement 27V eine Winkelstellung 63' aufweist, die 80° beträgt. Auch in der Ansicht entlang der Achse B-B aus 2a, die in 2d vorliegt, lassen sich zwei Trägerflächenelemente 27', 27'' erkennen. Wie anhand der 2c, 2d und insbesondere 2e in perspektivischer Ansicht anhand von Einzelstellungen des Markerträgers 3' veranschaulicht ist, sind auch in einer beliebigen perspektivischen Winkelstellung des Markerträgers 3' immer zumindest zwei Trägerflächenelemente, wie die Trägerflächenelemente 27', 27'', 27''', abbildbar, obgleich einzelne Trägerflächenelemente, wie das Trägerflächenelement 27V aus 2c, in 2e aufgrund der gezeigten Blickrichtung in den Innenbereich 46 verdeckt sind.An embodiment of a marker carrier 3' is in 2 shown, with an absorption-promoting surface 29. The marker carrier 3' is provided for the installation of self-illuminating marker elements, current-operated light-emitting diodes (LEDs) serving as the light source (not shown). The figures 2a , 2 B , 2c , 2d and 2e are different views of marker carrier 3'. The marker carrier 3 'has in the view 2a the carrier surface elements 27, 27', 27'', 27''' and 27 IV , which are arranged like a ring. The carrier surface elements 27, 27' have an angular position 63 of 72°. In a top view, the five surface elements 27, 27', 27'', 27''', 27 IV face a digital camera (not shown). 2 B shows one Section along the BB axis 2a , where the free interior area 46 can be seen in which an object or a head can be placed. In the side view of 2c who are heading towards B 2a lies, it is shown that the first carrier surface element 27 has an angular position 63' relative to the second carrier surface element 27 V , which is 80°. Also in the view along the BB axis 2a , in the 2d is present, two carrier surface elements 27', 27'' can be seen. How based on 2c , 2d and particularly 2e is illustrated in a perspective view based on individual positions of the marker carrier 3', at least two carrier surface elements, such as the carrier surface elements 27', 27'', 27''', can also always be imaged in any perspective angular position of the marker carrier 3', although individual carrier surface elements, like the carrier surface element 27 V 2c , in 2e are covered due to the viewing direction shown in the interior 46.

In 3 ist ein Markerträger 3" gezeigt, wobei 3a eine Draufsicht und die 3b und 3c jeweils eine Seitenansicht und 3d eine perspektivische Ansicht sind. Der Markerträger 3" trägt Markerelemente wie das Markerelement 5. Die Draufsicht von 3a zeigt, dass die Konfigurationen von Markerelementen 41, 41', 41'', 41''', 41IV, die auf den Trägerflächenelementen 27, 27', 27'', 27''', 27 IV vorgesehen sind, sich jeweils voneinander unterscheiden. Die Markerelemente, wie das Markerelement 5, weisen eine reflexionsfördernde Oberfläche 31 auf, die eine Abstrahlung von Licht begünstigt. Die Flächenelemente, wie das Flächenelement 27", weisen jeweils eine absorptionsfördernde Oberfläche, wie die absorptionsfördernde Oberfläche 29 auf, die die Absorption von sichtbarem Licht begünstigt. Wie z. B. 3b belegt, unterscheiden sich die Konfigurationen auf den Trägerflächenelementen, wie die Konfiguration 41, 41' auf dem Trägerflächenelement 27, 27', und die Konfigurationen von Markerelementen auf den anderen Trägerflächenelementen, wie die Konfiguration 41V auf dem zweiten Trägerflächenelement 27V. Es liegt demnach keine gleichartige Konfiguration von Markerelementen 41, 41', 41'', 41''', 41IV, 41V auf dem Markerträger 3'' vor. Die Unterscheidbarkeit der Konfigurationen, wie die Konfiguration 41'', voneinander ist auch in 3c ersichtlich. Die Markerelemente, wie Markerelement 5, 5', 5'', 5''', 5IV, 5a, liegen in einer Pseudozufallsverteilung 42 vor und sind gleichartig mit einem Markerelementdurchmesser 39 ausgebildet. Zwischen Markerelement 5' und Markerelement 5'' liegt ein Abstand 37, der zufällig ungefähr das Zweifache eines Markerelementdurchmesser 39 beträgt. Der Abstand 37' zwischen Markerelement 5 und Markerelement 5' beträgt zufällig ca. vier Markerelementdurchmesser 39, wobei ein Markerelementen 39 auch als ein Mindestabstand zwischen Markerelementen 5, 5', 5'' bezeichnet werden kann. Die Konfiguration 41'' mit den Markerelementen 5, 5' und 5'' liegt daher als ungleichseitiges Dreieck vor. Der Mindestabstand 38 zum Rand 33, der von Markerelement 5 eingehalten wird, beträgt einen halben Markerelementdurchmesser 39. Hinter dem Rand 33 sind Markerelemente, wie das Markerelement 5a, verborgen. In der perspektivischen Ansicht von 3d sind die Flächenelemente 27, 27', 27'' als trapezförmige Flächenelemente zu erkennen. Das Flächenelemente 27 und 27' schließen an der Kante 35 aneinander an. Die Flächenelemente 27 und das verdeckte Flächenelement 27V schließen an der Kante 35' aneinander an. Kante 35 kann auch als schmalseitige Kante und Kante 35' kann als langseitige Kante bezeichnet werden. Konfiguration 41 mit Trägerflächenelement 27 verdecken Konfiguration 41V auf Trägerflächenelement 27V. Obgleich Trägerflächenelement 27IV in Seitenansicht nur linienartig einsehbar ist, hebt sich Konfiguration 41IV in dem von der perspektivischen Ansicht von 3d dargebotenen Bildbereich hervor und kann daher von einer Digitalkamera (nicht dargestellt) abgebildet und ausgewertet werden.In 3 a marker carrier 3" is shown, where 3a a top view and the 3b and 3c a side view and 3d are a perspective view. The marker carrier 3 "carries marker elements like the marker element 5. The top view of 3a shows that the configurations of marker elements 41, 41', 41'', 41''', 41 IV provided on the carrier surface elements 27, 27', 27'', 27''', 27 IV differ from each other differentiate. The marker elements, such as the marker element 5, have a reflection-promoting surface 31 that promotes the emission of light. The surface elements, such as the surface element 27", each have an absorption-promoting surface, such as the absorption-promoting surface 29, which promotes the absorption of visible light. Such as e.g. 3b occupied, the configurations on the carrier surface elements differ, such as the configuration 41, 41' on the carrier surface element 27, 27', and the configurations of marker elements on the other carrier surface elements, such as the configuration 41 V on the second carrier surface element 27 V . Accordingly, there is no similar configuration of marker elements 41, 41', 41'', 41''', 41IV , 41V on the marker carrier 3''. The distinguishability of the configurations, such as configuration 41'', from one another is also in 3c apparent. The marker elements, such as marker element 5, 5′, 5″, 5″″, 5 IV , 5a, are present in a pseudo-random distribution 42 and are of the same design with a marker element diameter 39 . There is a distance 37 between the marker element 5' and the marker element 5'' which happens to be approximately twice the diameter 39 of the marker element. The distance 37' between marker element 5 and marker element 5' happens to be approximately four marker element diameters 39, a marker element 39 also being able to be referred to as a minimum distance between marker elements 5, 5', 5''. The configuration 41'' with the marker elements 5, 5' and 5'' is therefore present as a scalene triangle. The minimum distance 38 from the edge 33, which is maintained by the marker element 5, is half a marker element diameter 39. Behind the edge 33 are marker elements, such as the marker element 5a, hidden. In the perspective view of 3d the surface elements 27, 27', 27'' can be seen as trapezoidal surface elements. The surface elements 27 and 27' adjoin one another at the edge 35. The surface elements 27 and the covered surface element 27V adjoin one another at the edge 35'. Edge 35 can also be referred to as a short-side edge and edge 35' can be referred to as a long-side edge. Configuration 41 with carrier surface element 27 cover configuration 41 V on carrier surface element 27 V . Although carrier surface element 27 IV can only be seen line-like in a side view, configuration 41 IV stands out in the perspective view of FIG 3d presented image area and can therefore be imaged and evaluated by a digital camera (not shown).

