DE102019114531A1 - Device for position and position detection of markings in three-dimensional space - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Vorrichtung zur Lage- und Positionserkennung von Markierungen (2, 12) im dreidimensionalen Raum mit mindestens einer Markiereinheit (1, 11, 23, 24, 25, 26, 27, 28), mit einer optischen Bilderfassungseinheit (21), und mit einer Auswerteeinheit (22), die zur Bestimmung der Lage und der Position der Markiereinheit (1, 11, 23, 24, 25, 26, 27, 28) eingerichtet ist, beschrieben, wobei die Markiereinheit (1, 11, 23, 24, 25, 26, 27, 28) mindestens sechs optisch aktivierbare Kommunikationselemente (3, 13) zur Kodierung von Nutzdaten aufweist, die einzeln abhängig von den Nutzdaten an- oder auszuschaltbar sind, die Bilderfassungseinheit (21) eine Serie von Bilden der Markiereinheit (1, 11, 23, 24, 25, 26, 27, 28) mit einer vorgegebenen Bildfrequenz aufnimmt, und die Auswerteeinheit (22) dazu eingerichtet ist, aus einem Bild die Lage und Position der Markiereinheit (1, 11, 23, 24, 25, 26, 27, 28) zu bestimmen und aus der Gesamtheit der ein- oder ausgeschalteten Kommunikationselementen (34, 42; 35, 43) die kodierten Nutzdaten zu erfassen.There is a device for position and position detection of markings (2, 12) in three-dimensional space with at least one marking unit (1, 11, 23, 24, 25, 26, 27, 28), with an optical image acquisition unit (21), and with an evaluation unit (22) which is set up to determine the location and position of the marking unit (1, 11, 23, 24, 25, 26, 27, 28), wherein the marking unit (1, 11, 23, 24 , 25, 26, 27, 28) has at least six optically activatable communication elements (3, 13) for coding user data, which can be switched on or off individually depending on the user data, the image acquisition unit (21) has a series of images of the marking unit (1 , 11, 23, 24, 25, 26, 27, 28) with a predetermined image frequency, and the evaluation unit (22) is set up to determine the location and position of the marking unit (1, 11, 23, 24, 25 , 26, 27, 28) and from the entirety of the communication elements that are switched on or off n (34.42; 35, 43) to capture the coded user data.
Description
Es wird eine Vorrichtung zur Lage- und Positionserkennung von Markierungen im dreidimensionalen Raum beschrieben
- - mit mindestens einer Markiereinheit, die an einem Objekt festlegbar ist, mit mehreren optisch aktiven (d.h. selbstleuchtenden) Markierungen oder passiven (d.h. aufgrund von Lichtreflexion sichtbaren) Markierungen,
- - mit einer oder mehreren optischen Bilderfassungseinheiten, die zur Aufnahme von Bildern der Markiereinheit eingerichtet sind, und
- - mit einer Auswerteeinheit, die zur eindeutigen Bestimmung der Lage und der Position der insbesondere an dem Objekt festgelegten Markiereinheit eingerichtet ist, so dass über die an dem Objekt festgelegte Markiereinheit erfindungsgemäß auch die Lage und Position des Objekts im dreidimensionalen Raum bestimmt ist.
- - with at least one marking unit that can be fixed to an object, with several optically active (ie self-luminous) markings or passive (ie visible due to light reflection) markings,
- - With one or more optical image acquisition units which are set up to record images of the marking unit, and
- With an evaluation unit which is set up for the unambiguous determination of the location and the position of the marking unit, in particular fixed on the object, so that the location and position of the object in three-dimensional space is also determined according to the invention via the marking unit fixed on the object.
Die vorgeschlagene Markiereinheit weist mindestens vier optisch aktive Markierungen zur Lage- und Positionsbestimmung auf, von denen vorzugsweise mindestens drei der Markierungen in einer gemeinsamen Ebene liegen und mindestens eine der Markierungen außerhalb dieser Ebene liegt.The proposed marking unit has at least four optically active markings for determining position and position, of which at least three of the markings are preferably in a common plane and at least one of the markings is outside this plane.
Aus den Druckschriften
Die
Diese Auswertung führt in der Praxis zu durchaus guten Ergebnissen, ist aber sehr aufwendig im Hinblick auf die Bildauswertung und Rechenleistung des Systems, insbesondere durch die Notwendigkeit mehr als eine Homografie zu berechnen. Dies führt zu Problemen beim Live-Tracking von schnell bewegten Objekten, weil die Rechenleistung von in der Praxis eingesetzten Systemen nicht ausreicht, insbesondere wenn in einem System nicht nur eine Markierungsanordnung überwacht wird, sondern eine Mehrzahl von Markierungsanordnungen.In practice, this evaluation leads to very good results, but it is very complex with regard to the image evaluation and computing power of the system, in particular due to the need to calculate more than one homography. This leads to problems in the live tracking of fast moving objects, because the computing power of systems used in practice is insufficient, in particular if not only one marking arrangement is monitored in a system, but a plurality of marking arrangements.
Theoretisch kann zwar jede Markierungsanordnung von anderen in dem Bild erfassten Markierungsanordnungen unterschieden werden. Dies erfordert aber Vielfach eine Auswertung und Erkennung von Objekten in der Umgebung, wenn eine mögliche eindeutige Nummerierung auf der Markierungsanordnung, bspw. eines Aufklebers auf der Markierungsanordnung, nicht erkennbar ist. Die Auswertung der Umgebung der Markierungsanordnung im Bild führt aber beim Tracking von bewegten Objekten regelmäßig zu Mehrdeutigkeiten.In theory, each marking arrangement can be distinguished from other marking arrangements recorded in the image. However, this often requires an evaluation and detection of objects in the environment if a possible unique numbering on the marking arrangement, for example a sticker on the marking arrangement, cannot be recognized. The evaluation of the surroundings of the marking arrangement in the image, however, it regularly leads to ambiguities when tracking moving objects.
Grundsätzlich wäre es auch denkbar, die Markierungen auf den Markierungsanordnungen geometrisch unterschiedlich anzuordnen. Dies würde aber die ohnehin schon komplexe Auswertung weiter erschweren.In principle, it would also be conceivable to arrange the markings on the marking arrangements in a geometrically different manner. However, this would further complicate the already complex evaluation.
Im industriellen Umfeld ist es wünschenswert, bis zu mehreren hundert Markierungseinheiten unterscheiden zu können und/oder Informationen von den mit einer nennenswerten Bandbreite übertragen in einer robusten, wenig fehleranfälligen Weise übertragen zu können. Ebenso ist es wünschenswert den Energiebedarf solcher, teils batteriebetriebenen, Markierungsanordnungen zugunsten langer Laufzeiten zu begrenzen.In the industrial environment, it is desirable to be able to differentiate between up to several hundred marking units and / or to be able to transmit information from that transmitted with a significant bandwidth in a robust, less error-prone manner. It is also desirable to limit the energy consumption of such marking arrangements, some of which are battery-operated, in favor of longer running times.
Daher ist es Aufgabe der Erfindung für ein System zur Lage- und Positionserkennung der eingangs genannten Art eine Kommunikationsmöglichkeit mit hoher Bandbreite vorzusehen, bspw. eine Übertragung von mindestens etwa 2 Byte pro Sekunde, vorzugsweise von etwa 10 Byte pro Sekunde und besonders vorzugsweise mehr als 100 Byte pro Sekunde für jede Markierungseinheit ermöglicht. Die Übertragungskapazität kann sich je nach Anwendungsfall geeignet auf das Anzeigen bzw. Übertragen einer Identifikation und auf eine Kommunikation von anderen Informationen aufteilen.It is therefore the object of the invention to provide a communication option with high bandwidth for a system for position and position detection of the type mentioned at the beginning, for example a transmission of at least about 2 bytes per second, preferably about 10 bytes per second and particularly preferably more than 100 Bytes per second for each marking unit. Depending on the application, the transmission capacity can be appropriately divided into the display or transmission of an identification and the communication of other information.
