SE510810C2 - Rörelseanalyssystem - Google Patents

Description

Un 10 20 lx) UI 30 510 810 2 objektet som ska analyseras. Varje markör har ett högt riktande reflekterande organ på en yta därpå, vilket reflekterar ljus som har en särskild våglängd. En färg-TV-karnera mottar ljus reflekterade fiån markörerna och producerar en fárgbild. En färgextraktionsenhet, som kommunicerar med TV- särskild färg från färgbilden. Ett ornrådesberäkningsenhet förbunden med extraktionsenheten beräknar området för den särskilda färg kameran, används for att extrahera endast en extraherad av fargextralctionsenheten. En tyngdpunktsberäkníngsenhet beräknar läget av tyngdpunkten av den speciella färgen med avseende på området beräknat av områdesberälcriingsenheten.

KORTFATTAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Det är ett ändamål med föreliggande uppfinning att tillhandahålla ett system som löser ovan problem för att spåra markörer i realtid på ett kostnadseffektivt sätt. Ändamålet uppnås genom att att varje svarssignal har åtminstone ett första och ett andra tillstånd, och att systemet dessutom innefattar medel för att detektera positionen for svarssignaler i varj e bild av bildsekvenser, vilka svarssignaler registrerade i ett antal bilder utgör tillsammans en sekvenskod for identifiering av markören.

Uppfinningen hänför sig även till en spårbar markör, som kännetecknas av att markören består av ett detektororgan för att detektera en utlösningssignal, styrenhet för att generera en svarssignal for utlösningssígnalen och organ för att stråla svarssignalen.

Dessutom avser uppfinningen en metod för att spåra en markör med en unik identitet, i ett rörelseanalys- och/eller spårningssystem omfattande åtminstone en kameraenhet, medel för att generera synkronisering och/eller utlösningssiganler och organ för bearbetande av svarssiganler.

Metoden innefattar stegen: att generera en eller flera utlösningssignaler, att detektera utlösningssígnalen medelst en eller flera markörer, att generera en svarssignal medelst markörer, enligt instruktioner lagrade i varje markör, att detektera svarssignalen medelst kameraenheten, att generera en sekvens av bilder innefattande svarssigialer från varje markör, varvid svarssignalerna utgör en sekvensiell kod, och att använda den sekventiella koden för att identifiera varje markör. 10 15 20 25 510 810 3 Andra fördelaktiga utföringsexempel kännetecknas av underkraven.

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

Fig. 2 visar schematiskt ett utförande av en markör, enligt föreliggande uppfinning.

F ig. 3 är en vy ovanifrån, som schematiskt visar markören enligt fig. 2.

Fig. 4 är ett tvärsnitt genom markören illustrerad i fig. 3 längs linjen IV-IV.

F ig. 5 visar schematiskt ett tidsdiagrarn för markörspårning enligt uppfinningen.

GRUNDLÄGGANDE TEORI Ett analogt system använder huvudsakligen en konventionell videosignal från en kamera som en insignal. Medelst sagda signal beräknas X- och Y-koordinatema för markören, som skiljer sig från omgivningarna genom ljusintensitet. Målet är att mäta en markörrörelse så noggrant som möjligt, d.v.s. onoggrannheten, som är ett resultat av videosignalen bestående av en uppsättning ändliga antal punkter minimeras.

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 kan början och slutet av en markörsektion på en linje bestämmas. Markörens bild på en linje kallas ett segment. Tiden uppmättes delvis från början av linjen till början av segmentet (XS) och delvis från början av linjen till slutet av segmentet (Xe). Medelvärdet av dessa två perioder är ett mått för positionen av ett segment i utrymmet, i horisontell riktning (om linjerna är horisontella) medan serienumret (S) för linjen är ett mått för läget av segmentet i den vertikala riktningen. Längden I av segrnenten är då X,- X X- och Y-koordinatema för markören, Xm respektive Ym, erhålles genom formlema l och 2: S.

X (Xe-Xs) . (Xe+Xs) 2 X =:-:----- 1 m ZÛYfXs) ( ) 10 15 510 810 Y =E((Xe_Xg) ' S) (2) m 2 (X e 'Xs) Tecknet 2 indikerar att summeringen utföres över alla segmenten som är en del av markörbilden.

