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03.12.01 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Folie 1
Inhalt
Institut für Kartographie und Geoinformation
Mobile 3D-GIS:Positionierung
Augmented Reality
Seminar GeoinformationWS 01/ 02 (7. Sem.)
Referent: Sandra Mesenholl
Betreuer: Thomas Kolbe
• Motivation
> Begriffsdefinition
• Anwendungen
• Komponenten des AR-System
• Positionsbestimmung
03.12.01 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Folie 2
Inhalt
Begriffsdefinition• Was ist Augmented Reality?
• Technologie, die es ermöglicht virtuelle Objekte in die Realität einzublenden.
• Die virtuellen Objekte (z.B. Texte, Bezeichnungen, etc.) werden über die reellen Objekte gelegt oder mit der reellen Welt zusammengesetzt.
Ideal: Virtuelle und reelle Objekte bestehen gleichzeitig
• Motivation
> Begriffsdefinition
• Anwendungen
• Komponenten des AR-System
• Positionsbestimmung
03.12.01 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Folie 3
Inhalt
Motivation
• Warum ist Augmented Reality (AR) ein interessantes Thema?Warum ist die Kombination von reellen und virtuellen Objekten nützlich?
• AR ergänzt die Wahrnehmung des Benutzers von der reellen Welt
• Virtuelle Objekte zeigen Informationen an, die der Benutzer nicht direkt mit seinen eigenen Sinnen wahrnehmen kann.
• Informationen, die mit den virtuellen Objekten vermittelt werden, helfen dem Benutzer beim Vollziehen von Aufgaben in der reellen Welt.
> Motivation
Begriffsdefinition
• Anwendungen
• Komponenten des AR-System
• Positionsbestimmung
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Inhalt
Anwendungsbeispiele• in definierten Umgebungen (z.B. geschlossenen Gebäuden):
• Fabrikation
• Medizin
• Motivation
Begriffsdefinition
> Anwendungen
• Komponenten des AR-System
• Positionsbestimmung
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Inhalt
Anwendungsbeispiele
• im Freien:
• Personennavigierung im Freien (z.B. Wanderer, Fußgänger)
• Stadtführer
• Bauplanung und -durchführung
• Motivation
Begriffsdefinition
> Anwendungen
• Komponenten des AR-System
• Positionsbestimmung
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Inhalt
Komponenten des AR-Systems• Komponenten des AR-Systems:
• Head Mounted Display (HMD)
• Motivation
Begriffsdefinition
• Anwendungen
> Komponenten des AR-System
• Positionsbestimmung
03.12.01 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Folie 7
Inhalt
Komponenten des AR-Systems• Komponenten des AR-Systems:
• Head mounted Display
• Tragbarer PC
• Geräte zur Positionsbestimmung
• evtl. Kopfhörer, Mikrophone
• evtl. Spracheingabe
• Motivation
Begriffsdefinition
• Anwendungen
> Komponenten des AR-System
• Positionsbestimmung
• Ausblick
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Inhalt
Drei wesentliche Faktoren des AR-Systems• Drei wesentliche Faktoren bestimmen AR-Systeme:
1) Kombination von Realität und Virtualität
2) Interaktiv in Echtzeit
3) Einbeziehung des Betrachters in den 3D Kontext
Bestimmung der Position und der Blickrichtung des Betrachters
• Motivation
Begriffsdefinition
• Anwendungen
> Komponenten des AR-System
• Positionsbestimmung
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Inhalt
Positionsbestimmung• Welche Freiheitsgrade gibt es?
zK
yK
xK
zK‘ yK‘
xK‘
• 3 Parameter für die Orientierung
insgesamt 6 Parameter
r
• 3 Parameter für die Translation• Motivation
Begriffsdefinition
• Anwendungen
• Komponenten des AR-System
> Positionsbestimmung
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Inhalt
Positionsbestimmung
• Welche Sensoren/ Geräte werden zur Positionsbestimmung verwendet?
