Technical Information

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Vicon Motion Capture
für Engineering Anwendungen
Themen
> Anforderungen im Engineering
> Kriterien bei der Wahl der Hardware
> Aspekte zur Software
> Die Lösung von Vicon
Motion is our passion
Vicon für Engineering Anwendungen
Einleitung
In diesem Dokument wird die 3D Motion Capture Lösung von Vicon mit anderen sich
auf dem Markt befindenenden Lösungen verglichen, die auf optischer Basis arbeiten.
Es sollen praktische Aspekte aufgezeigt werden, die jeder Benützer dieser Technologien in Betracht ziehen sollte, sowie
Informationen bereitgestellt werden, die die Lösung von Vicon mit derer anderer Hersteller vergleicht. Die Konkurrenz
bietet einige gute Lösungen zu diesem Thema an, leider sind aber einige Missverständnisse zum Ansatz von Vicon im
Umlauf. Es werden hier keine detaillierten Informationen zu anderen Systemen gegeben, vielmehr eine Unterstützung zu
Themen und Fragen, die sich jeder potentielle Benutzer stellen sollte, bevor er sich für eine Lösung entscheidet.
Die drei wichtigsten Argumente
Systems sprechen sind:
Die wichtigsten Punkte die
für die Wahl eines Vicon
•
Flexibilität
Vicon hat die kleinformatigen Bonita-Kameras mit Blick auf Anwendungen im Engineering Markt für Aufnahmevolument von ungefähr 10 x 10 x 10 m3 entwickelt. Die Kameras sind sehr leicht und typischerweise 1/8 der Grösse
von Kameras anderer Hersteller für diese Anwendungen. Die Kameras haben ein Zoomobjektiv und werden mit
Stativen oder Wandhalterungen eingesetzt und durch das Ethernet-Kabel mit Strom versorgt. Das heisst, dass die
Kameras schnell an verschiedensten Orten je nach Anwendung eingesetzt werden können.
•
Einfacher Einsatz
Die Software Vicon Tracker ist die einzige end-user Software die für Engineering Anwendungen entwickelt wurde.
Andere Hersteller bieten Software, die alle Bereiche und Anwendungen abdecken, was zu einer Vielfalt an Funktionalität führt die der Kunden nicht benötigt, und damit zu hoher Komplexität. Das Interface von Vicon konzentriert
sich auf das Wesentliche, womit der Anwender schnell und einfach zu Lösungen findet.
•
Datenqualität
Vicon ist seit 30 Jahren führender Hersteller von 3D Motion Capture Systemen, und hat in dieser Zeit die Algorithmen für die Datenverarbeitung der Rohdaten der Kameras kontinuierlich verbessert und optimiert. Vicon Tracker ist
die einzige Software, die das Tracking für die definierten Objekte durchführt, und nicht nur für individuelle Marker.
Dies führt nicht nur zu einer besseren Genauigkeit sondern ermöglicht auch, grössere Volumina aufzunehmen. Weiter kann ein Objekt mit nur einer Kamera verfolgt werden, im Gegensatz zu den üblichen Systemen, wo das Objekt
von mindestens zwei Kameras erfasst werden muss.
Anwendungen
Dieses Dokument fokussiert sich auf den Engineering Markt, mit Anwendungen für die Verfolgung von starren Objekten. Diese Anwendung ist in
den letzten Jahren immer populärer geworden, besoders seit die genaue Position und Orientierung von 3D Objekten wie
zum Beispiel gesteuerte Roboter oder unbemannter Flugobjekte zur Steuerung oder Validierung der Kontrollsoftware
bestimmt werden muss. Die Anforderungen könnten etwa so zusammengefasst werden:
«Wir müssen die Position von einem oder mehreren Objekten mit einem bestimmten maximalen Fehler erfassen. Zudem benötigen wir die Bewegungsrichtung und die Geschwindigkeit der Objekte. Diese Informationen sollten innerhalb einer Verzögerung von x Millisekunden verfügbar sein.»
Das hat für das Motion Capture-System folgende Konsequenzen:
•
Die Hardware muss das System kontinuierlich tracken.
•
Die Daten müssen kontinuierlich in die Software übertragen werden, wo die 3-dimensionale Position und Orientierung berechnet werden muss.
•
Die Software muss ein Interface haben, welches die errechneten Positionen und Orientierungen der Objekte an eine
weitere Software übergeben werden muss, zum Beispiel eine Kontrollsoftware des Benutzers.
