SE507680C2 - Metod och anordning för att bestämma positionen av ett objekt - Google Patents

Description

1 k) Ut 0 O i 507 680 2 Dessa ändamål uppnås genom att använda en metod, omfattande stegen av: - att beräkna koordinaterna av en avbildning av sagda objekt reproducerad på detektoranordningen, - att beräkna en storleksparameter av objektet som motsvarar den erhållna storleksparametem, - att beräkna proportionen av parametrar erhållna för att bestämma objektets position.

Uppfinningen avser även en anordning för att bestämma positionenen av en kropp försedd med ett objekt som har en känd storleksparameter, vilket system åtminstone omfattar en kameraenhet, innefattande en detektoranordning och ett optiskt element i ett bestämbart avstånd från detektoranordningen och organ för att hämta och beräka, vilken är anordnad för att beräkna koordinaterna av en avbildning av objektet reproducerad på detektoranordningen, beräkna en storleksparameter av objektet, vilken motsvarar den erhållna storleksparametern, beräkna storleken av erhållna parametrar för att bestämma objektets position och organ för att presentera den bestämda positionen.

Andra fördelaktiga utföranden enligt föreliggande uppfinning kännetecknas av underkraven.

KORT BESKRIVNING AV RlTNlNfiåARNA I det följande kommer uppfinningen att beskrivas med referens till bifogade ritningar, i vilka: Fíg. 1 visar ett schematiskt diagram av ett enkelt rörelseanalyssystem, enligt uppfinningen.

Fig. 2 visar ett blockdiagram över de viktigaste funktionerna av kameran enligt fig. 1.

Fig. 3 visar schematiskt ett snitt genom en digitaliserad markör enligt föreliggande uppfinning.

Fig. 4 visar schematiskt uppfinningens princip.

GRUNDLÄGGAivDE TEoRI I grunden använder ett analogt system en konventionell videosignal från en kamera som en insignal.

Medelst signalen beräknas X- och Y-koordinatema för markören, vilken skiljer sig från omgivningen genom ljusintensitet. Syftet är att mäta en rörelse av markören så noggrann som möjligt. dvs. onoggrannheten, som är ett resultat av videosignalen bestående av en uppsättning av ändliga antal punkter ska minimeras. 10 507 680 3 Videosignalen består av ett antal linjer, vilka avsökes i kronologisk ordning. En markör genererar en bild, som sträcker sig över en eller flera linjer. Medelst en komparator är det möjligt att bestämma början och slutet av en markörsektion på en linje. Markörens bild på en linje kallas ett segment. Tiden uppmäts delvis från början av linjen till början av segmentet (Xfi) och delvis från början av linjen till slutet av segmentet (Xc). Medelvärdet av dessa två perioder är ett mått för positionen av ett segment i rymden i horisontell riktning (om linjema är horisontella) medan serienumret av linjen (S) är ett mått på positionen av segmentet i den vertikala riktningen. Längden I av segmenten är då Xc-XV X- och Y-koordinaterna av markören, Xm respektive Ym erhålles genom formlerna 1 och 2: (XC-XS) (xé-*j-XS) Z X= 2 (l) '” Z <><.-X.> X (ute-XS) . s) Y = (2) '" (Ke-XS) Tecknet X indikerar att summeringen utföres över alla segment som är en del av markörbilden.

Ovan är applicerbar för en analog signal. Liknande beräkningar kan utföras, om bildpunkter från en digitaliserad detektor överförs till en annan ordning än linjär, där mittpunkterna för alla bildelement, som är en del av samma markör beräknas. Först kan bildelementet översättas till linjer och sedan kan beräkningen utföras som i det analoga fallet.

Tidema X) och XC kan mätas med en elektronisk räknaranordning ansluten till en oscillator, vilken även styr videosignalen. Räknaren startar i början av linjen och den läses av när början och slutet av ett segment nås. Ett problem är att oscillatorfrekvensen beroende av tekniska och ekonomiska skäl är begränsad. I det digitaliserade fallet kan problemet vara att bildelementen inte kan vara så små som det krävs. 1 h) Ut 0 507 680 4 För att lösa detta problem anordnas, i det analoga fallet, en komparator som starter en integrator. som genererar en linjär potentialflank, vilken starter från en potential V, till Vb vid tid XV Flanken samplas och mäts när räknaren slår om mellan två värden. Punkten när flanken passerar ett förutbestämt ändringsvärde används för att definiera tiden XW Skillnaden mellan X_ och XM är en konstant och den bestäms av integratom och fördröjningama i komparatorerna. Tiden X., beräknas enkelt från de uppmätta punktema på potentialflanken vid tiden för ändringen av räknaren förutsatt att åtminstone två punkter på flanken uppmätts. Till exempel, om två spänningsvärde uppmäts V, vid t, och V2 vid t: och V., är mellan V, och V2, interpoleras med formel 3: Tiden X, uppmäts på samma sätt. I detta utförande används en linjär flank eftersom beräkningarna blir enklare, emellertid kan andra kurvor användas.