• GPS
• DGPS
absolute Positionsbestimmung
• Kompass, Neigungssensoren
• Inertialsystem: Kreisel
Orientierungsbestimmung
• evtl. Stereokamera bzw. Videokamera
Positionsbestimmung, Orientierungsbestimmung
• Motivation
Begriffsdefinition
• Anwendungen
• Komponenten des AR-System
> Positionsbestimmung
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Inhalt
Positionsbestimmung• Zwei Arten der Sensorkombination:
1) DGPS, Kompass, Neigungssensor,
Inertialsystem
Basissystem
2) DGPS, Kompass, Neigungssensor, Inertialsystem,
Videokamera
Inertial-optisches System
• Motivation
Begriffsdefinition
• Anwendungen
• Komponenten des AR-System
> Positionsbestimmung
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Inhalt
Das Problem der Positionsbestimmung
• Bestandteile des Orientierungssensors:• Kompass, Neigungssensoren (absolute Orientierung)
• Inertialsystem: Kreisel (relative Änderung)
• Erläuterung des Problems der Positionsbestimmung im Freien am Beispiel des Basissystems (DGPS, Kompass, Neigungssensor, Inertialsystem):
• Lösungsansatz:
• Schrittweises lösen
1. Lösungsbestimmung für die Positionierung 2. Lösungsbestimmung für die Orientierung
Annahme: die Position ist mittels DGPS hinreichend genau
bestimmt Bestimmung von 3
Parametern
• Motivation
Begriffsdefinition
• Anwendungen
• Komponenten des AR-System
> Positionsbestimmung
03.12.01 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Folie 13
Inhalt
Das Problem der Positionsbestimmung• Die größten Fehlerquellen:
• Verfälschungen beim Orientierungssensor
• Durch Laufzeitverzögerungen verursachte dynamische Fehler
Notwendigkeit der Kalibrierung der Sensoren und
der Entwicklung von Algorithmen,
um eine effektive Kombination der Kompass- und
Kreiseldaten zu erlangen
• Motivation
Begriffsdefinition
• Anwendungen
• Komponenten des AR-System
> Positionsbestimmung
03.12.01 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Folie 14
Inhalt
Das Problem der Positionsbestimmung• Erläuterung des dynamischen Fehlers verursacht durch
Laufzeitverzögerungen:
• Kompass: 16 Hz
• Kreisel: 1 kHz
• Explizit:
90 ms Laufzeitverzögerung zwischen den Messungen der
beiden Orientierungssensoren aufgrund von innewohnenden
Sensoreigenschaften
Problemlösung mittels einer Art Kalman-Filter, um die
Abstimmung zwischen beiden Sensoren zu
erleichtern
• Motivation
Begriffsdefinition
• Anwendungen
• Komponenten des AR-System
> Positionsbestimmung
03.12.01 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Folie 15
Inhalt
Das Problem der Positionsbestimmung• Funktionsweise des Filters:
1. Er kombiniert die beiden Sensoren mit der
Aktualisierungsgeschwindigkeit des Kreisels (1kHz).
Kreisel kompensiert Fehler des Kompasses
• Ausgleich der Laufzeitverzögerung
• Glättung
• Konvergierung der Filterausgaben mit den
Kompassmessungen, wenn die Bewegung anhält
• Prädiktion
• Motivation
Begriffsdefinition
• Anwendungen
• Komponenten des AR-System
> Positionsbestimmung
03.12.01 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Folie 16
Inhalt
Das Problem der Positionsbestimmung• Vorteile durch den Einsatz des Filters:
• Fehler des Kreisels
• Akkumulation der Drift
Filter benutzt die absolute Orientierung des
Kompasses
zur Kalibrierung
Kompass kompensiert Fehler des Kreisels
• Folgerungen:
der eine Sensor kompensiert die Schwächen des anderen
und umgekehrt
Wenn nur der Kompass als Orientierungssensor benutzt
würde, wären die Fehler weit höher
• Motivation
Begriffsdefinition
• Anwendungen
• Komponenten des AR-System
> Positionsbestimmung
03.12.01 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Folie 17
Inhalt
Das Problem der Positionsbestimmung• Erreichte Genauigkeit:
• Spitzenfehler: um 2°
• Mittlerer Fehler: unter 1°
besitzt relativ kleine Fehler
aber: noch nicht optimal
Verbesserung des Systems durch Hinzufügen
eines weiteren Sensors: Videokamera
• Motivation
Begriffsdefinition
• Anwendungen
• Komponenten des AR-System
> Positionsbestimmung
03.12.01 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Folie 18
Inhalt
Das Problem der Positionsbestimmung• Komponenten der Sensorkombination:
• DGPS
• Kompass, Neigungssensor
• Inertialsystem
• Videokamera
Inertial-optisches System
• Motivation
Begriffsdefinition
• Anwendungen
• Komponenten des AR-System
> Positionsbestimmung
03.12.01 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Folie 19
Inhalt
Das Problem der Positionsbestimmung• Funktionsweise dieses Systems
• 1. Merkmal beobachtet
• 3. Reelles Haus
• 4. Bestimmung der Verschiebungsvektors
• 2. Prädiktion des Merkmals mittels des Inertialsystems
Einschränkung des Suchraums mittels des Inertialsystems
• Motivation
Begriffsdefinition
• Anwendungen
• Komponenten des AR-System
> Positionsbestimmung
03.12.01 Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Folie 20
Inhalt
Das Problem der Positionsbestimmung• Vergleich des Basissystems mit dem inertial-optischem
System
• Erreichte Genauigkeit:
• bis auf ein paar Pixel an der wirklichen Position
• Nachteile:
• im Moment noch kein wirkliches Echtzeitverfahren, weil es
sehr rechenintensiv ist
• Motivation
Begriffsdefinition
• Anwendungen
• Komponenten des AR-System
> Positionsbestimmung