Eine weitere Ausführungsform eines Markerträgers 103 liegt in 4 vor. In der Draufsicht von 4a sind die ersten Flächenelemente 127, 127', 127'', 127''', 127IV in ringartig geschlossener, fünfeckartiger Anordnung gezeigt. In einem Innenbereich 146 ist eine Videobrille 123 an dem Markerträger 103 befestigt. Die Videobrille 123 umfasst die elektronische Bildanzeige 119 für das rechte Auge und die elektronische Bildanzeige 119' für das linke Auge einer Trägerperson (nicht dargestellt). Weiterhin liegt eine zusätzliche Messeinrichtung 125 vor. Mit Hilfe der Markerelemente, wie Markerelement 105, sind die Position und die Orientierung des Markerträgers 103 eindeutig festlegbar. Die Seitenansichten 4b und 4c des Markerträgers 103 zeigen, dass die Videobrille 123 vollständig in den Innenbereich 146 integriert an dem Markerträger 103 befestigt ist. In der perspektivischen Ansicht in 4d ist die Datenübertragungseinheit 150 gezeigt, mit der Messdaten von Messeinrichtungen, wie der Messeinrichtung 125 aus 4a an der Videobrille 123, an eine Recheneinheit geschickt werden können oder Daten, die ein Blickfeld einer virtuellen Umgebung darstellen, empfangen und in der Videobrille 123 dargeboten werden können.Another embodiment of a marker carrier 103 is in 4 in front. In the top view of 4a the first surface elements 127, 127′, 127″, 127′″, 127 IV are shown in a ring-like closed, pentagon-like arrangement. Video glasses 123 are attached to the marker carrier 103 in an interior area 146 . The video goggles 123 include the electronic image display 119 for the right eye and the electronic image display 119' for the left eye of a wearer (not shown). There is also an additional measuring device 125 . With the help of the marker elements, such as marker element 105, the position and the orientation of the marker carrier 103 can be clearly defined. The side views 4b and 4c of the marker carrier 103 show that the video glasses 123 are fully integrated into the inner area 146 and attached to the marker carrier 103 . In the perspective view in 4d the data transmission unit 150 is shown, with the measurement data from measuring devices, such as the measuring device 125 4a on the video glasses 123, can be sent to a computing unit or data representing a field of view of a virtual environment can be received and presented in the video glasses 123.

Ein Flussdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren 200, 201 ausgehend von dem Verfahrensstart 202 in einem System (nicht dargestellt) ist in 5 dargestellt. Das Verfahrensschema 200, 201 umfasst verschiedene Möglichkeiten des Verfahrensablaufs. In einem Verfahrensablauf 200 ist die Bestimmung einer gegenständlichen Lage 230 vorgesehen. In einem weiteren Verfahrensablauf 201 ist die Bestimmung einer gegenständlichen Lage 230 nach einer Lageänderung vorgesehen. Die Bestimmung der, insbesondere geänderten, gegenständlichen Lage 230 kann auch als Schätzung einer Pose bezeichnet werden. Das Verfahren 200, 201 von 5 umfasst Schritte zur Bestimmung einer gegenständlichen Lage 230, die zur sogenannten Initialisierung des Systems 288 verwendet werden. Das Verfahren von 5 umfasst auch Verfahrensschritte zur Bestimmung einer geänderten gegenständlichen Lage, die auch als Messung einer neuen Pose 222 bezeichnet wird. Die neue Pose 222 wurde im Ablauf einer Bewegung eingenommen und kann daher auch als Erfassung eines Bewegungszustands bezeichnet werden. Bewegungszustände können z. B. als Schnappschüsse oder stroposkopisch erfasst werden.A flowchart for a method 200, 201 according to the invention, starting from the start of the method 202 in a system (not shown), is shown in 5 shown. The process scheme 200, 201 includes various options for the process sequence. The determination of a physical position 230 is provided in a method sequence 200 . In a further procedure 201 is the determination of a physical Position 230 provided after a position change. The determination of the position 230, which has changed in particular, can also be referred to as the estimation of a pose. The procedure 200, 201 of 5 includes steps to determine a physical location 230 that are used to so-called initialize the system 288. The procedure of 5 also includes method steps for determining a changed physical position, also referred to as measuring a new pose 222 . The new pose 222 was assumed in the course of a movement and can therefore also be referred to as the detection of a state of movement. Motion states can e.g. B. can be captured as snapshots or stroposcopically.

Mit einer monookularen Digitalkamera 207 wird ein Bild aufgenommen, aus dessen Bilddatenpixelanordnung 221 der Markererkennungsalgorithmus 204 Markerbildbereiche 206 auswertet, aus denen 2D (zweidimensionale) -Koordinaten 208 im aufgenommenen Bild 221 aller möglichen Marker bestimmt werden. Ist das System noch nicht initialisiert 212, so werden zunächst Initialisierungsschritte durchgeführt, wobei eine bekannte Geometrie des Markerträgers 236 und eine bekannte Markerkonfiguration 234 in die Bestimmung der Markermodellkonfiguration 242 eingehen. Aus der Markermodellkonfiguration 242 werden drei Markermodellpunkte 264 oder ggf. bei einer Wiederholung andere Markermodellpunkte 238 ausgewählt und mit drei Markerbildbereichen 262 verglichen, wobei bis zu fünf Posenhypothesen 266, die auch als Hypothesen für die Lage der drei Markermodellpunkte bezeichnet werden können, iterativ in die zweidimensionale Anordnung der ausgewählten Markerbildbereiche 262 projiziert werden 268. Anschließend erfolgt ein Vergleich 270 zwecks Auffindung weiterer Übereinstimmungen zwischen Markerbildbereichen und projizierten theoretisch sichtbaren Modellpunkten. In der Iteration 272 wird dann die jeweils nächste Posenypothese 274 verglichen und wenn alle Posenhypothesen für drei Markerbildbereiche 276 durchgeprüft sind, erfolgt in einem nächsten Iterationsschritt 278 eine geordnete, insbesondere sequenzielle Prüfung von Stichproben bzw. Variationen dreier Markerbildbereiche 260, unter Hinzuziehung anderer Punkte 238, die als drei Markerbildbereiche 262 in den Vergleich mit drei Markermodellpunkten 264 eingehen. Sind alle Iterationen über alle Variationen 280 von Markerbildbereichen und Modellpunkten durchgeprüft, so erfolgt, wenn unterdessen keine plausible Hypothese gefunden wurde 282, die Auswertung eines nächsten Bildes 221''. Wurde anhand eines Genauigkeitswerts (nicht dargestellt) eine passende Hypothese für eine passende Markermodellkonfiguration in einem der Iterationsschritte gefunden 284, so erfolgt eine Projektion des gesamten Markermodells mit Posenhypothese in das zweidimensionale Bild mit den Markerbildbereichen 268' um eine Zuordnung zwischen Markerbildbereichen und korrespondierenden Modellpunkten 286 zu erhalten. Anschließend wird eine numerische Optimierung der Hypothese für die Lage anhand der Markermodellkonfiguration bzw. die Hypothese für die Pose bezüglich den Pixelabständen zwischen projizierten Markermodellpunkten und korrespondierenden Markerbildbereichen mit einem Algorithmus, wie dem Levenberg-Marquardt-Algorithmus, durchgeführt 220'. Nach Abschluss der numerischen Optimierung ist das System initialisiert 288 und die gegenständliche Lage ist mit Hilfe der bekannten Markerkonfiguration 234 und der bekannten Geometrie des Markerträgers 236 bestimmt.An image is recorded