DETALIERAD BESKRIVNING AV ETT UTFÖRANDE Ett enkelt schematiskt system. enligt föreliggande uppfinning, visas i fig. 1. Systemet omfattar åtminstone en kamera 10 riktad mot en kropp, som i detta fall är en människokropp 12, som ska analyseras och åtminstone en markör 11 fäst vid kroppen 12.

Kameran 12 kan vara ansluten till en datorenhet 13, för ytterligare process av de mottagna signalerna från kameran 10. 1 det följande kommer att hänvisas till ett utförande av ett system som opererar inom IR-område. dvs. kameran “ser" kroppar som utsänder infraröd strålning. l ett föredraget utförande har markören en väsentligen sfärisk konfiguration försedd med en reflekterande yta. Kameran 12 kan förses med anordning för att utsända lR-ljus, vilket reflekterašav' markören. Den speciella utformningen av markören tillåter att kameroma från olika vinklar erhåller en cirkulär form för en korrekt positionering.

I detta utförande är kameran 10 utrustad med en CCD-enhet som huvudsakligen opererar på samma sätt som beskrevs ovan. Blockdiagrammet i ftg. 2 visar schematiskt vissa viktiga delar av kameran 12 mi 507 680 avsedda att utföra metoden enligt uppfinningen.

Kameran 10 innefattar optiskt element 14, såsom linser och annat fokusering organ (inte visat) för att projicera bilden 16 av en marköranordning 11 på en CCD-enhet 15. Ytan av CCD~enheten avsökes då och bildsignalema omfattande pixelinforrnation omvandlas till en lämplig videosignal medelst en omvandlingsenhet 17, vilken kan vara integrerad i CCD-enheten. Videosignalen representerande bildlinjer överförs sedan seriella eller parallella till en bearbetningsenhet 18. Bearbetningsenheten digitaliserar den mottagna videosignalen, till exempel genom att använda en A/D-omvandlare 19.

Denna signal kan även digitaliseras i enhet 17. Bearbetningsenheten kan vara ansluten till en minnesenhet, inte visad, som innehåller en uppsättning instruktioner för att kontrollera bearbetningsenheten.

Med hänsyn till “Grundläggande teori" delen härovan kan bildelementet anordnas i linjer medelst ett lågpassfilter för att levererar en kontinuerlig signal, som kan behandlas som den analoga signalen.

Emellertid uppskattas i det föredragna utföringsexemplet varje bildelement individuellt och från det uppskattade värdet interpoleras ett värde som bestämmer när ett tröskelvärde T passeras. i analogi med den grundläggande teorin.

Den digitaliserade signalen överförs sedan till en jämförelseenhet 20, som interpolerar varje samplat värde omkring det förutbestämda tröskelvärdet T, även kallat videonivå, vilket kan erhållas från en minnesenhet 21. Såsom beskrevs ovan, är syftet att bestämma när amplituden av signalen passerar värdet T. Varje passage visar en start- och stoppkoordinat för varje segment med en hög upplösning, som kan vara omkring 30 x antal bildpunkter på en rad. I en beräkningsenhet 22 utförs följande beräkning : = Bildpunkt nr. + höçupplösninç där V, och V: är signalnivåerna av föregående respektiveefterföljande bildpunkter mottagna från komparatorenheten 21. lÛ 15 20 507 680 6 Bildpunktsnumret kan erhållas från en räknare (inte visad). Beroende av komponenterna som används, kan nivåema V! och V: mätas med en upplösning av 10 bitar, bildpunktsnumret (MSB) 9 bitar och (T-VQ/(Vz-Vl) 7 bitar. Sedan kan mittpunkten x' av markören beräknas i en beräkningsenhet 22 medelst föregående värde lagrat i en minnesenhet 23, genom användning av formel (5): x =--_-;- (s) 21k" I: Xtlkfis) Y 21,: där lb är längden av segmentet k (d.v.s., Xck-Éfgk), enligt fig. 5, S är serienumret av bildelementet. och x._ är mitten av segmentet k.