Gleichzeitig kann die gleiche Erfindung eingesetzt werden, um den Energiebedarf durch Minderung der Anzahl der gleichzeitig aktiven Markierungen zu senken.At the same time, the same invention can be used to reduce energy consumption by reducing the number of simultaneously active markings.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dazu ist insbesondere vorgesehen, dass die Markiereinheit mindestens sechs optisch aktivierbare, d.h. durch die Markiereinheit ein- und ausschaltbare, Kommunikationselemente zur Kodierung von Nutzdaten aufweist, wobei die Markiereinheit dazu eingerichtet ist, die einzelnen Kommunikationselemente abhängig von den Nutzdaten anzuschalten oder auszuschalten. Mit anderen Worten werden die Nutzdaten in den Kommunikationselementen kodiert. Die Markiereinheit erzeugt also eine Kodierung der Nutzdaten in einer durch die Kommunikationselemente übertragbaren Form. Die gleichzeitig angeschalteten Kommunikationselemente bilden ein Symbol der Kodierung. Eine Reduzierung des Energieverbrauchs kann bedarfsweise durch eine entsprechende Senkung der Kommunikationsbandbreite erreicht werden, d.h. durch ein Vermindern der Anzahl der notwendigen, gleichzeitig aktiven Kommunikationselemente.This object is achieved with the features of claim 1. For this purpose it is provided in particular that the marking unit has at least six optically activated, i.e. has communication elements for coding useful data that can be switched on and off by the marking unit, the marking unit being set up to switch the individual communication elements on or off depending on the useful data. In other words, the useful data are encoded in the communication elements. The marking unit thus generates a coding of the useful data in a form that can be transmitted by the communication elements. The communication elements connected at the same time form a symbol of the coding. A reduction in energy consumption can be achieved, if necessary, by reducing the communication bandwidth accordingly, i.e. by reducing the number of necessary, simultaneously active communication elements.
Die Bilderfassungseinheit nimmt dann eine Serie von Bilden der Markiereinheit mit einer vorgegebenen Bildfrequenz auf, wobei in den Bildern sowohl die Markierungen zur Lage- und Positionserkennung als auch die entsprechend der Kodierung der Nutzdaten an- oder ausgeschalteten Kommunikationselemente, d.h. jeweils ein Symbol der Markierung, aufgenommen und dargestellt sind bzw. werden.The image acquisition unit then records a series of images of the marking unit with a predetermined image frequency, with both the markings for position and position detection and the communication elements switched on or off according to the coding of the user data, i.e. each a symbol of the marking, recorded and displayed are or will be.
Entsprechend ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, in einem Bild aus den aufgenommenen Markierungen die Lage und Position der Markiereinheit zu bestimmen und aus der Gesamtheit der dargestellten (ein- oder ausgeschalteten) Kommunikationselemente die kodierten Nutzdaten zu erfassen, d.h. zu dekodieren bzw. die Symbole der Kodierung zu erfassen. Falls eine Serie von Bildern aufgenommen wird, werden vorzugsweise alle Bilder aus der aufgenommenen Serie von Bildern ausgewertet. Dies ermöglicht es, dass die übertragenen Nutzdaten auch aus den jeweils dekodierten Nutzdaten der Einzelbilder der Bilderserie zusammengesetzt werden. Die Nutzdaten können erfindungsgemäß also in einer Serie von einzelnen Symbolen übertragen und beim Dekodieren wieder zusammengesetzt werden, vorzugsweise indem die Auswerteeinheit durch Durchführung des gesamten Kommunikationsablaufs eingerichtet ist].Correspondingly, the evaluation unit is set up to determine the location and position of the marking unit in an image from the recorded markings and to record the coded useful data from the entirety of the communication elements shown (switched on or off), i.e. to decode or to capture the symbols of the coding. If a series of images is recorded, all images from the recorded series of images are preferably evaluated. This makes it possible for the transmitted user data to be combined from the respectively decoded user data of the individual images of the image series. According to the invention, the useful data can thus be transmitted in a series of individual symbols and reassembled during decoding, preferably in that the evaluation unit is set up to carry out the entire communication sequence].
Die Auswerteeinheit wird typischer Weise zu jedem Bild eine Positions- und Lagebestimmung liefern. Die Nutzdaten werden unter Umständen nicht zu jedem Bild zur Verfügung stehen. In ungünstigen Fällen werden die Nutzdaten der ersten paar Bilder werden fehlen. Meist kommt danach ein durchgängiger Nutzdatenstrom an. Die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, dass tatsächlich jedes Bild ausgewertet wird und/oder die gewünschten Informationen liefert. Die Erfindung erfasst auch Fälle einer - sich wie auch immer ergebenden - selektiven Bildauswertung in Bezug auf die Positions- und Lagebestimmung und/oder die Nutzdatenübertragung.The evaluation unit will typically provide a position and orientation determination for each image. The user data may not be available for every picture. In unfavorable cases, the useful data of the first few images will be missing. Usually a continuous stream of user data arrives afterwards. The invention is not restricted to the fact that every image is actually evaluated and / or provides the desired information. The invention also covers cases of a selective image evaluation - whatever the result - with regard to the position and attitude determination and / or the transmission of useful data.
Die Nutzdaten können Informationen enthalten, die der Identifikation der Markiereinheit, der Signalisierung eines Zustands der Markiereinheit, des Objekts (an dem die Markiereinheit festgelegt ist) und/oder deren Umgebung dienen. Dies stellt einen besonders bevorzugten Anwendungsfall dar, in dem das Erkennen der Lage eines Objekts zugleich auch das Übertragen von objektbezogenen Informationen ermöglicht. Allerdings ist die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht auf diesen besonders bevorzugten Anwendungsfall beschränkt, in dem die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens eingerichtet ist, das ein grundsätzlich bekanntes Verfahren zur Lage- und Positionsbestimmung um eine Zustandsbestimmung erweitert, ohne dass das Erzeugen und Auswerten der Bilder durch die Bilderfassungseinheit und die Auswerteeinheit technisch grundsätzlich geändert werden muss. Es ist ausreichend, die Markiereinheit und die Auswerteeinheit derart einzurichten, dass optisch aktive Elemente (wie sie bereits als Markierungen für die Lage- und Positionseinrichtung verwendet werden können auch) als Kommunikationselemente zur Übertragung von Nutzdaten verwendet werden.The useful data can contain information that is used to identify the marking unit, signaling a status of the marking unit, the object (on which the marking unit is fixed) and / or its surroundings. This represents a particularly preferred application in which the detection of the position of an object also enables object-related information to be transmitted at the same time. However, the device according to the invention is not limited to this particularly preferred application, in which the device is set up to carry out a method that extends a fundamentally known method for determining position and position by determining the state, without the generation and evaluation of the images by the image acquisition unit and the evaluation unit has to be technically fundamentally changed. It is sufficient to set up the marking unit and the evaluation unit in such a way that that optically active elements (as they can already be used as markings for the location and position device) are used as communication elements for the transmission of useful data.
Die Markierungen und die Kommunikationselemente sind ortsfest auf der Markiereinheit angeordnet, d.h. sie sind unveränderlich an vorgebebenen Positionen zueinander auf der Markiereinheit angeordnet. Die Positionen der Markierungen und der Kommunikationselemente auf der Markiereinheit, und damit ihre relativen Positionen, sind in der Auswerteeinheit bekannt.The markings and the communication elements are fixedly arranged on the marking unit, i.e. they are invariably arranged at predetermined positions relative to one another on the marking unit. The positions of the markings and the communication elements on the marking unit, and thus their relative positions, are known in the evaluation unit.
Die optisch aktiven Kommunikationselemente und die optisch aktiven oder passiven Markierungen senden Lichtwellen im sichtbaren oder nicht sichtbaren Wellenlängenbereich aus, d.h. im Wellenlängenbereich der Spektralfarben zwischen etwa 380 nm bis 750 nm, im Ultraviolett-Wellenlängenbereich zwischen etwa 100 nm bis 380 nm oder gemäß einer besonders bevorzugten Anwendungsform im Infrarot-Wellenlängenbereich zwischen etwa 750 nm bis 1400 nm. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die (optisch aktive) Markierung und/oder das Kommunikationselement eine Infrarot-LED (IR-LED) sein. Die optische Bilderfassungseinheit ist an die optisch aktiven Markierungen und/oder Kommunikationselemente der Markiereinheit angepasst, d.h. in der Lage, diese optisch aufzunehmen. Vorzugsweise kann die optische Bilderfassungseinheit eine Digitalkamera sein, im Falle von Infrarot-Licht mit geeignet ausgelegtem IR-Sperrfilter, der die IR-Wellenlänge der Markierungen bzw. Kommunikationselemente nicht sperrt (sog. IR-Kameras). Vorzugsweise sind die Markierungen und die Kommunikationselemente durch gleiche optisch aktive Bauelemente, insbesondere IR-LEDs, gebildet.The optically active communication elements and the optically active or passive markings emit light waves in the visible or invisible wavelength range, i.e. in the wavelength range of the spectral colors between about 380 nm to 750 nm, in the ultraviolet wavelength range between about 100 nm to 380 nm or according to a particularly preferred application in the infrared wavelength range between about 750 nm to 1400 nm. According to a particularly preferred embodiment, the (optical active) marking and / or the communication element can be an infrared LED (IR LED). The optical image acquisition unit is adapted to the optically active markings and / or communication elements of the marking unit, i.e. able to pick them up optically. The optical image acquisition unit can preferably be a digital camera, in the case of infrared light with a suitably designed IR blocking filter which does not block the IR wavelength of the markings or communication elements (so-called IR cameras). The markings and the communication elements are preferably formed by the same optically active components, in particular IR LEDs.
