Messgenauigkeit dynamischer Objekterfassung in Motion-Capture-Systemen

Es gibt bereits einen umfangreichen Körper von Arbeiten, in denen Bewertungen verschiedener Motion-Capture-Systeme eine breite Palette unterschiedlicher Ergebnisse geliefert haben. Diese Studien liefern nützliche und relevante Ergebnisse für spezifische Anwendungsfälle, messen aber häufig unterschiedliche Dinge, und die Methoden oder sogar die verwendete Terminologie variieren in mehreren wichtigen Aspekten erheblich.

Die Natur optischer Motion-Capture-Systeme bedeutet, dass es eine große Bandbreite an Variablen gibt, was die Beantwortung von Fragen zur Genauigkeit kompliziert macht, und einige der wichtigsten Faktoren für die Systemleistung sind auch unintuitiv. Bedingungen, die die Datenqualität beeinflussen, können umfassen: die Größe des Raums, die Geometrie und Geschwindigkeit des Objekts, die Art der Bewegung und Änderungen der Umgebungsbedingungen – sowie die Eigenschaften des Systems selbst – wie die Anzahl, Auflösung und Qualität der Kameras; die Qualität und Größe der verwendeten Marker; der Kamerakalibrierungsprozess; und die Algorithmen, die zur Berechnung der starren Objektpose aus den Kameradaten verwendet werden.

Selbst mit einer vollständig kontrollierten Umgebung kann die Bewegung von Objekten die Messungen beeinflussen. Zum Beispiel können wir die Länge eines Testobjekts kontinuierlich beobachten. Es ist möglich, einen hochsignifikanten Unterschied zu beobachten, abhängig davon, ob das Objekt in Ruhe oder in Bewegung ist. Dies zeigt, wie entscheidend Konsistenz und Kontrolle der Variablen sind, bevor Vergleiche angestellt werden können.

Terminologie kann in verschiedenen Kontexten unterschiedliche Dinge bedeuten, wobei Begriffe wie „Genauigkeit“ und „Präzision“ sehr unterschiedliche Bedeutungen annehmen. Zusätzlich dazu sind sie oft fallbezogen: Zum Beispiel kann die Bedeutung des Begriffs „Genauigkeit“ in der Biomechanik anders verstanden werden als in der Robotik oder visuellen Effekten.

Als Teil dieser Arbeit wollten wir wirklich Informationen bereitstellen, die informativ sind und Ingenieuren helfen zu verstehen, welches Leistungsniveau sie erwarten konnten. Dies erforderte eine Methode, die für das Publikum geeignet war, das am häufigsten zu diesem Thema befragte, leicht erklärbar war und sinnvolle Ergebnisse über eine Reihe verschiedener Anwendungen produzierte.

Wir wollten auch ein Gespräch beginnen – intern während der Entwicklung sowie extern – mit einer Methode, die verstanden wurde, damit zukünftige Entwicklungen und Verbesserungen in diesem Kontext kommuniziert werden konnten. Wir fühlten, es war wichtig, eine extern veröffentlichte Methode zu verwenden, um vollständig transparent über diese Methode und daher über die erzielten Ergebnisse zu sein.

Vicon hat eine Gruppe zusammengestellt, geleitet vom damaligen Engineering Product Manager Tim Massey, mit einer breiten Erfahrung in den Details, wie Motion Capture in der Praxis funktioniert, nicht nur in der Theorie. Es war eine Gruppe, die wusste, wie wir helfen konnten, dieses Problem so zu verstehen, dass es für unser Publikum nützlich und informativ wäre.

Über einen Zeitraum von Monaten haben wir eine Reihe externer Methoden überprüft, einige der vielversprechendsten ausprobiert, um ihre Effektivität und Relevanz für die Art und Weise zu bewerten, wie die Systeme verwendet wurden. Wir entschieden, dass eine Methode, die vom Unterausschuss für 3D-Messsysteme der American Society for Testing and Materials (ASTM E57) entwickelt und bewertet wurde, am geeignetsten war. ASTM gründete den E57-Ausschuss im Juni 2006 speziell, um Standards zu entwickeln, die zur Bewertung der Leistung von 3D-Systemen verwendet werden konnten. Die Methode E3064 („Standard Test Method for Evaluating the Performance of Optical Tracking Systems that Measure Six Degrees of Freedom (6DOF) Pose“) ist eine einfache, die eine einheitliche Messung zwischen zwei starren Objekten ermöglicht, während sie sich kontrolliert in einem optischen Motion-Capture-Volumen bewegen.

Diese Methode hat den Vorteil, einfach zu verstehen und zu erklären. Aber sie hat auch den Vorteil, ein kontinuierlich bewegtes Objekt zu bewerten (eine kritische Komponente eines Motion-Capture-Systems und eine Variable, die einen signifikanten Unterschied machen kann) und Fehler schnell an vielen Orten innerhalb des Erfassungsvolumens zu bewerten.

Es ist jedoch wichtig zu erwähnen, dass es keine „korrekte“ Methode gibt. Es gibt auch viele verschiedene Alternativen, und jede Methode hat unterschiedliche Vorzüge. Allerdings wurde empfunden, dass dies eine informative Methode war, um den Leuten die Art der Leistung zu erklären, die sie mit einer Bewertung erwarten könnten, die relevant für die Art und Weise war, wie Vicon-Systeme von Ingenieuren verwendet werden.

Wir testeten zwei separate, aber ähnliche Setups, bestehend aus Vantage 5 MP oder 16 MP Kameras, und maßen den Abstand zwischen zwei starren Objekten. Dies war ein bekannter fester Abstand, der aus thermisch neutralem Kunststoff konstruiert wurde, um physische Unterschiede, die durch Bewegung oder Temperaturänderungen entstehen könnten, so weit wie möglich zu eliminieren. Dies ermöglichte die konsistente Bestimmung der Messgenauigkeit gegen diese bekannte feste Referenz, während sie sich durch das Volumen bewegte, sowie die genaue Bewertung der Messungen. Die Beobachtung war konsistent, obwohl das Objekt über das Erfassungsvolumen und in kontinuierlicher Bewegung bewegt wurde.

Diese Arbeit ermöglicht es uns jetzt, besser zu kommunizieren, wie neue Entwicklungen die Qualität verbessern, die Vicon bietet. Ein gutes Beispiel dafür ist die kürzliche Veröffentlichung von Vantage+, wo wir jetzt nicht nur die Vorteile klar erklären können, die erhöhte Bildraten liefern können, sondern auch die inhärenten Trade-offs, die innerhalb der Technologie existieren.

Dieser Artikel wurde von Dr. Felix Tsui, Product Manager, Vicon (Oxford, UK) geschrieben. Weitere Informationen finden Sie hier.