with a monoocular digital camera 207, from whose image data pixel arrangement 221 the marker detection algorithm 204 evaluates marker image areas 206, from which 2D (two-dimensional) coordinates 208 in the recorded image 221 of all possible markers are determined. If the system has not yet been initialized 212 , initialization steps are carried out first, with a known geometry of the marker carrier 236 and a known marker configuration 234 being included in the determination of the marker model configuration 242 . Three marker model points 264 or, if necessary, other marker model points 238 in the case of a repetition are selected from the marker model configuration 242 and compared with three marker image areas 262, with up to five pose hypotheses 266, which can also be referred to as hypotheses for the position of the three marker model points, iteratively in the two-dimensional Arrangement of the selected marker image areas 262 are projected 268. A comparison 270 is then carried out in order to find further matches between marker image areas and projected theoretically visible model points. In the iteration 272, the respective next pose hypothesis 274 is then compared and when all pose hypotheses for three marker image areas 276 have been checked, in a next iteration step 278 an ordered, in particular sequential check of random samples or variations of three marker image areas 260 takes place, taking into account other points 238, which enter into the comparison with three marker model points 264 as three marker image areas 262 . If all iterations over all variations 280 of marker image areas and model points have been checked, if no plausible hypothesis has been found 282 in the meantime, a next image 221'' is evaluated. If a suitable hypothesis for a suitable marker model configuration was found in one of the iteration steps 284 based on an accuracy value (not shown), the entire marker model with pose hypothesis is projected into the two-dimensional image with the marker image areas 268' in order to assign marker image areas and corresponding model points 286 obtain. A numerical optimization of the hypothesis for the position based on the marker model configuration or the hypothesis for the pose with regard to the pixel distances between projected marker model points and corresponding marker image areas is then carried out 220' using an algorithm such as the Levenberg-Marquardt algorithm. After completion of the numerical optimization, the system is initialized 288 and the position in question is determined using the known marker configuration 234 and the known geometry of the marker carrier 236 .

Mit erfolgter Verfahrensinitialisierung 288 ist durch die Bestimmung einer gegenständlichen Lage eine Ausgangslage bekannt, die zur Initialisierung des quaternionenbasierten Bewegungsfolgefilters mit Position und Orientierung 290 weiter verwendet werden kann. Es wird ein nächstes Bild 221' durch die monookulare Digitalkamera 207 aufgenommen und die zweidimensionalen Koordinaten 208 aller möglichen Marker im aufgenommenen Bild werden mittels Markererkennungsalgorithmus 204 ausgewertet. Wenn in dem Verfahren die Initialisierung bereits vorliegt 210, so werden von einem vorhergehend ausgewerteten Bild, wie dem Bild 221, die 2D-Koordinaten von Markerbildbereichen 208a der Bilddatenpixelanordnung herangezogen und zur Bestimmung von nächsten Nachbarn 214 mit den 2D-Koordinaten aus dem nächsten Bild 221' in einem Vergleichsalgorithmus verglichen. Daraus werden Hypothesen, sogenannte Markermodellkonfigurationhypothesen, über eine mögliche Korrespondenz für einen Vergleich zwischen Markerbildbereichen und Punkten der Markermodellkonfiguration aufgestellt 216. Anders gesagt wird eine Projektion der Markermodellkonfiguration, die der vorhergehenden Bilddatenpixelanordnung zugeordnet ist, auf die Markerbildbereiche des nächsten Bildes 221, das auch als nächste Bilddatenpixelanordnung bezeichnet werden kann, durchgeführt. Mit einem numerischen Optimierungsverfahren wird bezüglich der projizierten Punkte der Markermodellkonfiguration und den korrespondierenden Markerbildbereichen ein Vergleich durchgeführt, um die passende Projektion, insbesondere die richtigen Projektionsparameter, zu finden 220. Hierbei kommt ein Projektionsalgorithmus zum Einsatz. Zur Verbesserung der Hypothesen über die Korrespondenz 216 erfolgt eine Überprüfung von Zufallsauswahlen von Modellpunkten mit dem Algorithmus zum Auffinden von Ausreißern 218, der auch als Kontrollalgorithmus zum Ausschließen von Fehlerbildbereichen (RANSAC) bezeichnet werden kann. Die Bestimmung der gegenständlichen Lage 222 nach einer Lageänderung wird weiter verbessert durch Anwendung eines quaternionenbasierten Bewegungsfolgefilters 224, in dem der Bewegungsablauf, z. B. eines Kopfes, 226 mit einer Prognose 228 über eine stetige Entwicklung berücksichtigt wird. Die auf diese Weise mit guter Genauigkeit erhaltene Pose bzw. geänderte gegenständliche Lage wird dann in eine Darstellung bzw. Projektion einer dreidimensionalen (3D) Computergrafik 232 eingerechnet.When the method initialization 288 has taken place, a starting position is known through the determination of a physical position, which can be further used to initialize the quaternion-based motion sequence filter with position and orientation 290 . A next image 221 ′ is recorded by the monoocular digital camera 207 and the two-dimensional coordinates 208 of all possible markers in the recorded image are evaluated using a marker detection algorithm 204 . If the initialization is already present in the method 210, the 2D coordinates of marker image areas 208a of the image data pixel arrangement are used from a previously evaluated image, such as the image 221, and to determine nearest neighbors 214 with the 2D coordinates from the next image 221 ' compared in a comparison algorithm. From this, hypotheses, so-called marker model configuration hypotheses, are set up about a possible correspondence for a comparison between marker image areas and points of the marker model configuration 216. In other words, a projection of the marker model configuration, which is assigned to the previous image data pixel arrangement, onto the marker image areas of the next image 221, which is also the next Image data pixel arrangement can be referred to performed. With a numerical optimization method, a comparison is carried out with regard to the projected points of the marker model configuration and the corresponding marker image areas in order to find the appropriate projection, in particular the correct projection parameters 220. A projection algorithm is used here. To improve the hypotheses about the correspondence 216, random selections of model points are checked using the algorithm for finding outliers 218, which can also be referred to as the control algorithm for eliminating error image areas (RANSAC). The determination of the physical position 222 after a position change is further improved by using a quaternion-based motion sequence filter 224, in which the movement, e.g. B. a head, 226 is taken into account with a prognosis 228 about a steady development. The pose obtained in this way with good accuracy or the changed physical position is then included in a representation or projection of a three-dimensional (3D) computer graphic 232 .