I det digitala fallet, är fonnlema (1) och (2) ersatta med formlema (5) respektive (6). Emellertid bidrar inte forrnlema (1) och (2) ensamma för erhållande av ett noggrant värde som önskas. För att erhålla en precisare, stabil x' med och hög resolution, beräknas n potensen av L... l det föredragna utföringsexemplet beräknas kvadratroten av IL, d.v.s. n=2.

Fig. 3 visar schematiskt den digitaliserade tvådimensionella bilden 26 av markören.

Sedan kan lkzerna lagras i minnesenheten 23 för att underlätta beräkningar. För en cirkulär markör, beräknas arean A av avbildningen genom att använda formeln A = Det är även möjligt att beräkna radien genom att använda A= rån, vilken ger formel (7): som kan beräknas i beräkningsenheten 22.

Med hänvisning nu till fig. 4, som schematiskt visar den fundamentala principen av föreliggande 507 680 7 uppfinning, kan positionen av objektet 11 beräknats enligt följande.

Följande är känd data: x' mittpunkten av marköravbildningen 26 på detektorplanet 28, d.v.s. på CCD-plattan 5 15, beräknad genom att använda formel 5; c avståndet c från detektorplanet 28 till linsen 14; X,,,Y,, mittpunkten av detektorplanet, motsvarande mittpunkten av linsen, vilka är kamerakonstanter; D diametern av markören 11. 10 l beräkningsenheten 22 beräknas följande parametrar: xp X,-x', d.v.s. X-koordinaten av marköravbildningen på detektorplanet relativ mitten av detektorplanet; yp Y,,-y', d.v.s. Y-koordinaten av marköravbildningen på detektorplanet relativ mitten 15 av detektorplanet: och d r x 2, där r är radien enligt ovan.

Eftersom mellan triangeln B och triangeln A i Fig. 4 existerar likhet, existerar även följande förhållande: Xn/xp = Ym/yp = Zm/c = Dm/d, vilket möjliggör följande beräkningar i enheten 22: Dm X = -- . x (8 ) II d P Dm ( 9 Y =--. > m d D z = _" . c (1 0 > '" d 20 Där Xm, Ym och Zm är den tredimensionella positionen (vektorkomponentema) av markören, och i synnerhet är avståndet mellan kameran (lins) och objektet (11): 10 1507 esog Avstånd = Jx: w: +z,f (ll) .

Det är klart att avståndet c måste vara bestämt exakt, eftersom avståndet varierar vid fokusering, d.v.s. när linsen förflyttas.

Resultatet kan då transformeras till en griinssnittsenhet för ytterligare överföring till datorenheten 13, i vilka de beräknade värdena kan användas för att visa positionen av markören på en skärm för simulering, positionering och andra tillämpningar. Även om vi har beskrivit och visat ett föredraget utförande, så är uppfinningen inte begränsad till sagda utförande, utan variationer och modifieringar kan förekomma inom omfånget för de närslutna patentkraven. Bearbetningsenheten 18 kan integreras i kameran 10 eller i en periferisk enhet. Antalet enheter och deras funktion i bearbetningsenheten 18 kan också variera.

Dessutom kan formen av markören variera beroende av applikationsområdet. Därutöver kan systemet enligt uppfinningen användas för att detektera avstånd inom andra områden. till exempel i transportabla enheter såsom fordon, flygplan osv. 10 20 HÄNVISNINGSBEIECKNINGAR 10 11 R) G R) >-A PJ k) TJ b) fx) -IÄ IQ U: k) O\ 27 28 Kameraenhet Markör Kropp Dator Lins CCD-enhet Bild Omvandlingsenhet Bearbetningsenhet A/D-omvandlingsenhet Komparator M innesenhet Berâikningsenhet Minnesenhet Grâinssnittsenhet Markör Marköravbildning Miitplan Detektorplan 507 680

Claims (11)

10 25 *sov 680 10 PATENTKRAV

1. Metod för att bestämma positionen (Xm, Ym, Zm) av en kropp (12) försedd med åtminstone ett markörobjekt (11) med en känd storleksparameter (Dm) medelst åtminstone en kameraenhet (10), försedd med en detektoranordning (15) och ett optiskt element (14) i ett bestiimbart avstånd (c) från detektoranordningen (15) och organ för att hämta och beräkna (22), varvid metoden omfattar stegen: - att beräkna koordinaterna (xp, yp) av en avbildning (16) av objektet (11) reproducerad på detektoranordningen (15), - att beräkna en storleksparameter (d) av objektet (11) motsvarande den erhållna storleksparametem (Dm), och - att beräkna förhållandet mellan erhållna parametrar för att bestämma positionen (Xm, Ym, Zm) av objektet (11).

