03.12.01Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Folie 1 Inhalt Institut für Kartographie und Geoinformation Mobile 3D-GIS: Positionierung Augmented

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


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




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




Inhalt

Anwendungsbeispiele• in definierten Umgebungen (z.B. geschlossenen Gebäuden):

• Fabrikation

• Medizin

• Motivation

Begriffsdefinition

> Anwendungen




Inhalt

Anwendungsbeispiele

• im Freien:

• Personennavigierung im Freien (z.B. Wanderer, Fußgänger)

• Stadtführer

• Bauplanung und -durchführung

• Motivation

Begriffsdefinition

> Anwendungen




Inhalt

Komponenten des AR-Systems• Komponenten des AR-Systems:

• Head Mounted Display (HMD)

• Motivation

Begriffsdefinition

• Anwendungen

> Komponenten des AR-System



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



• Ausblick


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




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


> Positionsbestimmung


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




Inhalt

Positionsbestimmung• Zwei Arten der Sensorkombination:

1) DGPS, Kompass, Neigungssensor,

Inertialsystem

Basissystem

2) DGPS, Kompass, Neigungssensor, Inertialsystem,

Videokamera

Inertial-optisches System

• Motivation

Begriffsdefinition

• Anwendungen




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




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




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




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




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




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




Inhalt

Das Problem der Positionsbestimmung• Komponenten der Sensorkombination:

• DGPS

• Kompass, Neigungssensor

• Inertialsystem

• Videokamera

Inertial-optisches System

• Motivation

Begriffsdefinition

• Anwendungen




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




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



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03.12.01Mobile 3D-GIS: Positionierung / Augmented Reality Folie 1 Inhalt Institut für Kartographie und Geoinformation Mobile 3D-GIS: Positionierung Augmented