In 6 ist eine Ausführungsform des Verfahrens 300, 301 gezeigt, bei der, ähnlich wie in dem Verfahren 200, 201 gemäß 5, ein Verfahren 300 zur Bestimmung einer gegenständlichen Lage zur Verfahrensinitialisierung 388 mit einem Verfahren 301 zur Bestimmung einer gegenständlichen Lage 322 nach einer Lageänderung, insbesondere zur Messung einer neuen Pose, miteinander kombiniert sind. Ausgehend von dem Start 302 bis zur Erstellung bzw. Darstellung einer dreidimensionalen (3D) Computergrafik 332 liegen zahlreiche Übereinstimmungen mit dem Verfahren von 2 vor, weshalb hinsichtlich des detaillierten Verfahrensablaufs für die Aspekte unter dem Bezugszeichen 307, 321, 304, 306, 308, 321', 312, 321", 334, 336, 342, 338, 364, 366, 372, 374, 368, 370, 359, 382, 384, 368', 386, 320', 388, 390, 310, 308a, 314, 316, 318, 320, 324, 328, 326, 330 auf die entsprechenden Bezugszeichen von 5 mit um die Zahl 100 verkleinerten Bezugszeichen und den Beschreibungstext zu 5 verwiesen wird. Bei der Feststellung, dass das System noch nicht initialisiert ist 312, wird allerdings eine andersartige Iteration vorgenommen. Hierbei wird aus den aufgefundenen Markerbildbereichen 306 iterativ ein i-ter Markerbildbereich (Mi) ausgewählt 350 und es werden die fünf nächstbenachbarten Markerbildbereiche um den i-ten Markerbildbereich (Mi) herum identifiziert und als Gruppe 351 zusammengefasst. Anschließend erfolgt eine Iteration über alle zehn ungeordneten Stichproben, die sich aus einer möglichen Auswahl von drei aus fünf Markerbildbereichen erstellbar sind 352. Wurde eine Kombination bereits geprüft 353, so wird in der Iteration von drei aus fünf Kombinationen ein nächster Iterationsschritt 378' ausgeführt und eine weitere Kombination betrachtet. Wurde die Kombination noch nicht geprüft 354, so werden die drei zu betrachtenden Markerbildbereiche 362 iterativ über alle Permutationen 355 in bis zu fünf Posenhypothesen 366, die mit der Projektion der Markermodellkonfiguration zu vergleichen sind 370, zusammengeführt. Sind alle der fünf Posenhypothesen aus drei Markerbildbereichen durchgeprüft 376, so wird eine nächste Permutation 356 in der Iteration über alle Permutationen 355 abgearbeitet. Sind alle Permutationen aus drei Markerbildbereichen durchgeprüft 357, so wird eine weitere Kombination von drei aus fünf Markerbildbereichen der Prüfung unterzogen. Sind alle Kombinationen aus fünf Markerbildbereichen durchgeprüft 358, so wird in einem weiteren Iterationsschritt 378" ein i+1-ter Markerbildbereich (Mi+1) ausgewählt, um für diesen i+1-ten Markerbildbereich (Mi+1) die nächste Gruppe von fünf benachbarten Markerbildbereichen für weitere iterative Prüfungen heranzuziehen. Hierbei ist „i“ eine natürliche Zahl, die zur Nummerierung von unterschiedlichen Markerbildbereichen verwendet wird. In Versuchen wurde festgestellt, dass mit einer derartigen iterativen Schachtelung ein beachtlicher Zeitgewinn bei der Bestimmung einer gegenständlichen Lage 388 erreicht wird.In 6 an embodiment of the method 300, 301 is shown in which, similar to the method 200, 201 according to 5 , a method 300 for determining a physical position for method initialization 388 with a method 301 for determining a physical position 322 after a position change, in particular for measuring a new pose, are combined with one another. From the start 302 to the creation or display of a three-dimensional (3D) computer graphic 332, there are numerous similarities with the method of FIG 2 before, which is why with regard to the detailed process flow for the aspects under the reference number 307, 321, 304, 306, 308, 321', 312, 321", 334, 336, 342, 338, 364, 366, 372, 374, 368, 370 , 359, 382, 384, 368', 386, 320', 388, 390, 310, 308a, 314, 316, 318, 320, 324, 328, 326, 330 to the corresponding reference numbers of 5 with reference numbers reduced by the number 100 and the descriptive text 5 is referenced. However, upon determining that the system is not yet initialized 312, a different iteration is performed. An i-th marker image area (M i ) is iteratively selected 350 from the found marker image areas 306 and the five next neighboring marker image areas around the i-th marker image area (M i ) are identified and combined as a group 351 . An iteration then takes place over all ten unordered random samples that can be created from a possible selection of three out of five marker image areas 352. If a combination has already been checked 353, then in the iteration of three out of five combinations a next iteration step 378' is carried out and one further combination considered. If the combination has not yet been checked 354, the three marker image regions 362 to be considered are iteratively brought together across all permutations 355 in up to five pose hypotheses 366, which are to be compared 370 with the projection of the marker model configuration. If all of the five pose hypotheses from three marker image areas have been checked 376, then a next permutation 356 in the iteration over all permutations 355 is processed. If all permutations from three marker image areas have been checked 357, then a further combination of three out of five marker image areas is subjected to the check. If all combinations of five marker image areas have been checked 358, then in a further iteration step 378" an i+1-th marker image area (M i+1 ) is selected in order to form the next group for this i+1-th marker image area (M i+1 ). of five adjacent marker image areas for further iterative tests. Here "i" is a natural number that is used to number different marker image areas. Tests have shown that with such an iterative nesting a considerable time gain is achieved when determining a physical layer 388 will.

Es ist allerdings auch möglich in einer weiteren Ausführungsform das Verfahren zur Bestimmung einer gegenständlichen Lage (200, 300) iterativ, d. h. in Wiederholung auf anderer Datenbasis, dazu einzusetzen, eine gegenständliche Lage nach einer Lageänderung zu bestimmen und so einen Bewegungsablauf zu verfolgen. Es kann eine Ausgangslage bereitgestellt werden. Eine Markermodellkonfiguration aus Markerbildbereichen weiterer Bilddatenpixelanordnungen kann mit einem quaternionenbasierten Bewegungsfolgefilter mittels einer Bewegungsverlaufsprognose verbessert werden. Der Bewegungsablauf kann somit in eine Blickfelddarstellung einer 3D-Computergrafik eingerechnet werden.However, in a further embodiment, it is also possible to carry out the method for determining a physical position (200, 300) iteratively, i. H. repeated on a different database, to determine a physical position after a change in position and thus to follow a movement. A starting position can be provided. A marker model configuration from marker image areas of further image data pixel arrangements can be improved with a quaternion-based motion sequence filter by means of a motion course prediction. The movement sequence can thus be included in a field of view representation of a 3D computer graphic.

Die in den einzelnen Figuren gezeigten Ausgestaltungsmöglichkeiten lassen sich auch untereinander in beliebiger Form verbinden. Insbesondere lassen sich einzelne Aspekte eines Ausführungsbeispiels mit einem zweiten Ausführungsbeispiel kombinieren.The design options shown in the individual figures can also be connected to one another in any form. In particular, individual aspects of an exemplary embodiment can be combined with a second exemplary embodiment.