Ovanstående är lämplig för en analog signal. Liknande beräkningar kan utföras om bildpunkter fiån en digital detektor överförs till en annan ordning än linjär. Där beräknas mittpunkterna för alla bildelement som är en del av samma markör. Först kan bildelementet översättas till linjer och sedan kan beräkning utföras, enligt det analoga fallet.

Tidpunkterna XS och X: kan mätas med en elektronisk räknaranordning ansluten till en oscillator.

Räknaren startar i början av linjen och avläses när början och slutet av ett segment nås. Ett problem är att oscillatorfrekvensen, på grund tekniska eller ekonomiska orsaker begränsad. I det digitaliserade fallet kan problemet vara att bildelementet inte kan vara så små som erfordras.

För att övervinna detta problem i det analoga fallet är en komparator anordnad, vilken starter en integrator, vilken genererar en linjär potentialramp, som starter från en potential Va till Vb vid tiden X5. Rampen samplas sedan och mäts när rälcnaren slår om mellan två värden. Punkten när rampen passerar ett förutbestämt tröskelvärde används för att definiera tiden Xss. Skillnaden mellan XS och XSS är en konstant och den bestäms av integratom och fördröjningarna i komparatom. Tiden Xss beräknas med lätthet från de uppmätta punktema på potentialrampen vid tiden för omslag av räknaren förutsatt att åtminstone två punkter på rampen är uppmätta. Om till exempel två värden uppmäts, V] vid t] och V2 vid t,¿ och V0 är mellan V1 och V2, interpoleras Xss via formel 3: 510 810 + (Iz “Illa/Û "V0 (3) Vz-Vl Tiden X, uppmäts på samma sätt. I detta utförande används en linjär ramp, eftersom beräkningarna blir enklare, emellertid kan andra kurvor användas.

I ett föredraget utförande beräknas mittpunkten x°, y' av markören genom formlerna (4) och (5): /_ 20:19 21,? (4) I ___n__ 21k 5 där 1,, är längden av segmentet k (d.v.s., Xck-Xsk), S är serienumret av bildelementet, och ik är centrum av segmenten k.

DETALJERAD BESKRIVNING AV ETT UTFÖRANDE 10 Ett enkelt schematiskt system enligt föreliggande uppfinning visas i ñg. 1. Systemet omfattar åtminstone en kamera 10 riktad mot ett objekt, i detta fall en människokropp 12, som ska analyseras och åtminstone en markör 11 fast vid objekt 12.

Kameran 10 kan vara ansluten till en datorenhet 13 för ytterligare bearbetning av signaler mottagna 15 från kameran 10. Kameran är även utrustad med en eller flera ljuskällor 14, såsom en blixt eller strålkastare. Ljuskällan kan även anordnas någon annanstans i rummet, företrädesvis ansluten till kameran 10. 10 15 510 810 6 l det följande kommer hänvisningar att göras till ett utförande som opererar i lR-orriråde, d.v.s. kameran “ser” kroppar som utsänder infraröd strålning.

Ett exempel på en huvudsakligen halvsfärisk markör ll visas i tig. 2 - 4. Markören 11 består huvudsakligen av ett bärande substrat 16 och ett halvsfariskt transparent hölje 17. l insidan av hölj et är flera ljusemitterande organ 18, såsom lysdioder (LED), företrädesvis lR-LED anordnade i en halvsfärisk konfiguration. Markören 11 är även försedd med en ljusdetektor 19 på en väsentligen centralplats. Det bärande substratet 16, vilka är ett kretskort av ett lämpligt material, är försedd med ledare (inte visade), som förbinder lysdiodema 18, en styrenhet 20 och en kraftkälla (inte visad) genom en kabel 21.

I motsatt till kända rörelseanalyssystem är markören 1 1 inte anordnad att reflektera ljuset utsänt från yttre ljuskällor, utan den är anordnad att själv utsända ljus, enligt följande procedur.

Markören ll är anordnad att detektera en inkommande utlösningssignal, i detta fall en ljussignal företrädesvis i en speciell våglängd, vilken upptäcks av detektom 19. Upptäckten av utlösningssignalen indikeras sedan till styrenheten 20 via en intern signal. Styrenheten 20, som i dess enklaste forrn består av en lo gikenhet 22 och en drivlqets 23 för att driva diodema 18 genererar en svarssignal. Logikenheten 22 kan innehålla ett unikt identitetsnumrner för varje markör. Den kan även innehålla en uppsättning av instruktioner för att driva diodema. Självfallet kan detektom 19 och styrenheten 20 integreras i markören 1 1.