Für die Kodierung der Informationen weist die Markiereinheit eine Recheneinheit (bspw. einen Prozessor oder Mikroprozessor) auf, die zur Erfassung eines Zustands der Markiereinheit (oder eines Zustands eines an der Markiereinheit festgelegten Objekts oder eines an die Markiereinheit bspw. in einer lokalen Kommunikation übertragenen Zustands) und zum Ein- und Ausschalten der Kommunikationselemente eingerichtet ist, wobei das Ein- und Ausschalten der Kommunikationselemente gemäß einer implementierten Kodierungsvorschrift erfolgt. Dies ist mit Kodierung der Informationen gemeint.For the coding of the information, the marking unit has a computing unit (e.g. a processor or microprocessor) that is used to detect a status of the marking unit (or a status of an object fixed on the marking unit or a status transmitted to the marking unit e.g. in a local communication ) and is set up to switch the communication elements on and off, the communication elements being switched on and off according to an implemented coding rule. This is what is meant by coding the information.
Die Bildfrequenz, mit der die optische Bilderfassungseinheit (kurz auch als Kamera bezeichnet) die Bilder der Markiereinheit aufnimmt, liegt vorzugsweise bei mindestens etwa 70 Hz, vorzugsweise bei mehr als 100 Hz oder 150 Hz. Da sich bei den Markierungen und Kommunikationselementen um optische aktive Elemente oder durch eine externe Quelle angestrahlten Retroreflektoren, d.h. leuchtende Elemente, handelt, sind zur Erfassung keine langen Belichtungszeiten eines einzelnen Bildes notwendig. So lassen sich auch im industriellen Umfeld mit derzeit gängigen optisch Elementen, bspw. IR-LEDs und IR-Kameras oder IR-Strahler in Kombination mit Retroreflektoren und IR-Kameras, Bildfrequenzen in einem Bereich von etwa 160 Hz bis 300 Hz erreichen. Nach oben begrenzt werden sinnvolle Bildfrequenzen durch die benötigte Belichtungszeit. Bei der Empfindlichkeit derzeit gängiger optischer Elemente liegt eine sinnvolle obere Grenze der Bildfrequenz in der Größenordnung 1 kHz.The image frequency with which the optical image acquisition unit (also referred to as a camera for short) takes the images of the marking unit is preferably at least about 70 Hz, preferably more than 100 Hz or 150 Hz. Since the markings and communication elements are optically active elements or retroreflectors illuminated by an external source, ie luminous elements, no long exposure times of a single image are necessary to capture. In this way, image frequencies in a range of around 160 Hz to 300 Hz can also be achieved in an industrial environment with currently common optical elements, for example IR LEDs and IR cameras or IR emitters in combination with retroreflectors and IR cameras. Sensible image frequencies are limited upwards by the required exposure time. Given the sensitivity of currently common optical elements, a sensible upper limit for the image frequency is in the order of 1 kHz.
Die Markiereinheit kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dazu eingerichtet sein, für die Kodierung von Informationen eine k-aus-n-Kodierung zu verwenden, wobei n die Anzahl der optisch aktivierbaren Kommunikationselemente und k die Anzahl der während der Kodierung gleichzeitig angeschalteten Kommunikationselemente, d.h. der das Symbol bildenden Kommunikationselemente, sind.According to a preferred embodiment, the marking unit can be set up to use k-out-of-n coding for the coding of information, where n is the number of optically activated communication elements and k is the number of communication elements that are connected simultaneously during coding, i.e. of the communication elements forming the symbol.
Erfindungsgemäß bevorzugt sind mindestens 6 Kommunikationselemente vorgesehen, d.h. es gilt n ≥ 6. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt die Anzahl der Kommunikationselemente n zwischen 10 und 20. Hierdurch wird eine sinnvolle Balance zwischen der erreichbaren Bandbreite und der Anzahl der auf der Markiereinheit unterzubringenden Kommunikationselemente erreicht. Zum einen darf die Größe der Markiereinheit nicht so groß werden, dass sich die Markiereinheit nicht mehr gut auf den Objekten festlegen lässt. Zum anderen muss der Abstand zwischen den verschiedenen Kommunikationselementen so groß sein, dass diese sich in dem Bild der Kamera gut auflösen lassen. Eine bevorzugte Anwendung liegt bei etwa n = 16 Kommunikationselementen. Gleichzeitig aktiviert werden für die Kodierung von Informationen bspw. k = 1 bis k = 3 Kommunikationselemente. Diese stellen bei n = 16 Kommunikationselementen bevorzugte Kodierungen dar, d.h. eine 1-aus-16-Kodierung, 2-aus-16-Kodierung oder eine 3-aus-16-Kodierung. Da über k die Anzahl der gleichzeitig aktiven Elemente festgelegt wird skaliert der Energiebedarf im Falle vom aktiv leuchtenden Markierungen entsprechend.According to the invention, at least 6 communication elements are preferably provided, i.e. n 6 applies. According to a particularly preferred embodiment, the number of communication elements n is between 10 and 20. This achieves a sensible balance between the achievable bandwidth and the number of communication elements to be accommodated on the marking unit. On the one hand, the size of the marking unit must not become so large that the marking unit can no longer be easily fixed on the objects. On the other hand, the distance between the various communication elements must be large enough that they can be easily resolved in the image of the camera. A preferred application is around n = 16 communication elements. For example, k = 1 to k = 3 communication elements are activated at the same time for the coding of information. With n = 16 communication elements, these represent preferred codings, i.e. a 1-out-of-16 coding, 2-out-of-16 coding or a 3-out-of-16 coding. Since the number of simultaneously active elements is determined via k, the energy requirement in the case of actively illuminated markings scales accordingly.
Die Anzahl der in einem Bild unterscheidbaren Symbole bei einer /(-aus-n-Kodierung entspricht
Bei einer 2-aus-16-Kodierung ergeben sich 120 verschiede Kombinationen (Symbole) von jeweils 2 leuchtenden von insgesamt 16 vorhandenen Kommunikationselementen. Bei einer 3-aus-16 Kodierung ergeben sich entsprechend 560 Kombinationen (Symbole) von jeweils 3 leuchtenden von insgesamt 16 vorhandenen Kommunikationselementen. Bei der energiesparenden 1-aus-16-Kodierung verbleiben 16 verschiede Kombinationen. Unter „Symbol“ wird die Anzahl der k gleichzeitig angeschalteten Kommunikationselemente in der Anordnung der Gesamtheit aller n Kommunikationselemente verstanden.With a 2-out-of-16 coding there are 120 different combinations (symbols) of 2 illuminated out of a total of 16 communication elements. A 3-out-of-16 coding results in 560 Combinations (symbols) of 3 illuminated out of a total of 16 communication elements. With the energy-saving 1-out-of-16 coding, 16 different combinations remain. The “symbol” is understood to mean the number of k simultaneously connected communication elements in the arrangement of the totality of all n communication elements.
Mit anderen Worten bedeutet dies, dass bei einer 2-aus-16-Kodierung bis zu 120 verschiedene Markiereinheiten in einem Bild unterschieden werden können, wenn jede Markiereinheit durch ein anderes Symbol auf den insgesamt 16 Kommunikationselementen dargestellt bzw. identifiziert wird. Bei einer 3-aus-16-Kodierung können sogar bis zu 560 verschiedene Markiereinheiten in einem Bild unterschieden werden.In other words, this means that with a 2-out-of-16 coding, up to 120 different marking units can be distinguished in one image if each marking unit is represented or identified by a different symbol on the total of 16 communication elements. With 3-out-of-16 coding, even up to 560 different marking units can be distinguished in one image.
Allgemeiner ausgedrückt können in einem Bild bei einer 2-aus-16-Kodierung 120 verschiedenen Informationen, und bei der 3-aus-16-Kodierung 560 verschiedenen Informationen dargestellt werden. In diesen Informationen werden die Nutzdaten übertragen. Entsprechendes gilt bei verminderter Bandbreite und gleichzeitig vermindertem Energiebedarf auch für die 1-aus-16-Kodierung. In more general terms, 120 different information items can be represented in an image with 2-out-of-16 coding and 560 different information with 3-out-of-16 coding. The user data is transmitted in this information. The same applies to 1-out-of-16 coding in the case of a reduced bandwidth and, at the same time, a reduced energy requirement.
Wenn diese in den Kommunikationselementen einer Markiereinheit dargestellten Informationen sich über die Zeit nicht ändern, ist in jedem Bild dieselbe Information dekodiert. In diesem Fall kann ein Symbol als Tracker-ID (d.h. als Identifikationskennung für eine Markiereinheit) verwendet werden.If this information presented in the communication elements of a marking unit does not change over time, the same information is decoded in every image. In this case, a symbol can be used as a tracker ID (i.e. as an identification code for a marking unit).
Erfindungsgemäß kann die Markiereinheit auch dazu eingerichtet sein, in zeitlicher Abfolge mehrere Symbole nacheinander darzustellen.According to the invention, the marking unit can also be set up to display several symbols one after the other in chronological order.