BezugszeichenlisteReference List

11
System, insbesondere System zur Darbietung einer BlickfelddarstellungSystem, in particular system for presenting a field of vision display
22
gegenständliche Lagepresent situation
3, 3', 3'', 1033, 3', 3'', 103
Markerträger, insbesondere MarkerträgerbildbereichMarker carrier, in particular marker carrier image area
5, 5', 5'', 5''', 5IV, 1055, 5', 5'', 5''', 5IV, 105
Markerelement, insbesondere MarkerbildbereichMarker element, in particular marker image area
5a5a
Markerelement, insbesondere verdecktes MarkerelementMarker element, in particular hidden marker element
7, 207, 3077, 207, 307
Digitalkamera, insbesondere monookulare DigitalkameraDigital camera, in particular mono-ocular digital camera
99
Kamerabildebenecamera image plane
1111
Raumbereichspace area
1313
Recheneinheitunit of account
1515
Datenübertragungseinheitdata transfer unit
17, 17'17, 17'
Datenübertragungsverbindung, insbesondere BilddatenerfassungsverbindungData transmission connection, in particular image data acquisition connection
19, 119, 119', 2119, 119, 119', 21
elektronische Bildanzeige, insbesondere Blickfelddarstellung Pixeldatenfeld, insbesondere Bildelectronic image display, in particular display of the visual field, pixel data field, in particular an image
23, 12323, 123
Videobrillevideo glasses
125125
Messeinrichtung, insbesondere BeschleunigungssensorMeasuring device, in particular acceleration sensor
27, 27'', 12727, 27'', 127
erstes Flächenelement, insbesondere Trägerflächenelementfirst surface element, in particular carrier surface element
27', 27v, 127'27', 27v, 127'
zweites Flächenelement, insbesondere Trägerflächenelementsecond surface element, in particular carrier surface element
27''', 27IV, 127'', 127''', 127IV27''', 27IV, 127'', 127''', 127IV
weiteres Flächenelement, insbesondere Trägerflächenelementfurther surface element, in particular carrier surface element
2929
absorptionsfördernde Oberflächeabsorption-promoting surface
3131
reflexionsfördernde Oberflächereflective surface
3333
Randedge
35, 35'35, 35'
Kanteedge
37, 37'37, 37'
Abstand, insbesondere zwischen zwei MarkerelementenDistance, especially between two marker elements
3838
Mindestabstand, insbesondere zu einem RandMinimum distance, especially to an edge
3939
Markerelementdurchmesser, insbesondere MindestabstandgrößeMarker element diameter, especially minimum distance size
41, 41', 41'', 41''',41IV, 41V41, 41', 41'', 41''', 41IV, 41V
Konfiguration, insbesondere Anordnung von Markerelementen auf mindestens einem TrägerflächenelementConfiguration, in particular arrangement of marker elements on at least one carrier surface element
4242
Pseudozufallsverteilung, insbesondere der Konfiguration der MarkerelementePseudo-random distribution, in particular the configuration of the marker elements
4343
Markerpositionskonfiguration, insbesondere dreidimensionale AnordnungMarker position configuration, especially three-dimensional arrangement
46, 14646, 146
Innenbereichinterior
150150
Datenübertragungseinheit, insbesondere Sender und EmpfängerData transmission unit, in particular transmitter and receiver
6161
Winkelstellung, insbesondere des MarkerträgersAngular position, in particular of the marker carrier
63, 63'63, 63'
Winkelstellung, insbesondere der FlächenelementeAngular position, in particular of the surface elements
200, 300200, 300
Verfahren, insbesondere zur Bestimmung einer gegenständlichen LageMethod, in particular for determining a physical situation
201, 301201, 301
Verfahren, insbesondere zur Bestimmung einer gegenständlichen Lage nach einer Lageänderung, vorzugsweise aus einer zweiten BilddatenpixelanordnungMethod, in particular for determining an object's position after a change in position, preferably from a second image data pixel arrangement
202, 302202, 302
Start, insbesondere der Verfahren in dem SystemStart, in particular, of the procedures in the system
204, 304204, 304
Markererkennungsalgorithmus, insbesondere HellfleckfilterMarker detection algorithm, especially bright spot filter
206, 306206, 306
Markerbildbereichemarker image areas
208, 308208, 308
2D-Koordinaten aller möglichen Marker im Bild2D coordinates of all possible markers in the image
208a, 308a208a, 308a
2D-Koordinaten aus der vorherigen Bilddatenpixelanordnung, insbesondere Ausgangslage2D coordinates from the previous image data pixel arrangement, in particular the initial position
210, 310210, 310
Verfahren initialisiert, insbesondere System wurde bereits initialisiertProcess initialized, in particular system has already been initialized
212, 312212, 312
Verfahren nicht initialisiert, insbesondere System ist noch nicht initialisiertProcedure not initialized, in particular the system is not yet initialized
214, 314214, 314
Vergleichsalgorithmus, insbesondere Nächster-Nachbar-MarkerbildbereichComparison algorithm, in particular nearest neighbor marker image area
216, 316216, 316
Markermodellkonfigurationhypothesen zur Bestimmung von Korrespondenzen zu Markerbildbereichen durch VergleicheMarker model configuration hypotheses to determine correspondences to marker image areas through comparisons
218, 318218, 318
Kontrollalgorithmus zum finden und ausschließen von Ausreißern, wie Fehlerbildbereichen, insbesondere RANSACControl algorithm to find and exclude outliers, such as error image areas, especially RANSAC
220, 320220, 320
numerisches Optimierungsverfahren bezüglich projizierter Markermodellkonfiguration und korrespondierenden Markerbildbereichen, um Projektionsparameter zu finden, insbesondere Levenberg-Marquardt- Algorithmusnumerical optimization method with regard to projected marker model configuration and corresponding marker image areas in order to find projection parameters, in particular Levenberg-Marquardt algorithm
220', 320'220', 320'
numerisches Optimierungsverfahren bezüglich projizierter Markermodellkonfiguration und korrespondierenden Markerbildbereichen, insbesondere Levenberg-Marquardt-Algorithmusnumerical optimization method with regard to projected marker model configuration and corresponding marker image areas, in particular Levenberg-Marquardt algorithm
221, 321221, 321
Bilddatenpixelanordnung, insbesondere BildImage data pixel arrangement, in particular image
221', 221'', 321', 321''221', 221'', 321', 321''
Weitere, insbesondere nächste, BilddatenpixelanordnungFurther, in particular next, image data pixel arrangement
222, 322222, 322
Bestimmung einer geänderten gegenständlichen Lage, insbesondere neue Messung einer PoseDetermination of a changed object position, in particular new measurement of a pose
224, 324224, 324
Filteralgorithmus, insbesondere quaternionenbasierter BewegungsfolgefilterFilter algorithm, in particular quaternion-based motion sequence filter
226, 326226, 326
Bewegungsmodell eines MarkerträgersMovement model of a marker carrier
228, 328228, 328
Prognose eines BewegungsverlaufsPrognosis of a course of movement
230, 330230, 330
Bestimmung einer, insbesondere geänderten, gegenständlichen Lage, vorzugsweise Schätzung einer PoseDetermination of an object position, in particular a changed one, preferably estimation of a pose
232, 332232, 332
3D-Computergrafik, insbesondere Darstellung der räumlichen Lage eines Blickfelds in einen Raumwinkelbereich3D computer graphics, in particular representation of the spatial position of a field of view in a solid angle range
234, 334234, 334
bekannte Markerkonfiguration, insbesondere Anordnung der Markerknown marker configuration, in particular arrangement of the markers
236, 336236, 336
bekannte Geometrie des Markerträgers, insbesondere Trägerflächenelementeknown geometry of the marker carrier, in particular carrier surface elements
238, 338238, 338
andere Punkte wählenchoose other points
242, 342242, 342
Markermodellkonfigurationmarker model configuration
350350
Iteration über alle Markerbildbereiche (Mi)Iteration over all marker image areas (M i )
351351
Gruppe der 5 nächst benachbarten Markerbildbereiche um einen ausgewählten Markerbildbereich (Mi)Group of the 5 nearest adjacent marker image areas around a selected marker image area (M i )
352352
Iteration über alle 10 ungeordneten Stichproben (Kombinationen) von 3 aus 5 MarkerbildbereichenIteration over all 10 unordered samples (combinations) of 3 out of 5 marker image areas
353353
Kombination wurde schon einmal geprüft.combination has already been tested.