Daneben sind oft folgende Faktoren auch von Bedeutung:
•
Die Genauigkeit des System, d. h. mit welchem Messfehler die 3D Positionen und Orientierungen bestimmt werden
können.
•
Die Latenz des Systems, d. h. mit welcher zeitlichen Verzögerung die Daten in der Software des Benutzers zur Verfügung stehen.
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Vicon für Engineering Anwendungen
•
Wir flexibel und portabel ist das System, sollte die Messanordnung geändert werden oder sogar im Aussenbereich
gemessen werden.
•
Ist das System schnell und einfach aufzubauen und zu erlernen?
•
Ist das System genügend einfach für Routineanwendungen?
•
Wie zuverlässig werden Objekte getrackt?
•
Wie einfach ist das Interface um die Daten einem weiteren Programm zu übergeben?
•
Die Erfahrung, Kenntnis und Motivation im Service des Lieferanten für die erwähnten Anwendungen.
Hardware
Vicon und einige andere Hersteller setzen auf eine passive auf Optik basierede
Technologie. Das heisst, dass die Kameras stationär sind und um das Messvolumen
herum positioniert sein müssen. Die Objekte müssen mit reflektierenden Markern versehen werden, die Kameras werden
typischerweise auf Stativen oder mit Wanhalterungen montiert.
Objektive
Alle Kameras für die optische Bewegungserfassung müssen mit einem Objektiv ausgestattet werden. Dessen Wahl hat
aber einen signifikanten Einfluss auf die Distanz mit der die Kamera von den Objekten aufgestellt werden muss, um das
Messvolumen zu erfassen. Die Wahl des Objektivs muss zudem auf die Kamera abgestimmt sein. Zum Beispiel hat eine
Vicon T40S Kamera einen maximalen horizontalen Öffnungswinkel von 67°, die kleinere Bonita Kamera einen von 70°.
Andere Kameras haben teilweise Öffnungswinkel von 45° bis 50°, was bedeutet, dass die Kameras in deutlich grösserer
Distanz vom Messvolumen plaziert werden müssen um dieselbe Abdeckung zu erreichen.
Verbindung
Die Kameras von Vicon verbinden werden über ein einziges Kabel über einen Hub mit dem PC verbunden. Bonita Kameras werden über «Power-over-Ethernet» (PoE) Kabel und einem handelsüblichen Switch verbunden, während die T40
spezielle Kabel und einen speziellen Hub verwenden. Lösungen
anderer Hersteller verwenden
mehrere Anschlüsse pro Kamera oder bauen die Verbindung
zu den Kameras seriell auf,
was heisst, das weniger Kabel
verwendet werden muss. Damit
kann bei einer Störung aber die
ganze Kette beeinträchtigt sein,
oder die Flexibilität des Systems
beeinträchtigt werden.
Kameras
Die Grösse und das Gewicht
der Kameras haben einen Einfluss, wie «portabel» das System
ist
Die T-Serie von Vicon hat eine
ähnliche Grösse wie die Kameras anderer Hersteller (ca. 2 kg
schwer und 200 mm gross),
die Bonita hingegen ist deutlich
leichter und kleiner mit 250 g
Figur 1: Die Vicon Bonita Objektive minimieren das Aufnahmevolumen für kleine Raumgrössen
und 80 mm gross. Damit ist die
Bonita im Vorteil für Systeme die flexbel einegesetzt werden müssen und daher eine Option, die man in Betracht ziehen
sollte, wenn dies ein zentrales Kriterium für den Einsatz ist.
Die technischen Eingenschaften sind natürlich mitentscheidend, welche Experimente durchgeführt werden können:
•
Alle Vicon Kameras messen mit einer minimalen Frequenz von 250 Hz. Höhere Aufnahmefrequenzen haben die Kameras der T-Serie. Oft besteht auch die Möglichkeit für eine höhere Messfrequenz die Auflösung zu reduzieren oder
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das Messfeld zu verkleinern.
•
Die Auflösung kann einen Einfluss auf die Messgenauigkeit haben, neben den Algorithmen die für die Auswertung der Daten in der Kamera eingesetzt werden. Daher
ist es schwierig, direkt zwischen verschiedenen Kameras
zu vergleichen. Vicon Bonita-Kameras haben eine Auflösung von 1 MP (Megapixel), die T-Serie bis zu 16 MP.