Mit anderen Worten heißt dies, dass die Markiereinheit zu eingerichtet ist, eine Datenübertragung durchzuführen, bei der in der Markiereinheit verschiedene Informationen in den Nutzdaten zeitlich nacheinander kodiert in den Kommunikationselementen dargestellt werden. Die Nutzdaten werden also in eine Folge von mehreren Symbolen kodiert und in einer zeitlichen Abfolge dargestellt.In other words, this means that the marking unit is set up to carry out a data transmission in which various items of information in the useful data are represented in the communication elements in the communication elements in chronological succession. The user data are therefore encoded in a sequence of several symbols and displayed in a time sequence.
Die Bilderfassungseinheit erfasst diese verschiedenen Symbole in ihrer zeitlichen Abfolge durch Aufnehmen der Bilderserie. Jedes Bild bzw. präziser jedes verschiedene Symbol wird in der Auswerteeinheit dekodiert und die Nutzdaten werden aus der Folge der dekodierten Symbole zusammengesetzt. Damit ist die Menge der Information nicht auf die Anzahl der durch die Kodierung vorgegebenen Informationen beschränkt.The image capture unit captures these various symbols in their chronological sequence by capturing the series of images. Each image or, more precisely, each different symbol is decoded in the evaluation unit and the useful data are composed of the sequence of decoded symbols. The amount of information is therefore not limited to the amount of information given by the coding.
Da die optische Bilderfassungseinheit respektive Kamera die Markiereinheit ohnehin in einer Serie von Bildern aufnimmt, um Änderungen in der Lage und Position der Markiereinheit im zeitlichen Verlauf zu erfassen, lassen sich ohne Änderungen des Ablaufs bei der Bildaufnahme und Auswertung auch der Markiereinheit zugeordnete Nutzdaten in grundsätzlich beliebiger Menge übertragen.Since the optical image acquisition unit or camera records the marking unit in a series of images anyway, in order to record changes in the position and position of the marking unit over time, any user data assigned to the marking unit can also be used in basically any form without changing the sequence during image acquisition and evaluation Transfer amount.
Die in der Folge der nacheinander übertragenen Symbole können auch dieselben (identischen) Symbole sein, die unmittelbar aufeinanderfolgend kodiert und damit übertragen werden.The symbols transmitted one after the other can also be the same (identical) symbols that are coded in immediate succession and thus transmitted.
Gemäß einer Weiterentwicklung dieses Erfindungsgedankens kann die Markiereinheit dazu eingerichtet sein, die zeitliche Abfolge der mehreren Symbole mit einer Symbolfrequenz zu erzeugen, die höchstens der Bildfrequenz der Bilderfassungseinheit entspricht.According to a further development of this inventive concept, the marking unit can be set up to generate the time sequence of the plurality of symbols with a symbol frequency which corresponds at most to the image frequency of the image acquisition unit.
Hierdurch wird erreicht, dass jedes Symbol in (mindestens) einem Bild erfasst und somit eine Übertragung aller Daten gesichert wird. Wenn die Symbolfrequenz der Bildfrequenz entspricht, wird die höchstmögliche Datenrate bei der Übertragung erreicht. Hierfür muss sichergestellt werden, dass die Nutzerdaten in dem Bild auch zuverlässig dekodiert werden können. Dies lässt sich grundsätzlich auf verschiedene Arten erreichen.This ensures that every symbol is recorded in (at least) one image and thus transmission of all data is secured. If the symbol frequency corresponds to the frame frequency, the highest possible data rate is achieved in the transmission. For this it must be ensured that the user data in the image can also be reliably decoded. This can basically be achieved in different ways.
Durch eine Synchronisation der Darstellung der Symbole in den Kommunikationselementen mit der Bildaufnahme lässt sich erreichen, dass in jedem Bild genau ein Symbol darstellt ist. Die Belichtungszeit ist dann so kurz zu wählen, dass tatsächlich nur das eine Symbol in den Kommunikationselementen sichtbar ist, d.h. die Anschaltzeit der Kommunikationselemente zur Darstellung der Symbole muss so lang bzw. kurz sein, dass während der Belichtungszeit des Bildes sicher nur diese eine Symbol dargestellt wird. Eine Synchronisation kann in für den Fachmann grundsätzlich bekannter Weise durch Übertragung geeignet gewählter Synchronisations-Symbolfolgen erreicht werden. Dies ist jedoch aufwendig. Außerdem geht eine bestehende Synchronisation gerade im industriellen Umfeld mit meist nicht optimalen Übertragungsbedingungen auch recht häufig wieder verloren, was eine erneute Synchronisation für die Fortsetzung der Kommunikation voraussetzen würde.By synchronizing the representation of the symbols in the communication elements with the image recording, it can be achieved that exactly one symbol is represented in each image. The exposure time should then be selected so short that only one symbol is actually visible in the communication elements, i.e. the activation time of the communication elements for displaying the symbols must be so long or short that only this one symbol is reliably displayed during the exposure time of the image. A synchronization can be achieved in a manner known in principle to the person skilled in the art by transmitting suitably selected synchronization symbol sequences. However, this is complex. In addition, an existing synchronization is often lost again, especially in an industrial environment with mostly suboptimal transmission conditions, which would require a renewed synchronization for the continuation of communication.
Daher sehen besonders bevorzugte Ausführungsformen eine asynchrone Kommunikation vor, in der das Umschalten zwischen den Symbolen in der Kodierung und die Bildaufnahme nicht synchronisiert sind. Dies führt dazu, dass zwei oder mehr Symbole überlagert in einem Bild dargestellt sein können. Ein solches Bild ist erstmal nicht auswertbar, weil die Kodierung nicht erkennbar ist und das Bild somit nicht dekodiert werden kann.Particularly preferred embodiments therefore provide asynchronous communication in which the switching between the symbols in the coding and the image recording are not synchronized. This means that two or more symbols can be shown superimposed in one picture. Such an image cannot be evaluated at first because the coding cannot be recognized and the image cannot therefore be decoded.
Um die Dekodierung in einer einfachen Ausgestaltung dennoch zu ermöglichen, kann gemäß einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Markiereinheit dazu eingerichtet ist, die zeitliche Abfolge der unterschiedlichen Symbole mit einer Symbolfrequenz zu erzeugen, die 1/i der Bildfrequenz der Bilderfassungseinheit entspricht, wobei i eine beliebige Zahl deutlich größer als 1 ist, d.h. bspw. i ≥ 1,5 oder i ≥ 1,8. Bevorzugt ist i gleich einer Zahl zwischen etwa 2 und 4. Im Fall von i = 2 entspricht die Symbolfrequenz gerade der Hälfte der Bildfrequenz mit der Folge, dass ein Symbol in jedem Fall in 2 aufeinander folgenden Bildern abgebildet ist, im Falle von i = 3 in drei Bildern usw.. Durch Vergleich von zwei oder mehr Bildern kann damit die Symbolfolge rekonstruiert werden. Allerdings vermindert sich die Datenrate auch um den Faktor 1/i.In order to nevertheless enable the decoding in a simple embodiment, it can be provided according to one embodiment that the marking unit is set up to generate the time sequence of the different symbols with a symbol frequency that corresponds to 1 / i of the image frequency of the image capture unit, where i any number is significantly greater than 1, ie for example i ≥ 1.5 or i ≥ 1.8. Preferably, i is equal to a number between approximately 2 and 4. In the case of i = 2, the symbol frequency corresponds to just half the image frequency, with the result that a symbol is always mapped in 2 successive images, in the case of i = 3 in three images, etc. By comparing two or more images, the symbol sequence can be reconstructed. However, the data rate is also reduced by a factor of 1 / i.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform schlägt die Erfindung eine Erweiterung der k-aus-n-Kodierung vor, bei dem die Markiereinheit dazu eingerichtet ist, im Zyklus der nacheinander dargestellten, k-aus-n kodierten Symbole jeweils die k angeschalteten Kommunikationselemente des vorausgegangenen Symbols nicht für das nachfolgende Symbol zu verwenden.According to a particularly preferred embodiment, the invention proposes an extension of the k-out-of-n coding, in which the marking unit is set up to not the k connected communication elements of the preceding symbol in the cycle of the k-out-of-n coded symbols displayed one after the other to be used for the symbol below.
Entsprechend dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, bei der Dekodierung eines Symbols in einem Bild die k angeschalteten Kommunikationselement des vorausgegangenen Symbols nicht für die Dekodierung zu verwenden. Dazu kann die Auswerteeinheit dazu eingerichtet sein, alle angeschalteten Kommunikationselemente - bspw. mittels einer Bildauswertungssoftware - in dem aktuellen Bild zu identifizieren und mit den angeschalteten Kommunikationselementen des vorausgegangenen Symbols zu vergleichen, wobei angeschalteten Kommunikationselemente des vorausgegangenen Symbols bei der Dekodierung des Symbols in dem aktuellen Bild nicht berücksichtigt werden.According to this embodiment it is provided that the evaluation unit is set up not to use the k connected communication elements of the preceding symbol for the decoding when decoding a symbol in an image. For this purpose, the evaluation unit can be set up to identify all connected communication elements - for example by means of image evaluation software - in the current image and to compare them with the connected communication elements of the previous symbol, with activated communication elements of the previous symbol when decoding the symbol in the current image not be considered.