Fig. 5 visar schematiskt tidsdiagrarnrnet för signalerna. Ljuskällan 14, som kontrolleras av karneraenheten 10 mottar periodiskt en signal A från karneraenheten eller annat styrenhet för att utsända en utlösningssigrial i form av första och andra blixtsalvor 24 respektive 25, innehållande ett antal blixtar. Den första salvan 24, som företrädesvis varar längre än den andra salvan 25 används för att synkronisera markörema och andra kameroma, om så behövs. Den andra, väsentligen kortare salvan 25 används som en utlösningssignal, som huvudsakligen triggar alla markörema samtidigt.

Varje blixt visas som en signal topp på diagram B. Företrädesvis är under varje blixt bländaren av karneran(oma) stängd(a), så att ljusblixten från ljuskälla(or) 14 inte kan upptäckas som ett utstrålat ljus fi-ån markörema _ Efter en förutbestämd fördröjningstid t, efter en salva 24, 25, producerar varje 10 15 20 25 30 510 810 7 markör en svarssigrral, väsentligen samtidigt, i form av en blixt (ljusutstrålrring), om vissa kriterier är uppfyllda. Kamerorna och markörema är synkroniserade, såsom illustreras i diagram C och D, där C visar kameraexponeringstiden (toppar) och D visar svarssignalen (blixt) från markörema. I diagram C omfattar en period f en så kallad bildram. I diagram D motsvarar varje svarssignal en bit där biten 1 är den första biten efter synkroniseringssalvan 24.

Svarsblixten från varje markör baseras på instruktionerna lagrade i logikenheten 22, i vilka även ett unikt identitetsnummer för varje markör är lagrad. En markör är “tyst”, om ingen svarssignal utsänds. Mönstret som markören använder för att generera en svarssignal kallas sekvenskod. För enkelhet används 1 och 0 för att beskriva sekvenskoden för varje bild kameran tar. 1 betyder att markör har reagerad (blixtrad) i en bild och 0 betyder att den inte har. Till exempel l l 10 betyder att markören har blinkat tre gånger och har varit tyst en gång.

Varje 1 eller 0 i sekvenskoden kommer att kallas kodbit och varje 1 for en markörpuls (en svarssignal) och varje nolla for ingen puls. Längden av en kod är antalet kodbitar i en kod och dataforlust för en viss kod definieras som antalet pulser som misslyckas att framträda delad med kodlängden. Pariteten för koden är jämn om antalet icke framträdande pulser i koden ärjärnnt och udda om detsamma är udda. En koduppsättning är en uppsättning som har samma längd, som kan användas utan förväxling, t.ex. 10111 och 10011.

För att öka tillförlitligheten kan två metoder kombineras, d.v.s. paritetskontroll och noll-kappsling.

Noll-kappsling betyder att det inte tillåts att ha två icke framträdande pulser i en rad. Detta ger två fördelar, d.v.s. spåmingstillförlitligheten kommer att öka och att en markör som är dold for stunden, inte kommer att blandas med en markör som sänder en kod, d.v.s. om den inte döljs bara i en bild.

Olika grader av kappsling kan förekomma, till exempel grad 1 betyder att åtminstone en markörpuls mäste erhållas mellan varje icke förekommande markörpuls eller grad 2 betyder att åtminstone två markörpulser måste erhållas mellan varje icke förekommande markörpuls o s v. Om grad 3 används, är 11011101 tillåten kod men inte 1101101.

Paritetskontroll ökar tillförlitligheten om koder som har samma paritet används i stället för att lägga till en paritetsbit, vilket är ett konventionellt sätt. 10 15 20 30 510 810 8 Vid generering av koduppsättningar, är det föredraget att ha en kort kodlängd och den totala dataförlusten bör vara så litet som möjlig. Dessutom bör alla koder i uppsättningen ha samma paritet.

Med kunskap om antalet markörer som används i en viss applikation, graden av nollkappsling och maximal dataförlustsgrad genereras en koduppsättning. I början är kodlängden satt till ett minimum, t.ex. 1 . Baserad på behoven och ovan data beräknas pariteten och koduppsättningen. Även den totala dataförlusten kan beräknas. När en tillräcklig kodstorlek är genererad betsännnes koderna i uppsättningen.