•
Die Verwendung im Aussenbereich: grundsätzlich können alle Kameras im Aussenbereich eingesetzt werden,
solange sie genügend gegen Wettereinflüsse geschützt
sind. Die Herausforderung ist aber direktes, oder helles
Sonnenlicht. Die T-Serie von Vicon hat bewährte Spezialfilter in der Optik, die auch bei starker Sonneneinstrahlung
Messungen ermöglichen, ohne die Verwendung im Innenbereich zu beinträchtigen. Andere Hersteller ermöglichen
die Messungen im Aussenbereich auch mit einer Kompensation des Hintergrundes in der Software, was aber
die Messfrequenz halbiert mit einer höheren Latenz.
•
Figur 2: Die Vicon Bonita Kamera
Letzendlich ist ein weiterer Faktor die «Reichweite» der
Kamera, das heisst, auf welche Distanz ein Marker noch
erkannt werden kann. Dieser Faktor ist entscheidend bei eher grossen Messvolumina, typischerweise bei einer Distanz vom Objekt zur Kamera von 10 m und mehr. Die «Reichweite» kann durch grössere Marker oder durch stärkere
Strobes verbessert werden. Vicon verwendet eine grosse Anzahl
moderner LED´s, ohne eine Filter davor, um eine hohe «Reichweite» der Kameras zu erreichen.
Zusammenfassung: Zentrale Themen zur Wahl der Hardware
•
Welche Raumgrösse steht zur Verfügung and welches Messvolumen soll erfasst werden? Mit der Wahl der Objektive wird
bestimmt, wie nah ein Objekt noch erfasst werden kann, und
welches das Maximalvolumen für die Messung ist.
•
Muss das System flexibel oder sogar portabel sein, um es regelmässig zu verpacken um es anderswo zu installieren? Die Vicon
Bonita ist klar die portabelste Kamera wegen ihrer kleinen Dimension und niedrigem Gewicht.
Figur 3: Eine T-Serie Kamera im Aussbereich
•
Welches Messvolumen soll erfasst werden? Für sehr grosse Volumina wie z. Bsp. eine Sporthalle, ist die Kamerawahl entscheidend. Bis zu 10 m x 10 m sind Bonitas eine gute Wahl.
•
Wie schnell bewegen sich die Objekte und mit welcher Genauigkeit sollen sie erfasst werden? Selbst wenn 250 Hz
oftmals ausreichen, für schnelle Objekte sind höhere Messraten erforderlich, ohne die Sensorfläche oder die Auflösung zu reduzieren.
Software
bieten sind:
Die Unterschiede der Software zwischen den verschiedenen Herstellern ist signifikant
und demzufolge entscheidend für die Systemwahl. Basisfunktionen, die alle Hersteller
•
Verbindung zur Hardware und Konfiguration derselben
•
Systemkalibration
•
Definition der zu trackenden Objekte basierend auf den daran befestigten Markern
•
Die Schnittstelle, die 3D Positionen und Ausrichtung im Raum zu einer anderen Software zu übertragen
Typischerweise zieht ein Benutzer folgende Punkte in die Evaluation ein:
•
Ermöglicht mir die Software das zu tun, was ich auch benötige?
•
Wie gross ist der Zeitaufwand, die Software zu erlernen?
•
Wie gut komme ich in der alltäglichen Arbeit mit der Software zurecht?
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Figur 4: Vicon Tracker mit 8 Objekten
Vicon hat als einziger Anbieter eine Software ausschliesslich für das Tracking von Objekten in Engineering-Anwendungen
entwickelt. «Vicon Tracker» wurde in einer ersten Version 2009 veröffentlicht und ist nun zur 3. Generatio weiterentwickelt
worden. Andere Anbieter arbeiten mit einer Software, die alle möglichen Anwendungen abdeckt, einschliesslich Biomechanik und Entertainment, was zu einer grossen Palette von Funktionen führt, die im Engineering nicht benötigt werden,
was zu einer hohen Komplexität und auch Kosten führt. Vicon geht generell den Weg, Software zu entwickeln, die auf die
Bedürfnisse der Anwender je nach Gebiet entwickelt wurden.