In dieser Ausführungsform unterscheiden sich erfindungsgemäß alle angeschalteten Kommunikationselemente zwischen dem vorangehenden und dem nachfolgenden Symbol aus der zeitlichen Abfolge der mehreren Symbole. Damit lässt sich jedes Bild mit der Kenntnis des vorausgegangenen Symbols eindeutig identifizieren. Dies gilt gerade auch für den bevorzugten Fall, dass die Symbolfrequenz und die Bildfrequenz gleich gewählt werden.In this embodiment, according to the invention, all connected communication elements differ between the preceding and the following symbol from the time sequence of the several symbols. This means that every image can be clearly identified with knowledge of the previous symbol. This also applies precisely to the preferred case in which the symbol frequency and the image frequency are chosen to be the same.
In dieser abgewandelten k-aus-n-Kodierung für eine Folge von kodierten Symbolen, bei denen die k Kommunikationselemente aus dem jeweils vorausgegangenen Symbol für das nachfolgende Symbol nicht verwendet werden, reduziert sich die Anzahl der in einem Bild unterscheidbaren Symbole bei einer k-aus-n-Kodierung entsprechend auf
Für diese abgewandelte 2-aus-16-Kodierung ergeben sich also nur noch 91 (anstelle von 120) verschiede Kombinationen von jeweils 2 leuchtenden von insgesamt 16 vorhandenen Kommunikationselementen. Bei einer 3-aus-16 Kodierung ergeben sich entsprechend nur noch 286 (anstelle von 560) Kombinationen von jeweils 3 leuchtenden von insgesamt 16 vorhandenen Kommunikationselementen. Entsprechend gibt es in der energiesparenden 1-aus-16 Kodierung nur noch 15 (anstelle von 16) Kombinationen.For this modified 2-out-of-16 coding, there are only 91 (instead of 120) different combinations of 2 illuminated out of a total of 16 communication elements. With a 3-out-of-16 coding, there are accordingly only 286 (instead of 560) combinations of 3 illuminated out of a total of 16 communication elements. Accordingly, there are only 15 (instead of 16) combinations in the energy-saving 1-out-of-16 coding.
Da - insbesondere in dieser Ausführungsform - die Kodierung und Dekodierung eines Symbols von dem in der Abfolge der mehreren Symbole vorausgegangen Symbol abhängt, kann ein Symbol nicht ohne Kenntnis eines vorausgegangenen Symbols kodiert oder dekodiert werden. Als Einstieg für die zeitliche Abfolge wird daher erfindungsgemäß ein definierter Startpunkt festgelegt, der in der Markiereinheit und der Auswerteeinheit implementiert ist. Als Startpunkt für die Abfolge mehrerer Symbole kann in der Markeiereinheit implementiert sein, ein sich nicht änderndes Symbol für eine so lange Zeit zu erzeugen, dass dieses Symbol in mindestens zwei aufeinander folgenden Bildern, vorzugsweise mehr als zwei, bspw. drei bis sechs, Bildern, der Markiereinheit unverändert sichtbar ist.Since - particularly in this embodiment - the coding and decoding of a symbol depends on the preceding symbol in the sequence of several symbols, a symbol cannot be coded or decoded without knowledge of a preceding symbol. According to the invention, a defined starting point, which is implemented in the marking unit and the evaluation unit, is therefore established as the entry point for the time sequence. As a starting point for the sequence of several symbols, it can be implemented in the marking unit to generate a symbol that does not change for such a long time that this symbol can be seen in at least two consecutive images, preferably more than two, for example three to six images, the marking unit is still visible.
Ein solcher Einstieg in eine zeitliche Abfolge mehrerer Symbole als Beginn einer Kommunikation kann in der Auswerteeinheit leicht identifiziert werden. Beispielsweise kann als ein Einstieg auch ein Symbol gewählt werden, das in der Kodierung für die Kommunikation ein nicht zulässiges Symbol darstellt. Damit können Verwechslungen vermieden werden. Dieses Symbol ist entsprechend in der Markiereinheit und der Auswerteeinheit implementiert, damit es zur Kodierung und Dekodierung zur Verfügung steht. Es ist erfindungsgemäß auch möglich, eine Abfolge mehrerer verschiedener Symbole als Einstiegspunkt zu definieren, von denen zumindest eines, ggf. alle, so lange durch die Markiereinheit erzeugt werden, dass dieses Symbol in mindestens zwei aufeinanderfolgenden Bildern der Markiereinheit unverändert sichtbar ist. Zu den Symbolen können auch solche Symbole gehören, bei denen alle Markierungen und/oder Kommunikationselemente an- oder abgeschaltet sind. Auch eine Markiereinheit mit nur abgeschalteten Kommunikationselementen kann als ein Symbol der Kodierung verstanden werden.Such an entry into a chronological sequence of several symbols as the beginning of a communication can easily be identified in the evaluation unit. For example, a symbol can also be selected as an entry point that represents an impermissible symbol in the coding for communication. This can avoid confusion. This symbol is implemented accordingly in the marking unit and the evaluation unit so that it is available for coding and decoding. According to the invention, it is also possible to define a sequence of several different symbols as entry point, of which at least one, possibly all, are generated by the marking unit for as long as this symbol is visible unchanged in at least two successive images of the marking unit. The symbols can also include symbols in which all markings and / or communication elements are switched on or off. A marking unit with only switched off communication elements can also be understood as a symbol of the coding.
In einer vorteilhaften Implementierung kann vorgesehen sein, dass das als Startpunkt erzeugte, sich für die vorschrieben lange Zeit nicht ändernde Symbol eine eindeutige Identifikation einer von mehreren Markiereinheiten in der erfindungsgemäß vorgeschlagen Vorrichtung ist. Eine solche Konfiguration kann sich in einem bspw. industriellen Umfeld ergeben, wenn die Position, die Lage und/oder der Zustand mehrerer Objekte im Raum erfasst werden sollen. In diesem Fall können von einer (oder ggf. auch mehreren) optischen Erfassungseinheiten der Vorrichtung viele verschiedene Markiereinheiten erfasst werden, die - bezogen auf die eine Vorrichtung - eine eindeutige Identifikation aufweisen. Bei der beispielhaft beschriebenen 2-aus-16-Kodierung können bis zu 120 verschiedene Markiereinheiten einer Vorrichtung (im Sinne eines Systems) eindeutig identifiziert werden, bei einer 3-aus-16-Kodierung sind dies sogar bis zu 560 verschiedene Markiereinheiten.In an advantageous implementation, it can be provided that the symbol generated as the starting point and not changing for the prescribed long time is a unique identification of one of several marking units in the device proposed according to the invention. Such a configuration can arise, for example, in an industrial environment, if the position, the location and / or the state of several objects in space are to be recorded. In this case, many different marking units can be detected by one (or possibly also several) optical detection units of the device, which - in relation to the one device - have a unique identification. With the 2-out-of-16 coding described as an example, up to 120 different marking units of a device (in the sense of a system) can be uniquely identified, with a 3-out-of-16 coding this is even up to 560 different marking units.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Markiereinheit dazu eingerichtet ist, die in der zeitlichen Abfolge nacheinander dargestellten Symbole durch unterschiedliche Kodierungen zu erzeugen.In a further embodiment of the invention it can be provided that the marking unit is set up to generate the symbols displayed one after the other in the chronological sequence by means of different codings.