354354
Kombination wurde noch nicht geprüftCombination has not yet been tested
355355
Iteration über alle Permutationen von drei MarkerbildbereichenIteration over all permutations of three marker image areas
356356
nächste Permutation, insbesondere nächste Iterationnext permutation, specifically next iteration
357357
alle Permutationen aus drei Markerbildbereichen sind geprüftall permutations from three marker image areas are checked
358358
alle Kombinationen aus fünf Markerbildbereichen sind geprüftall combinations of five marker image areas are checked
359359
alle Markerbildbereiche (Mi) sind geprüftall marker image areas (M i ) are checked
260260
Iteration über alle geordneten Stichproben (Variationen) dreier MarkerbildbereicheIteration over all ordered samples (variations) of three marker image areas
262, 362262, 362
drei Markerbildbereichethree marker image areas
264, 364264, 364
drei Punkte der Markermodellkonfigurationthree points of marker model configuration
266, 366266, 366
Bis zu fünf Posenhypothesen, insbesondere KonfigurationshypothesenUp to five pose hypotheses, especially configuration hypotheses
268, 268', 368, 368'268, 268', 368, 368'
Projektion der Markermodellkonfiguration mit Posenhypothese in das 2D-Bild, insbesondere ProjektionsalgorithmusProjection of the marker model configuration with pose hypothesis into the 2D image, in particular the projection algorithm
270, 370270, 370
Vergleich zur Zuordnenbarkeit von vorzugsweise weiteren Übereinstimmungen zwischen Markerbildbereichen und projizierten, theoretisch sichtbaren Punkten der Markermodellkonfiguration, insbesondere VergleichsalgorithmusComparison for assignability of preferably further correspondences between marker image areas and projected, theoretically visible points of the marker model configuration, in particular comparison algorithm
272, 372272, 372
Iteration über alle fünf Posenhypothesen, insbesondere KonfigurationshypothesenIteration over all five pose hypotheses, especially configuration hypotheses
274, 374274, 374
nächste Posenhypothesenext pose hypothesis
276, 376276, 376
alle Posenhypothesen aus 3 Markerbildbereichen sind geprüftall pose hypotheses from 3 marker image areas are checked
278, 378', 378''278, 378', 378''
nächster Iterationsschrittnext iteration step
280280
Ende der Iteration über alle VariationenEnd of iteration over all variations
282, 382282, 382
keine Posenhypothese plausibelno pose hypothesis plausible
284, 384284, 384
passende Posenhypothese, insbesondere anhand eines Genauigkeitswerts, gefundensuitable pose hypothesis found, in particular based on an accuracy value
286, 386286, 386
Zuordnung zwischen Markerbildbereich und korrespondierendem Punkt der Markermodellkonfiguration, vorzugsweise mittels Genauigkeitswert, insbesondere VergleichsalgorithmusAssignment between the marker image area and the corresponding point of the marker model configuration, preferably using an accuracy value, in particular a comparison algorithm
288, 388288, 388
Verfahren ist initialisiert, insbesondere eine Ausgangslage im System ist bestimmtProcedure is initialized, in particular a starting position in the system is determined
290, 390290, 390
Initialisierung des quaternionenbasierten Bewegungsfolgefilters mit Position und OrientierungInitialization of the quaternion-based motion sequence filter with position and orientation
xx
erste räumliche Dimensionfirst spatial dimension
yy
zweite räumliche Dimensionsecond spatial dimension
ze.g
dritte räumliche Dimensionthird spatial dimension
αa
Raumwinkelbereichsolid angle range
Θθ
Orientierungorientation
B-BB-B
Achseaxis
BB
Richtung, insbesondere OrientierungDirection, especially orientation
Ff
Raumbereich, insbesondere BewegungsbereichSpatial area, especially movement area
PP
Trägerpersoncarrier person

Claims (5)

System (1), welches eine Blickfelddarstellung (119,119') in einer gegenständlichen Lage in einem veränderbaren Raumwinkelbereich darbietet, und nachfolgende Schritte durchführt: Bestimmung einer ersten und zweiten gegenständlichen Lage (2, 222, 322, 288, 388), insbesondere nach Einnahme einer Pose eines Markerträgers (3, 3', 3'', 103, 236, 336), wobei eine Ausgangslage (208a, 288, 388, 308a) als eine erste gegenständliche Lage, durch eine Erfassung von Markerbildbereichen (5, 5', 5'', 5''', 5IV, 105, 206, 210, 306, 310, 350, 351, 352, 355, 356, 357, 358, 359, 260, 262, 362) einer ersten Bilddatenpixelanordnung (21, 221, 221', 221'', 321, 321', 321'') in einer Recheneinheit (13) vorgegeben ist, und wobei von einer Digitalkamera (7, 207, 307) mindestens eine weitere Bilddatenpixelanordnung (21, 221, 221', 221'', 321, 321', 321'') der Recheneinheit zugeführt wird, die nach einer Bewegung des Markerträgers (3, 3', 3'', 103, 236, 336) oder nach einer Bewegung der Digitalkamera (7, 207, 307) geänderte Markerbildbereiche (5, 5', 5'', 5''', 5IV, 105, 206, 210, 306, 310, 350, 351, 352, 355, 356, 357, 358, 359, 260, 262, 362) aufweist, wobei eine Position (x, y, z) und/oder eine Orientierung (Θ, B) der zweiten gegenständlichen Lage (2, 222, 322, 288, 388), die anhand einer Markerpositionskonfiguration (43) vorgebbar ist, aus den, die Markerpositionskonfiguration (43) festlegenden Markerbildbereichen (5, 5', 5'', 5''', 5IV, 105, 206, 210, 306, 310, 350, 351, 352, 355, 356, 357, 358, 359, 260, 262, 362) der weiteren Bilddatenpixelanordnung (21, 221, 221', 221'', 321, 321', 321'') und aus einer Markermodellkonfiguration (242, 342, 264, 364) der Ausgangslage (208a, 288, 388, 308a) mittels eines Vergleichsalgorithmus (214, 314, 216, 316, 220, 320, 270, 370, 286, 386), unter Bestimmung eines nächsten Nachbarn (214, 314) zu einem Markerbildbereich (5, 5', 5'', 5''', 5IV, 105, 208a, 308a) der Ausgangslage (208a, 288, 388, 308a), bei Extrapolation verdeckter, weiterer Markerbildbereiche (5a) mit einem numerischen Optimierungsverfahren (220, 320) berechnet wird, wobei die Markerpositionskonfiguration (43) eine Mehrzahl von Markerelementen (5, 5', 5'', 5''', 5IV, 105) aufweist, die auf den mindestens zwei Flächenelementen (27, 27', 27'', 27''', 27IV, 27v, 127, 127', 127'', 127''', 127IV), die einen Markerträger (3, 3', 3'', 103, 236, 336) für die Markerpositionskonfiguration (43) darstellen, in einer flächenelementeweisen Anordnung (41, 41', 41'', 41''', 41IV, 41V, 234, 334) vorliegen, wobei eine Anordnung von Markerelementen (5, 5', 5'', 5''', 5IV, 5a, 105), die eines der Flächenelemente (27, 27', 27",27'", 27IV, 27v, 127, 127', 127'', 127''', 127IV) aufweist, von einer Anordnung von Markerelementen (5, 5', 5'', 5''', 5IV, 5a, 105), die ein weiteres, benachbartes, der Flächenelemente (27, 27', 27'', 27''', 27IV, 27v, 127, 127', 127'', 127''', 127IV) aufweist, abweicht, wobei