2. Metod enligt patentkrav 1, kännetecknad av, att avståndet (Zm) till objektet bestäms genom att använda relationen mellan avståndet (Zm) till objektet och avstånd (c) mellan det optiska elementet och detektorplanet och storleksparametern (d) av avbildningen (16) av objektet på detektoranordningen (15) och storleksparametern (Dm) av objektet.

3. Metod enligt patentkrav 1, kännetecknad av, att centrumkoordinaten (xp, 34,) av avbildningen är avståndet mellan en mittpunkt (x', y') av avbildningen och en mittpunkt (X, Yu) på detektoranordningen.

4. Metod enligt patentkrav 3, kíinnetecknad av, att mittpunkten (x', y') av avbildningen på detektoranordningen (15) beräknas genom att använda stegen: - att interpolera en signal från detektoranordningen innehållande bildpunktsdata för den reproducerade avbildningen (16) och beräkna en mittpunkt (XL) för en liingd (lk) av ett segment 507 680 11 representerande en sektion av sagda bild, och - använda den beräknade mittpunkten (ik) och längden (I) för att bestämma centroidkoordinaten (x”) genom att använda följande formel: _ X (lf . s) y I 21k” z Ztlkïšk) Zl! ' I X

5. 5. Metod enligt patentkrav 3, kännetecknad av, att start- eller slutpunkterna (xx) beräknas genom användning av formeln: där T är ett förutbestämt tröskelvärde V1 och V: är signalnivåer för föregående respektive efterföljande bildpunkter 10 och p är numret av bildpunkten m.

6. Metod enligt patentkrav 1 eller 2, kännetecknad av, stegen: 15 - att interpolera en signal innehållande bildpunktsdata för sagda reproducerad avbildning (16) och beräkna en längd (Ik) av ett segment representerande en sektion av sagda avbíldning, och - att använda den beräknade längden (lr) för att bestämma arean (A) av avbildningen genom att använda A = Elk. 20 7. Metod enligt något av patentkraven 1 till 6, 10 25

7. 'S07 680 -12 kännetecknad av, att markörobjektet (11) är väsentligen sfärisk.

8. Metod enligt något av patentkraven 1 till 7, att kännetecknad av, att den känd storleksparametern (Dm) är diametern av objektet (11).

9. Anordning för att bestämma positionen (Xm, Ym, Zm) av en kropp (12) försedd med ett objekt (11) som har en känd storleksparameter (Dm) för kroppen (12), vilket system omfattar åtminstone en kameraenhet (10), innefattande en detektoranordning (15) och ett optiskt element (14) i ett bestämbart avstånd (c) från detektoranordningen (15) och organ för hämtning och beräkning (22), vilken är anordnad för att beräkna koordinatema (xp, yp) av en avbildning (16) av objektet (11) reproducerat på detektoranordningen (15), beräkna en storleksparameter (d) av objektet (1 l) som motsvarar den erhållna storleksparametem (Dm), beräkna förhållandet av erhållna parametrar för att bestämma positionen (Xm, Ym, Zm) av objektet (11) och organ för att presentera den bestämda positionen.

10. Anordning enligt patentkrav 9, vilken dessutom omfattar: organ (15) för att samla bilddata av kroppen, omvandlingsorgan (19) för att framställa en digitaliserad signal innehållande bildpunktsdata för den reproducerade avbildningen (16), komparatorenhet (20) för att generera skillnaden mellan en bildpunkts signalnivå och ett tröskelvärde (T), beräkningsenhet (22) för att beräkna en mittpunkt (ik) för längden (ik) av varje segment som representerar en sektion av avbildningen, beräkna en centroidkoordinat (x) och/eller ett område av avbildningen och/eller en radie av densamma.

11. Anordning enligt något av patentkraven 9 eller 10, kännetecknad av, att detektoranordningen (15) är en CCD-platta.