Eine konkrete Ausführungsform kann bspw. vorsehen, dass zunächst eine 2-aus-16-Kodierung verwendet wird, um eine eindeutige Identifikation der Markiereinheit (Tracker-ID) für bis zu 120 Markiereinheiten zu erzeugen. Diese eindeutige Identifikation kann bspw. als Startpunkt für die Kommunikation als Symbol gesendet werden, die sich über mehrere durch die Bilderfassungseinheit aufgenommene Bilder nicht ändert. Daran kann sich dann eine Kommunikation mit Symbolen nach einer 3-aus-16-Kodierung anschließen, insbesondere entsprechend der bereits beschriebenen abgewandelten 3-aus-16-Kodierung, in der die Symbolfrequenz der Bildfrequenz entspricht. Die Zuordnung der 2-aus-16-Kodierung und der 3-aus-16-Kodierung zum Dateninhalt (eindeutige Identifikation und Nutzdatenkommunikation) kann natürlich auch gerade umgekehrt erfolgen. Hier wird der Fachmann jeweils geeignete Zuordnungen und/oder Kodierungen, auch unter Berücksichtigung der Energieanforderungen, auswählen. Entsprechend gilt für die konkrete Auswahl der k-aus-n-Kodierung. Die Anzahl der verschiedenen Symbole, d.h. die Anzahl der gleichzeitig leuchtenden Kommunikationselemente k wird der Fachmann für den Einzahl geeignet auswählen, wobei er die Randbedingungen „Energieverbrauch“ bei batteriebetriebenen Markiereinheiten und „Kommunikationsbandbreite“ geeignet abwägen wird.A specific embodiment can, for example, provide that a 2-out-of-16 coding is initially used in order to generate a unique identification of the marking unit (tracker ID) for up to 120 marking units. This unique identification can, for example, be sent as a starting point for communication as a symbol that does not change over several images recorded by the image acquisition unit. This can then be followed by communication with symbols according to 3-out-of-16 coding, in particular in accordance with the modified 3-out-of-16 coding already described, in which the symbol frequency corresponds to the image frequency. The assignment of the 2-of-16 coding and the 3-of-16 coding to the data content (unique identification and user data communication) can of course also be done the other way around. Here the person skilled in the art will select suitable assignments and / or codings, also taking into account the energy requirements. The same applies to the specific selection of the k-out-of-n coding. The number of different symbols, i.e. The person skilled in the art will select the number of simultaneously illuminated communication elements k in a suitable manner for the singular, whereby he will suitably weigh the boundary conditions “energy consumption” in the case of battery-operated marking units and “communication bandwidth”.
In jedem Fall sind die übertragenen Nutzdaten erfindungsgemäß genau einer identifizierten Markiereinheit zugewiesen. Nach Beendigung der Kommunikation können erfindungsgemäß in einer Kommunikationsvariante alle Kommunikationselemente für eine vorgegebene Dauer ausgeschaltet werden, bis ein neuer Kommunikationszyklus in dergleichen Weise erzeugt wird.In any case, according to the invention, the transmitted useful data are assigned to exactly one identified marking unit. After communication has ended, according to the invention, in a communication variant, all communication elements can be switched off for a predetermined period until a new communication cycle is generated in the same way.
Bei der Dekodierung und Auswertung der Symbole können unterschiedliche Informationen, wie bspw. die Identifikation der Markiereinheiten und die Kommunikation von Nutzdaten, durch die Verwendung unterschiedlicher Kodierungen leicht identifiziert und voneinander getrennt werden.When decoding and evaluating the symbols, different information, such as the identification of the marking units and the communication of user data, can easily be identified and separated from one another by using different codings.
Gemäß einer Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorgeschlagen, dass die mindestens vier optischen Markierungen derart auf der Markiereinheit angeordnet sind, dass jeweils zwei der Markierungen eine Gerade definieren, und die so definierten Geraden sich in einem Kreuzungspunkt schneiden. Wenn eine der Markierungen im Kreuzungspunkt der Gerade liegt, reichen für die Definition der beiden Geraden insgesamt drei Markierungen. Dann kann auch bei vier Markierungen eine Markierung außerhalb der durch die beiden Geraden aufgespannten Ebene liegen. Andernfalls sind hierfür erfindungsgemäß mindestens fünf Markierungen notwendig. Dies ermöglicht, insbesondere wenn vorzugsweise mindestens drei der Markierungen in einer gemeinsamen Ebene liegen und mindestens eine Markierung außerhalb dieser Ebene liegt, eine genaue Lage- und Positionsbestimmung der Markiereinheit in nur einem zweidimensionalen Bild mit nur einer zweidimensionalen Kamera. Mit der Lage- und Positionsbestimmung der Markiereinheit sind auch die Position Lage des Objekts, an dem die Markiereinheit festgelegt sind, bekannt.According to an arrangement of the device according to the invention, it is proposed that the at least four optical markings are arranged on the marking unit in such a way that two of the markings each define a straight line and the straight lines defined in this way intersect at a point of intersection. If one of the markings is at the intersection of the straight line, a total of three markings are sufficient to define the two straight lines. Then, even with four markings, one mark can lie outside the plane spanned by the two straight lines. Otherwise, according to the invention, at least five markings are necessary for this. This enables, in particular when preferably at least three of the markings are in a common plane and at least one marking is outside this plane, a precise location and position determination of the marking unit in only one two-dimensional image with only one two-dimensional camera. With the location and position determination of the marking unit, the position of the object on which the marking unit is fixed are also known.
Gemäß einer anderen bevorzugten Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorgeschlagen, dass mindestens sechs optische Markierungen derart auf der Markiereinheit angeordnet sind, dass jeweils drei der Markierungen eine Gerade definieren, und die so definierten Geraden sich in einem Kreuzungspunkt schneiden. Wenn eine der Markierungen im Kreuzungspunkt der Gerade liegt, reichen für die Definition der beiden Geraden insgesamt fünf Markierungen. Dann kann auch bei sechs Markierungen eine Markierung außerhalb der durch die beiden Geraden aufgespannten Ebene liegen. Ggf. kann auch eines der Kommunikationselemente, das auf einer der Geraden liegt, mit als eine Markierung für die Bestimmung der Geraden verwendet werden.According to another preferred arrangement of the device according to the invention, it is proposed that at least six optical markings are arranged on the marking unit in such a way that three of the markings each define a straight line and the straight lines defined in this way intersect at a point of intersection. If one of the markings is at the intersection of the straight line, a total of five markings are sufficient to define the two straight lines. Then even with six markings, one mark can lie outside the plane spanned by the two straight lines. Possibly. One of the communication elements that lies on one of the straight lines can also be used as a marker for determining the straight line.
Dies ermöglicht, insbesondere wenn vorzugsweise mindestens fünf der Markierungen in einer gemeinsamen Ebene liegen und mindestens eine Markierung außerhalb dieser Ebene liegt, neben der genauen Lage- und Positionsbestimmung der Markiereinheit in nur einem zweidimensionalen Bild mit nur einer zweidimensionalen Kamera auch das schnelle Auffinden und Zuordnen der Markierungen im zweidimensionalen Bild. Mit der Lage- und Positionsbestimmung der Markiereinheit sind auch die Position Lage des Objekts, an dem die Markiereinheit festgelegt sind, bekannt.This enables, especially if preferably at least five of the markings are in a common plane and at least one marking is outside this plane, in addition to the precise location and position determination of the marking unit in only one two-dimensional image with only one two-dimensional camera, it also enables the quick location and assignment of the Markings in the two-dimensional image. With the location and position determination of the marking unit, the position of the object on which the marking unit is fixed are also known.
Die Grundzüge der Auswertung, die auf geometrischen Überlegungen beruht und ausnutzt, dass die relative geometrische Anordnung der Markierungen zueinander auf der Markiereinheit bekannt ist, sind aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt und gehören zum allgemeinen Fachwissen des Fachmanns. Durch die genannte Mindestanzahl an Markierungen ist es möglich, die Anzahl der zu berechnenden Homografien auf eine Einzige zu beschränken. Die Erfindung lässt sich im Hinblick auf die Lage- und Positionsbestimmung mit allen geeigneten Verfahren realisieren, die an dieser Stelle entsprechend nicht mehr erläutert werden müssen.The main features of the evaluation, which is based on geometric considerations and takes advantage of the fact that the relative geometric arrangement of the markings to one another on the marking unit is known, are known from the prior art mentioned at the beginning and are part of the general specialist knowledge of the person skilled in the art. With the minimum number of markings mentioned, it is possible to limit the number of homographs to be calculated to a single one. With regard to the location and position determination, the invention can be implemented with all suitable methods which accordingly need not be explained at this point.
In einer solchen Ausgestaltung ist es besonders vorteilhaft, wenn die mindestens sechs, vorzugsweise alle, Kommunikationselemente entlang dieser mindestens einen Geraden zwischen zwei benachbarten Markierungen angeordnet sind.In such an embodiment, it is particularly advantageous if the at least six, preferably all, communication elements are arranged along this at least one straight line between two adjacent markings.
Grundsätzlich, und auch anders als in Anspruch 1 beansprucht, kann die Anzahl der Kommunikationselement erfindungsgemäß auch kleiner als sechs sein. Um die vorgeschlagene k-aus-n-Kodierung anzuwenden, ist mindestens eine Anzahl von n=2 Kommunikationselementen notwendig. Eine alternative Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung mit einer Markiereinrichtung, der nur zwei, drei, vier oder fünf Kommunikationselements aufweist.In principle, and also differently from what is claimed in claim 1, the number of communication elements according to the invention can also be less than six. In order to use the proposed k-out-of-n coding, at least a number of n = 2 communication elements is necessary. An alternative embodiment of the invention also relates to a device with a marking device which has only two, three, four or five communication elements.