ein Rauschenunterdrückungsalgorithmus in Form eines quaternionenbasierten Bewegungsfolgefilters (224, 324), der mittels einer Bewegungsverlaufsprognose (228, 328) die Position (x, y, z) und/oder die Orientierung (Θ, B) filtert, vorgesehen ist, mit einem portablen Markerträger (3, 3', 3'', 103, 236, 336), der eine Mehrzahl von Markerelementen (5, 5', 5'', 5''', 5IV, 105, 5a) umfasst, mit genau einer Digitalkamera (7, 207, 307), mit der ein Raumbereich (11) aufnehmbar und in einem zweidimensionalen Pixeldatenfeld (21) abbildbar ist, mit einer Recheneinheit (13) zur Ausführung von Bilddatenverarbeitungsalgorithmen (200, 201, 300, 301, 204, 304, 218, 318, 220, 320, 224, 324, 268, 268', 368, 368', 270, 370, 286, 386), mit mindestens einer elektronischen Bildanzeige (19, 119, 119', 23, 123) zur Präsentation der Blickfelddarstellung (119, 119'), mit einer Datenübertragungseinheit (15), mit der eine, insbesondere kabellose, Datenübertragungsverbindung (17, 17') zwischen der Digitalkamera (7, 207, 307) und der Recheneinheit (13) und der Bildanzeige (19, 119, 119', 23, 123) erstellbar ist und mit mindestens einer Lichtquelle zur Aussendung von mit der Digitalkamera (7, 207, 307) registrierbarem Licht in den Raumbereich (11) wobei die Blickfelddarstellung (119, 119') von der Recheneinheit (13) für die Bildanzeige (19, 119, 119', 23, 123) bereitstellbar ist und wobei der Markerträger (3, 3', 3'', 103, 236, 336) in dem Raumbereich (11) obstruktionsfrei bewegbar ist und der Markerträger (3, 3', 3'', 103, 236, 336) mindestens fünf Flächenelemente (27, 27', 27'', 27''', 27IV, 27v, 127, 127', 127'', 127''', 127IV) umfasst, die ringartig angeordnet sind, wobei ein Flächenelement (27, 27', 27'', 27''', 27IV, 27v, 127, 127', 127'', 127''', 127IV) mindestens drei Markerelemente (5, 5', 5'', 5''', 5IV, 105, 5a) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Markerelemente (5, 5', 5'', 5''', 5IV, 105, 5a) in einer flächenelementeweise abweichenden Konfiguration (41, 41', 41'', 41''', 411IV, 41V, 234, 334, 236, 336) vorliegen und in jeder Winkelstellung (O, B) des Markerträgers (3, 3', 3'', 103, 236, 336) innerhalb des Raumbereichs (11) bezüglich einer Kamerabildebene (9) mindestens zwei markerelementeaufweisende Flächenelemente (27, 27', 27'', 27''', 27IV, 27v, 127, 127', 127'', 127''', 127IV), ein erstes Flächenelement (27, 27'', 127) und ein zweites Flächenelement (27', 27''', 27IV, 27v, 127', 127'', 127''', 127IV), von der Digitalkamera (7, 207, 307) zumindest bereichsweise abbildbar sind, wobei mindestens vier algorithmisch durch die Recheneinheit (13) in dem Pixeldatenfeld (21) erfassbare Markerelemente (5, 5', 5'', 5''', 5IV, 105, 5a) vorliegen, und durch mindestens eine Vergleichseinheit (214, 314, 216, 316, 220, 320, 270, 370, 286, 386) in der Recheneinheit (13) die vier Markerelemente (5, 5', 5'', 5''', 5IV, 105, 5a) zu einer aus Markerkonfigurationsdaten (234, 334, 236, 336) errechneten Markermodellkonfiguration (242, 342, 286, 386, 220, 220', 320, 320', 230, 330), die eine räumliche Lage des Blickfelds (232, 332) festlegt, zuordenbar sind und die elektronische Bildanzeige (19, 119, 119', 23, 123) eine Videobrille (23, 123) ist, die mindestens eine (125), vorzugsweise zwei, Messeinrichtungen umfasst, wie eine Augenstellungsmesseinrichtung, eine Lagesensorik oder einen Beschleunigungssensor (125).System (1), which presents a visual field representation (119, 119') in a physical position in a changeable solid angle range, and carries out the following steps: Determination of a first and second physical position (2, 222, 322, 288, 388), in particular after taking a Pose of a marker carrier (3, 3', 3'', 103, 236, 336), with a starting position (208a, 288, 388, 308a) as a first physical position, by capturing marker image areas (5, 5', 5 '', 5''', 5 IV , 105, 206, 210, 306, 310, 350, 351, 352, 355, 356, 357, 358, 359, 260, 262, 362) of a first image data pixel array (21, 221 , 221', 221'', 321, 321', 321'') in a computing unit (13), and at least one further image data pixel arrangement (21, 221, 221', 221'', 321, 321', 321'') of the computing unit, which after a movement of the marker carrier (3, 3', 3'', 103, 236, 336) or after a movement of the digital camera (7, 207 , 30 7) changed marker image areas (5, 5', 5'', 5''', 5 IV , 105, 206, 210, 306, 310, 350, 351, 352, 355, 356, 357, 358, 359, 260, 262, 362), wherein a position (x, y, z) and/or an orientation (Θ, B) of the second physical layer (2, 222, 322, 288, 388) can be specified using a marker position configuration (43). is, from the marker image areas (5, 5', 5'', 5''', 5 IV , 105, 206, 210, 306, 310, 350, 351, 352, 355, 356 defining the marker position configuration (43), 357, 358, 359, 260, 262, 362) of the further image data pixel arrangement (21, 221, 221', 221'', 321, 321', 321'') and from a marker model configuration (242, 342, 264, 364) of Initial position (208a, 288, 388, 308a) by means of a comparison algorithm (214, 314, 216, 316, 220, 320, 270, 370, 286, 386), while determining a nearest neighbor (214, 314) to a marker image area (5th , 5′, 5″, 5″″, 5 IV , 105, 208a, 308a) of the starting position (208a, 288, 388, 308a), further marker bi that are hidden during extrapolation ld areas (5a) with a numerical optimization method (220, 320) is calculated, the marker position configuration (43) having a plurality of marker elements (5, 5 ', 5'',5'', 5 IV , 105) on the at least two surface elements (27, 27', 27'', 27''', 27 IV , 27 v , 127, 127', 127'', 127''', 127 IV ) which have a marker carrier (3, 3 ', 3'', 103, 236, 336) for the marker position configuration (43), in a surface element-wise arrangement (41, 41', 41'', 41''', 41 IV , 41 V , 234, 334). , wherein an arrangement of marker elements (5, 5', 5'', 5''', 5 IV , 5a, 105) which one of the surface elements (27, 27', 27", 27''", 27 IV , 27 v , 127, 127', 127'', 127''', 127 IV ), of an array of marker elements (5, 5', 5'', 5''', 5 IV , 5a, 105) which another, neighboring one, which has surface elements (27, 27', 27'', 27''', 27 IV , 27 v , 127, 127', 127'', 127''', 127 IV ), differs, whereby a noise reduction algorithm in the form of a quat ion-based movement sequence filter (224, 324), which filters the position (x, y, z) and/or the orientation (Θ, B) by means of a movement course prediction (228, 328), with a portable marker carrier (3, 3' , 3'', 103, 236, 336), which comprises a plurality of marker elements (5, 5', 5'', 5''', 5 IV , 105, 5a), with precisely one digital camera (7, 207, 307) with which a spatial region (11) can be recorded and imaged in a two-dimensional pixel data field (21), with a computing unit (13) for executing image data processing algorithms (200, 201, 