Aufwand für die Einarbeitung
Der Aufwand zum Erlernen der Software, wie auch der kontinuierliche Fortschritt und das Lernerlebnis bei der Einarbeitung, ist sehr individuell. Die Vicon Software ist entwickelt, um die zentralen Themen einfach zu halten, um schnell zu
wichtigen Ergebnissen zu kommen: das System aufsetzen, Objekte definieren, starten des Trackings sind meist eine
Frage von Minuten, da das User Interface nach einem Arbeitsablauf organisiert ist. Die zentralen Schritte sind:
•
Einrichten des Systems. Beim Aufstarten der Sofware wird die gesamte verbundene Hardware automatisch eingebunden und eine Baumstruktur ermöglicht hierarchisch die Systemparamter festzulegen. Einmal erledigt, werden
die Einstellungen gespeichtert und sind in Zukunft direkt verfügbar.
•
Kalibration der Kameras. Alle passiven
optischen Systeme verlangen eine Kalibration
der Kameras, wenn deren Ort verändert wurde.
Typischerweise wird dieser Vorgang mit einem
Kalibrationsobjekt durchgeführt, auf dem Marker
an definierten Positionen angebracht sind. Als
einziger Anbieter verwendet Vicon aktive Marker.
Dies, da passive Marker oft ihre Reflektionseigenschaft verlieren durch häufigen Gebrauch und so
die Kalibraionsgenauigkeit beeinträchtigt wird. Um
die Qualität der Kalibration zu gewährleisten, umgeht Vicon das Problem mit 5 aktiven Markern, wo
andere Produkte 2 oder 3 passive Marker einsetzen.
•
Definition der Objekte. Der Vorgang zur
Festlegung von Objekten ist je nach Software
Figur 5: Das Vicon Kalibrationsobjekt
sehr unterschiedlich, auch ist oft deren maximale
Anzahl beschränkt. Wiederum ist bei Vicon der Vorgang sehr einfach gehalten: 1 - Benennung des Objektes, 2 - Die
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Marker identifizieren, die zum entsprechenden Objekt gehören. Oder anders formuliert, nachdem alle Objekte mit
Markern versehen sind, braucht man sie noch zu benennen und sie in der Software auszuwählen. Ist nur ein Objekt
im Messbereich, ist es noch einfacher: man wählt alle Marker an und kann gleich mit der Messung beginnen, ein
Vorgang von ein paar Sekunden. Andere Softwareprodukte verlangen eine ganz andere Vorgehensweise, da sie für
verschiedene Einsatzbereiche eingesetzt werden, einige «lernen» sogar die Objekte selbständig zu erkennen. Was
als cleveres Konzept erscheint, ist aber in der Schnelligkeit und Einfachheit dem Konzept von Vicon klar unterlegen.
Vicon ist mit der Möglichkeit, jede Markeranordnung eines Objektes zu erkennen hochflexibel.
•
Datenerfassung: Da die meisten Programme die Objekte in Echtzeit erfassen, ist eine Aufzeichnung nicht zwingend notwendig. Vicon Tracker bietet die Möglichkeit, die Daten aufzuzeichnen um sie dann zeitecht zu einer weiteren Software zu streamen. Dies vereinfacht die Entwicklung von Software zur weiteren Datenverarbeitung signifikant,
da man ohne Messaufbau entwickeln kann.
Tracker im Alltag
Bei der Entwicklung war eines der Ziele, mit der Software ein «starten und vergessen» zu ermöglichen, und sie so für
Tage oder Wochen messen zu lassen. Solange die Kameras nicht bewegt werden oder die Marker auf den Objekten verändert werden, ist kein Eingriff in die Software notwendig, so dass die 3D-Positionen und -Orientierungen kontinuierlich
gestreamt werden können. Und, sollte eine Änderung stattgefunden haben, kann diese mit ein paar Mausklicks korrigiert
werden. Hunderte Kunden schätzen genau diese Stärken von Vicon Tracker im täglichen Gebrauch, die damit andere
Produkte hinter sich lässt.
Das Interface zu anderen Softwarepaketen
Das Streamen der 3D Daten von irgend einer Anzahl Objekte wird vom Tracker Streaming Interface erledigt. Damit ist es
möglich, individuelle Softwarelösungen zu entwickeln. Direkt unterstützt werden MatLab, LabView, einige Programmiersprachen (wie C++, .NET, Python), oder populäre Middleware Interfacepakete wie VRPN, das die Daten dann direkt in
populäre Engineering Software weiterleitet wie VirTools, WoldWiz, Panda3D und VRJuggler.