Statt alle Kommunikationselemente entlang einer Geraden zwischen zwei Markierungen anzuordnen, können die Kommunikationselemente erfindungsgemäß auch entlang mehrerer Reihen definiert zwischen den ortsfesten Markierungen angeordnet sein, d.h. in einer Art Matrixanordnung. Die Reihen und Spalten können bspw. parallel zu einer oder beiden der ersten und zweiten Gerade oder gedreht dazu. Eine derartige Anordnung in mehreren Reihen, bspw. in einer Matrixform, ermöglicht kompaktere Markiereinheiten.Instead of arranging all communication elements along a straight line between two markings, according to the invention the communication elements can also be arranged in a defined manner along several rows between the stationary markings, i.e. in a kind of matrix arrangement. The rows and columns can, for example, be parallel to one or both of the first and second straight lines or rotated relative thereto. Such an arrangement in several rows, for example in a matrix form, enables more compact marking units.
In jedem Fall lassen sich die Kommunikationselemente durch die definierte Anordnung relativ zu den Markierungen leicht in jedem zweidimensionalen Bild identifizieren und die Symbole dekodieren.In any case, the communication elements can be easily identified in each two-dimensional image by the defined arrangement relative to the markings and the symbols can be decoded.
Bei Anordnung der Kommunikationselemente entlang der einen Geraden (bzw. jeder Reihe in einer Matrixanordnung) kann die Auswerteeinheit zur Dekodierung der Symbole dazu eingerichtet sein, in dem Bild jeweils den Abstand zwischen einer ausgewählten der beiden benachbarten Markierungen und einem der angeschalteten (im Sinne von das Symbol mit bildenden) Kommunikationselemente zu ermitteln und auf den Abstand der beiden benachbarten Markieren zu normieren, wobei der jeweilige Abstand für alle angeschalteten Kommunikationselemente entsprechend Ihrer Größe (aufsteigend oder absteigend) sortiert in einen Ergebnisvektor eingetragen wird. Der Ergebnisvektor mit allen möglichen, aufgrund der verwendeten Kodierungen für die Symbole erwartbaren Kodierungsvektoren auf die beste Übereinstimmung zu prüften, wobei der erwartete Kodierungsvektor mit der besten Übereinstimmung das zur Dekodierung verwendete Symbol definiert.When the communication elements are arranged along one straight line (or each row in a matrix arrangement), the evaluation unit for decoding the symbols can be set up to determine the distance in the image between a selected one of the two adjacent markings and one of the switched on (in the sense of the To determine the symbol with forming) communication elements and to normalize them to the distance between the two adjacent markers, whereby the respective distance for all connected communication elements is entered in a result vector according to their size (ascending or descending). Checking the result vector with all possible coding vectors that can be expected on the basis of the codings used for the symbols for the best match, the expected coding vector with the best match defining the symbol used for decoding.
Mit anderen Worten wird - bei einer k-über-n-Kodierung - entlang der einen (oder ggf. auch mehreren) Gerade ein Vektor mit k Längeneinträgen definiert, wobei jeder Längeneintrag ein angeschaltetes Kommunikationselement anzeigt. Da alle Kommunikationselemente bevorzugt auf einer Gerade liegen, die durch die beiden begrenzenden Markierungselemente in ihrer Länge genau definiert ist, kann durch eine Normierung des Kodierungsvektors auf den Abstand der beiden benachbarten, die Kommunikationselemente einschließenden Markieren der Kodierungsvektor robust aus jedem zweidimensionalen Bild der Markiereinheit extrahiert werden. Grundsätzlich kann eine entsprechende Anordnung auch in einer Matrixanordnung bei geeigneter (insbesondere asymmetrischen) Positionierung der Matrixanordnung zwischen den Markierungen erreicht werden. Eine hierüber erreichte Dekodierung ist sehr zuverlässig, insbesondere sehr stabil gegen Bildrauschen.In other words, in the case of k-over-n coding, a vector with k length entries is defined along the one (or possibly also several) straight line, each length entry indicating a connected communication element. Since all communication elements preferably lie on a straight line that is precisely defined in length by the two delimiting marking elements, the coding vector can be robustly extracted from every two-dimensional image of the marking unit by normalizing the coding vector to the distance between the two adjacent markings that include the communication elements . In principle, a corresponding arrangement can also be achieved in a matrix arrangement with suitable (in particular asymmetrical) positioning of the matrix arrangement between the markings. A decoding achieved in this way is very reliable, in particular very stable against image noise.
Der Kodierungsvektor VBild lässt sich für eine 3-aus-n-Kodierung durch die folgende Formel beschreiben
Der Kodierungsvektor VBild wird allen erwartbaren Kodierungsvektoren Verwaltet, von denen jeder ein in der Kodierung gültiges Symbol repräsentiert, verglichen. Dies kann durch eine Subtraktion des Kodierungsvektor VBild und den erwartbaren Kodierungsvektoren Verwartet erfolgen, wobei der Betrag des erhaltenen Vektors (Match) den Grad der Übereinstimmung anzeigt
Der erwartbare Kodierungsvektoren Verwartet mit dem kleinsten zugeordneten Mach wird als das zu dekodierende Symbol anzeigende Vektor gewählt.The expected coding vector expected with the smallest associated Mach is chosen as the vector indicating the symbol to be decoded.
Eine besonders zuverlässige Auswertung lässt sich erreichen, wenn eine Markierung in der Ebene im Kreuzungspunkt der Geraden angeordnet ist. Dies kann eine zusätzliche Markierung oder Bestandteil der jeweils mindestens zwei Markierungen sein, die eine der beiden Geraden definieren. Da die im Kreuzungspunkt liegende Markierung auf beiden Geraden liegt, sind erfindungsgemäß drei Markierungen ausreichend, um die beiden Geraden zu definieren. Es entspricht jedoch einer bevorzugten Ausführungsform, dass jede Gerade durch mindestens zwei unabhängige Punkte identifizierbar ist.A particularly reliable evaluation can be achieved if a marking is arranged in the plane at the point of intersection of the straight lines. This can be an additional marking or a component of the at least two markings that define one of the two straight lines. Since the marking located at the crossing point lies on both straight lines, three markings are sufficient according to the invention to define the two straight lines. However, it corresponds to a preferred embodiment that each straight line can be identified by at least two independent points.
Der Kreuzungspunkt wird durch die Richtung der zwei Geraden definiert und lässt sich im zweidimensionalen Bild sehr zuverlässig bestimmen. Damit bietet sich dieser Punkt insbesondere an, um den Abstand zwischen dem angeschalteten Kommunikationselement und der im Kreuzungspunkt angeordneten Markierung zu ermitteln.The point of intersection is defined by the direction of the two straight lines and can be determined very reliably in the two-dimensional image. This point is therefore particularly suitable for determining the distance between the connected communication element and the marking arranged at the intersection.
Es hat sich als eine besonders bevorzugte Ausführungsform herausgestellt, die Ebene durch mindestens fünf der Markierungen zu definieren, welche in zwei Geraden mit mindestens einer gemeinen Markierung angeordnet sind. Das Auffinden von Linien mit drei Markierungen ist im industriellen Umfeld robuster als das Auffinden von durch nur zwei Markierungen definierte Linien. Des Weiteren kann mindestens eine der genannten fünf Markierungen durch ein auch zur Kommunikation genutztes Kommunikationselement realisiert werden.It has been found to be a particularly preferred embodiment to define the plane by at least five of the markings, which are arranged in two straight lines with at least one common mark. Finding lines with three marks is more robust in an industrial environment than finding lines defined by only two marks. Furthermore, at least one of the named five markings can be implemented by a communication element that is also used for communication.
Als Weitere besonders bevorzugte Ausführungsform hat sich die freie Anordnung der von der Ebene der restlichen Markierungen abgesetzten Markierung herausgestellt. Hierbei werden Verdeckungen der Markierungen in der Ebene durch die abgesetzte Markierung bei Betrachtung unter großen Winkeln vermieden. Die Position der von der Ebene abgesetzte Markierung wird entsprechend der im konkreten Anwendungsfalls zu erwartenden Blickwinkel anwendungsspezifisch festgelegt und steht nicht in direkter Relation zu den Geraden, welche von den Markierungen in der Ebene definiert werden.The free arrangement of the marking set off from the plane of the remaining markings has proven to be a further particularly preferred embodiment. Here, the markings in the plane are prevented from being covered by the offset marking when viewed from a large angle. The position of the marking offset from the plane is determined in an application-specific manner in accordance with the viewing angle to be expected in the specific application and is not in direct relation to the straight lines which are defined by the markings in the plane.
Als Weitere besonders bevorzugte Ausführungsform hat sich eine Variante mit zwischen 1-aus-16, 2-aus-16 und 3-aus-16 umschaltbarer Kodierung für die Kommunikation der Nutzdaten herausgestellt, wobei 16 hier allgemein als n gelesen werden kann, wobei die die Anzahl der für die Kommunikation nutzbaren, d.h. die in der Markiereinheit insgesamt verbauten Kommunikationselemente, bedeutet.As a further particularly preferred embodiment, a variant with between 1-out-of-16, 2-out-of-16 and 3-out-of-16 switchable coding for the communication of the useful data has been found, with 16 here generally being read as n, with the Number of usable for communication, ie means the communication elements built into the marking unit as a whole.