300, 301, 204, 304, 218, 318, 220 , 320, 224, 324, 268, 268', 368, 368', 270, 370, 286, 386), with at least one electronic image display (19, 119, 119', 23, 123) for presenting the visual field display (119, 119 '), with a data transmission unit (15), with the one, in particular wireless, data transmission connection (17, 17') between the digital camera (7, 207, 307) and the processing unit (13) and the image display e (19, 119, 119', 23, 123) and with at least one light source for emitting light that can be registered with the digital camera (7, 207, 307) into the spatial area (11), the visual field display (119, 119') can be provided by the processing unit (13) for the image display (19, 119, 119', 23, 123) and wherein the marker carrier (3, 3', 3'', 103, 236, 336) is free of obstructions in the spatial area (11). is movable and the marker carrier (3, 3', 3'', 103, 236, 336) has at least five surface elements (27, 27', 27'', 27''', 27 IV , 27 v , 127, 127', 127'', 127''', 127 IV ) which are arranged in a ring-like manner, with a surface element (27, 27', 27'', 27''', 27 IV , 27 v , 127, 127', 127'',127''', 127 IV ) has at least three marker elements (5, 5', 5'', 5''', 5 IV , 105, 5a), characterized in that the marker elements (5, 5', 5 '', 5''', 5 IV , 105, 5a) in a surface element-wise deviating configuration (41, 41', 41'', 41''', 411 IV , 41 V , 234, 334, 236, 336). and at least two surface elements (27, 27', 27 '', 27''', 27 IV , 27 v , 127, 127', 127'', 127''', 127 IV ), a first surface element (27, 27'', 127) and a second surface element (27 ', 27''', 27 IV , 27 v , 127', 127'', 127''', 127 IV ) can be imaged at least in regions by the digital camera (7, 207, 307), with at least four being algorithmically generated by the computing unit (13) in the pixel data field (21) detectable marker elements (5, 5', 5'', 5''', 5 IV , 105, 5a) are present, and by at least one comparison unit (214, 314, 216, 316, 220, 320, 270, 370, 286, 386) in the arithmetic unit (13) the four marker elements (5, 5', 5'', 5''', 5 IV , 105, 5a) into a marker configuration data (234, 334, 236, 336) calculated marker model configuration (242, 342, 286, 386, 220, 220', 320, 320', 230, 330), which defines a spatial position of the visual field (232, 332), can be assigned and the electronic image display ( 19, 119, 119', 23, 123) is a pair of video glasses (23, 123) which comprises at least one (125), preferably two, measuring devices, such as an eye position measuring device, a position sensor system or an acceleration sensor (125). System (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konfiguration (41, 41', 41'', 41''', 41IV, 41V, 234, 334, 236, 336) der Markerelemente (5, 5', 5'', 5''', 5IV, 105, 5a) durch eine Pseudozufallsverteilung (42) festgelegt ist, wobei insbesondere in der Konfiguration (41, 41', 41'', 41''', 411IV, 41V, 234, 334, 236, 336) ein Mindestabstand (37, 37', 38) jedes Markerelements (41, 41', 41'', 41''', 411IV, 41V, 234, 334, 236, 336) von einem nächstliegenden Rand (33), vorzugsweise von einer nächstliegenden Kante (35, 35'), des Markerträgers (3, 3', 3'', 103, 236, 336), und insbesondere ein Mindestabstand (37, 37') von jeweils zwei Markerelementen (5, 5', 5'') zueinander, vorzugsweise von mindestens einem Drittel eines Markerelementdurchmessers (39), und vorzugsweise eine Nichtlinearität der Konfiguration (41, 41', 41'', 41'''‘, 41 IV, 41V, 234, 334, 236, 336) vorgegeben ist.System (1) after claim 1 , characterized in that the configuration (41, 41', 41'', 41''', 41 IV , 41 V , 234, 334, 236, 336) of the marker elements (5, 5', 5'', 5''', 5 IV , 105, 5a) is determined by a pseudo-random distribution (42), in particular in the configuration (41, 41', 41'', 41''', 411 IV , 41 V , 234, 334, 236 , 336) a minimum distance (37, 37', 38) of each marker element (41, 41', 41'', 41''', 411 IV , 41 V , 234, 334, 236, 336) from a nearest edge (33 ), preferably from a nearest edge (35, 35') of the marker carrier (3, 3', 3'', 103, 236, 336), and in particular a minimum distance (37, 37') from two marker elements (5, 5', 5'') to each other, preferably of at least one third of a marker element diameter (39), and preferably a non-linearity of the configuration (41, 41', 41'', 41'''', 41 IV , 41 V , 234, 334, 236, 336) is specified. System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Konfiguration (41, 41', 41'', 41''', 41 IV, 41V, 234, 334, 236, 336) mindestens einen, vorzugsweise mindestens vier Markerbildbereiche (5, 5', 5'', 5''', 51V, 105, 206, 306, 214, 314) bereitstellt, die zumindest bereichsweise an einen Markerträgerbildbereich (3, 3', 3'', 103) angrenzen, vorzugsweise von einem Markerträgerbildbereich (3, 3', 3'', 103) randumschlossen sind.System (1) according to one of Claims 1 until 2 , characterized in that the configuration (41, 41', 41'', 41''', 41 IV , 41 V , 234, 334, 236, 336) has at least one, preferably at least four, marker image areas (5, 5', 5 '', 5''', 5 1V , 105, 206, 306, 214, 314) which at least partially border on a marker carrier image area (3, 3', 3'', 103), preferably from a marker carrier image area (3, 3', 3'', 103) are bordered. System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (13) eine einhändig tragbare Recheneinheit 13) mit einer Speichereinheit zur Bereitstellung von Lageänderungen oder Blickfelddarstellungen (119, 119') in zeitlicher Folge ist und insbesondere ein Steuerelement zur Auswahl einer Raumbereichspositionierung mit der Recheneinheit (13) verbunden ist, wie ein Spracherkennungsmodul oder ein optischer Gestenerkennungsalgorithmus.System (1) according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the processing unit (13) is a one-handed portable processing unit 13) with a storage unit for providing position changes or field of view representations (119, 119') in chronological order and in particular a control element for selecting a spatial area positioning is connected to the processing unit (13). is, like a speech recognition engine or an optical gesture recognition algorithm. System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Blickfeld (232, 332) an einer weiteren elektronischen Bildanzeige (19, 119), die von einer ersten elektronischen Bildanzeige (119') in einer Querrichtung beabstandet ist, dupliziert, insbesondere als Stereoraumwinkelbereich, dargeboten ist.System (1) according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that the field of view (232, 332) is presented on a further electronic image display (19, 119) which is spaced from a first electronic image display (119') in a transverse direction, duplicated, in particular as a stereo solid angle area.
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