Genauigkeit und niedrige Latenzzeit
Die 3D Genauigkeit eines Motion Capture Systems hängt von vielen Faktoren ab, unter anderem auch der Auflösung der
Kamera, der Datenverarbeitung in der Kamera, der Anzahl und der Position der Kameras oder der in der Software verwendeten Algorithmen. Vicon ist seit jeher dank der konsequenten Weiterentwicklung alles Komponenten der Marktführer,
was durch verschiedene Vergleiche von anderen Lösungen bestätigt wurde.
Vicon hat zudem eigens für den Engineering Markt weitere Innovationen einfliessen lassen. Da die relativen Abstände
der Marker auf einem Objekt fest sind, wird durch diese zusätzliche Information eine deutlich höhere Genauigkeit der
Messung erreicht, als nur durch die Messung der Positionen einzelner Marker. Das geht so weit, dass nur mit Vicon ein
Objekt verfolgt werden kann, auch wenn es nur mit einer Kamera erfasst wird, was mit der Verfolgung einzelner Marker
unmöglich ist. Werden die Marker einzeln verfolgt, müssen die Positionen mit einer soganannten Trinagulation berechnet
werden, was nur geht, wenn diese mit mindestens zwei Kameras erfasst werden. Der praktische Vorteil ist damit klar,
dass die Objekte auch am Rand des Messvolumens erfasst werden können, oder wenn sie verdeckt sind ausser für eine
Kamera.
Da Windows kein Echtzeitsystem ist, kann die Latenzzeit für die Daten nicht garantiert werden. Sie sich aber in der Praxis
zeigt, ist diese normalerweise unter 8 ms für die meisten Anwendungen.
Zusammenfassung: Aspekte zur Software
•
Wie viel Zeit will ich zum Erlernen und täglichen Gebrauch der Software einsetzen? Der Arbeitsablauf von Vicon Tracker ist optimiert für Engineering Anwendungen and minimiert den Aufwand für das Erlernen und die tägliche Arbeit
konsequent.
•
Welche Messgenauigkeit und Latenzzeit sind für mich relevant? Vicon Tracker ist optimiert für den Einsatz von Objekten.
•
Wozu sollen die gemessenen Daten verwendet werden? Vicon bietet eine Schnittstelle zu vielen Softwarepaketen,
und das SDK zur Entwicklung des Datenstreamings ist einfach einzusetzen.
Zum Schluss
Vicon´s Erfahrung mit Engineering Anwendungen datiert zurück bis in die 90er
Jahre, wo die ersten Kunden die Vision hatten, mit dieser Technologie primär
in medizintechnischen Anwendungen ihre Ideen mit Daten zu erhärten. Seit damals hat Vicon auch den Schritt zu
Engineering Anwendungen gemacht, so dass heute viele führende Firmen und Universitäten Vicon Benützer sind.
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Vicon für Engineering Anwendungen
•
Vicon versteht die Anwendungen der Kunden und was die Voraussetzungen für einen erfolgreichen Einsatz sind.
Unser Verkaufs- und Serviceteam kennt die Technologie und kann Sie mit ihren Erfahrungen unterstützen, eine optimale Lösung zu finden.
•
Vicon ist der Marktführer für die optische Datenerfassung, mit der dazu gehörenden Unterstützung, Innovation und
der Erfahrung die notwendig ist. Viele Innovationen gehen auf Ideen von Vicon zurück, wie zum Beispiel die dynamische Kalibration, die automatische Markererkennung, Realtime Feedback, anspruchsvolle Bildverarbeitungssoftware in den Kameras und marktspezifische Software je nach Anwendung. Die Innovation geht weiter, was unseren
Kunden Vertrauen schenkt, mit Vicon auch zukünftige Anforderungen erfüllen zu können.
•
Die Vicon Produkte werden heute von hunderten Kunden im Engineering Bereich täglich eingesetzt, da sie eine
hohe Zuverlässigkeit bieten, ausgereift sind, breit getestet und in vielen Bereichen eingesetzt werden, wo die optische Bewegungserfassung zugezogen wird.
Lasse Roren / Juni 2015
Die prophysics AG ist spezialisiert auf die konzeptionelle Beratung in der Projektphase, die fachgerechte Installation, Schulung und
Optimierung von Systemen rund um die 2D- und 3D-Bewegunserfassung sowie der dazu passenden Messgrössen.
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