Somit kann vom Nutzer der Markierungseinheit selbst entschieden werden, ob die Übertragungsgeschwindigkeit oder der Energieverbrauch der Markierungseinheit Priorität einzuräumen ist. Die Anzahl der gleichzeitig verwenden Markierungen hat bei der Verwendung von aktiv selbst leuchtenden Markierungen einen entscheidenden Einfluss auf den Energieverbrauch.The user of the marking unit can thus decide for himself whether the transmission speed or the energy consumption should be given priority to the marking unit. The number of markings used at the same time has a decisive influence on energy consumption when actively self-luminous markings are used.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale Teil der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbezügen.Further advantages, features and possible applications of the invention can also be found in the following description of an exemplary embodiment and the drawing. All of the features described and / or illustrated are part of the present invention, regardless of how they are summarized in the claims or their references.
Es zeigen:
-
1 schematisch eine Aufsicht auf eine bevorzugte erste Ausführungsform der Markiereinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung; -
2 schematisch eine Aufsicht auf eine bevorzugte zweite Ausführungsform der Markiereinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung; -
3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung mit mehreren Markiereinheiten; -
4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäß bevorzugten Kodierung für die Kommunikation von Nutzdaten; und -
5 eine schematische Darstellung einer nicht-synchronisierten Kommunikation zur Erläuterung;
-
1 schematically a top view of a preferred first embodiment of the marking unit of the device according to the invention; -
2 schematically a plan view of a preferred second embodiment of the marking unit of the device according to the invention; -
3 a schematic representation of an embodiment of the invention with several marking units; -
4th a schematic representation of a coding preferred according to the invention for the communication of useful data; and -
5 a schematic representation of a non-synchronized communication for explanation;
In
Die Markierungen
Die erste Gerade
Die Markierung
In Anwendung bekannter geometrischer Beziehungen der Markierungen
Bei der dargestellten Markiereinheit
Die Markiereinheit
In
Die Vorrichtung
Vorzugsweise ist auch bei mehreren Kameras
Erfindungsgemäß sind die nicht dargestellten Recheneinheiten der Markiereinheiten
Die optische Bilderfassungseinheit (Kamera)
In dem in
Die Erfindung ist bei der Kommunikation erfindungsgemäß aber nicht darauf beschränkt, eine Identifikationskennung jeder Markiereinheit
Dazu können die Identifikationskennung und andere Nutzdaten im Wechsel übertragen werden, indem die Recheneinheit die zu übertragenden Daten zeitlich nacheinander kodiert und auf den Kommunikationselementen darstellt. Die optische Bilderfassungseinheit
Eine solche Übertragung lässt sich grundsätzlich dadurch realisieren, dass das Umschalten der Aktivierung der Kommunikationselemente auf den Markiereinheiten
Wenn die Synchronisation bei der Übertragung allerdings verlorengeht, kann es vorkommen, dass während der Belichtungszeit eines Bildes verschiedene Kommunikationselemente ein- und ausgeschaltet werden. Dies ist in
Insgesamt sind sechszehn Kommunikationselemente vorgesehen, die der für eine einfache Referenzierung am linken Rand in 5-er Schritten durchnummeriert sind. Während einer Bildaufnahme
Das sich aus dem Umschalten der Symbole während der Bildlichtungszeit, d.h. während der Bildaufnahme, ergebende Gesamtbild
Weil eine Synchronisation von Bildaufnahme und Kodierung der Symbole auf den Kommunikationselementen aufwendig ist, schlägt die Erfindung als besonders bevorzugtes Kommunikationsverfahren vor, dass die Markiereinheit, respektive die Recheneinheit der Markiereinheit, dazu eingerichtet ist, die zeitliche Abfolge der unterschiedlichen Symbole mit einer Symbolfrequenz zu erzeugen, die höchstens der Bildfrequenz der Bilderfassungseinheit entspricht. Damit wird sichergestellt, dass in dem Bild der Kamera, die fortlaufend Bilder der Markiereinheit aufnimmt, höchstens zwei Zustände der Kommunikationselemente, wie in
Ferner ist die Markiereinheit, respektive die Recheneinheit der Markiereinheit, dazu eingerichtet, im Zyklus der nacheinander dargestellten, k-aus-n kodierten Symbole jeweils die k angeschalteten Kommunikationselemente des vorausgegangenen Symbols nicht für das nachfolgende Symbol zu verwenden.Furthermore, the marking unit, or the computing unit of the marking unit, is set up not to use the k connected communication elements of the preceding symbol for the following symbol in the cycle of the k-out-of-n coded symbols displayed one after the other.
Dies ist in
- Der Zyklus der Kommunikation umfasst zwei verschiedene Datenarten, die durch unterschiedliche Kodierungen über den Zeitstrahl t dargestellt werden.
- The communication cycle comprises two different types of data, which are represented by different codings over the time line t.
Die erste Datenart
Der Kommunikationsbeginn, d.h. der Startpunkt für die Abfolge mehrerer Symbole, wird in diesem Beispiel durch die erste Datenart
Dieses erste Symbol
Das in der Abfolge zeitlich zweite Symbol
Die nicht eingeschalteten Kommunikationselemente und die nicht blockierten Kommunikationselemente sind ausgeschaltete Kommunikationselemente
Für das dritte Symbol
Das fünfte Symbol
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird ohne oder ohne nennenswerten zusätzlichen Energiebedarf neben der Positions- und Lageerkennung der Markiereinheiten eine Kommunikation zusätzlicher Nutzdaten mit einer maßvollen Bandbreite erreicht. Eine höhere Bandbreite lässt sich - unter Inkaufnahme eines höheren Energiebedarfs - jederzeit erreichen, indem die Informationsdichte durch Verwendung von mehr gleichzeitig in einem Symbol angeschalteten Kommunikationselementen erhöht wird.As a result of the solution according to the invention, communication of additional useful data with a moderate bandwidth is achieved with no or without significant additional energy requirement in addition to the position and position detection of the marking units. A higher bandwidth can be achieved at any time - with the acceptance of a higher energy requirement - by increasing the information density by using more communication elements connected simultaneously in a symbol.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- MarkiereinheitMarking unit
- 2.1 bis 2.52.1 to 2.5
- Markierungmark
- 3.1 bis 3.163.1 to 3.16
- KommunikationselementCommunication element
- 44th
- erste Geradefirst straight
- 55
- zweite Gerade second straight
- 1111
- MarkiereinheitMarking unit
- 12.1 bis1 2.512.1 to1 2.5
- Markierungmark
- 13.1 bis 13.1613.1 to 13.16
- KommunikationselementCommunication element
- 1414th
- erste Geradefirst straight
- 1515th
- zweite Gerade second straight
- 2020th
- Vorrichtung zur Lage- und PositionserkennungDevice for position and position detection
- 2121st
- optische Bilderfassungseinheitoptical image capture unit
- 2222nd
- AuswerteinheitEvaluation unit
- 2323
- MarkiereinheitMarking unit
- 2424
- MarkiereinheitMarking unit
- 2525th
- MarkiereinheitMarking unit
- 2626th
- MarkiereinheitMarking unit
- 2727
- MarkiereinheitMarking unit
- 2828
- Markiereinheit Marking unit
- 3030th
- Dauer der BildaufnahmeDuration of the image acquisition
- 3131
- erster Zustand der Kommunikationselemente während Bildaufnahmefirst state of the communication elements during image acquisition
- 3232
- erster Zustand der Kommunikationselemente während Bildaufnahmefirst state of the communication elements during image acquisition
- 3333
- Bild der KommunikationselementeImage of communication elements
- 3434
- angeschaltetes Kommunikationselement („on“)activated communication element ("on")
- 3535
- ausgeschaltetes Kommunikationselement („off“) deactivated communication element ("off")
- 4040
- erste Datenart (Identifikationskennung, Tracker-ID)first type of data (identification code, tracker ID)
- 4141
- zweite Datenart (Nutzdaten)second data type (user data)
- 4242
- angeschaltetes Kommunikationselement („on“)activated communication element ("on")
- 4343
- ausgeschaltetes Kommunikationselement („off“)deactivated communication element ("off")
- 4444
- blockiertes Kommunikationselement („block“)blocked communication element ("block")
- 4545
- erste Symbol der Abfolge mehrerer Symbolefirst symbol of the sequence of several symbols
- 4646
- zweite Symbol der Abfolge mehrerer Symbolesecond symbol of the sequence of several symbols
- 4747
- dritte Symbol der Abfolge mehrerer Symbolethird symbol of the sequence of several symbols
- 4848
- vierte Symbol der Abfolge mehrerer Symbolefourth symbol of the sequence of several symbols
- 4949
- fünfte Symbol der Abfolge mehrerer Symbolefifth symbol of the sequence of several symbols
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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