En räknare i logikenheten av markören räknar läget för varje bit identitetens binära kod och en svarssignal genereras om den binära koden för identitesnumret av markören är 1 (alternativt O).

Varje kamera 10 registrerar de två eller tredimensionella positionerna av markören sedan sorteras data från ram till ram enligt spårningsproceduren för varje markörspår. För varje spår avläses närvaron av koordinater. Närvaron av en koordinat för ett spår anges genom avläsning av en l (altemativt 0) i sekvenskoden.

För att eliminera felen provas sekvenskoden enligt följande princip tillämpad på sekvenskoden: * endast en nolla (0) [eller etta (1)] i serie, * udda antal nollor (eller ettor), * val av kod för en viss grad av dataförlust (procenttal av antalet nollor eller ettor).

Om resultatet godkänns, är en markör identifierad.

Koden kan naturligtvis kompletteras genom flera kriterier av olika slag. Detta sätt gör det möjligt att detektera en gömd markör i en eller flera ramar eftersom spårningsbiten kommer att saknas om markören är gömd.

Markörema kan förses med laddbara batterier, varvid ändring av identitetsnumret för varje markör är möjligt från applikation till applikation vid laddning av batteriema. 10 15 25 510 810 9 Enligt föreliggande utförande är kameran 10 utrustad med en CCD detektor. Kameran 10 innefattar optiska element såsom linser och annat fokuseringsorgan (inte visade) för att projicera bilden 16 av en marköranordning ll på en CCD enhet. Ytan av CCD-enheten avsöks sedan och bildsignalema omfattande pixelinformation omvandlas till en lämplig videosignal medelst en omvandlingsenhet, vilken kan vara integrerad i CCD-enheten. Videosigrialen som representerar bildlinjema sändes sedan seriella eller parallella till en bearbetningsenhet. Bearbetningsenheten digitaliserar den mottagna videosignalen, till exempel används en A/D-omvandlare. Denna signal kan även digitaliseras i enhet. Bearbetningsenheten kan kommunicera med en minnesenhet, inte visad, innehållande en uppsättning av instruktioner för att kontrollera bearbetningsenheten.

Med hänsyn till “Grundläggande Teori", härovan, kan bildelementen anordnas i linjer medelst ett lågpassfllter for att leverera en delvis kontinuerlig signal, vilken kan bearbetas som den analoga signalen. Emellertid mätes i det föredragna utföringsexemplet varje bildelement individuellt och från det uppmätta värdet interpoleras ett värde, som bestämmer när en tröskel T passeras, i analogi med Grundläggande Teori. I detta fall är integratorn och komparatom eliminerade.

Den digitaliserade signalen sändes sedan över till en komparatorenhet, som interpolerar individuellt samplade värden omlqing det förutbestämda tröskelvärdet, även kallat videonivån, vilken kan erhållas från en minnesenhet. Som beskrevs ovan, är ändamålet att bestämma när amplituden för signalen passerar tröskelvärdet T. Varje passage representerar en stai1~ och stopp-koordinat av varje segment med en hög upplösning, vilket kan vara omkring 30 x antal bildpunkter på en rad. I en beräkningsenhet utföres följande beräkning: T- V1 Vz-Vl Xhögupplösning = bildpunkrsnr. + (6) Där V] och V2 är signalnivåema för föregående respektive efterföljande bildpunkter, mottagna från komparatorenheten.

Sedan kan lk:er lagras i minnesenheten för ytterligare beräkningar. Området A av bilden kan t.ex. 10 15 510 810 10 beräknas genom att använda formel för området: A= Elk. För en cirkulär markör är det möjligt att beräkna radien genom att använda A= rzrt, vilken ger formel (7): Elk TI (7), f: vilken kan beräknas i beräkningsenheten.

Resultatet överföres sedan till en anpassningskrets för vidare transmission till datorenheten 13, i vilken de beräknade värdena, x och r, kan användas för att visa positionen av markören på en skärm för simulering, ositionerin och andra tilläm ninflar. e P å P e Det är även möjligt att bestämma den tredimensionella positionen av markören genom att använda ovan parametrar, vilka inte kommer att beskrivas närmare här. Även om vi har beskrivit och illustrerat ett föredraget utförande är uppfinningen inte begränsad till nämnda utförande, utan variationer och modifieringar kan förekomma inom ramen for de bifogade patentkraven.

Systemet kan, till exempel använda andra signaleringsarrangemang, såsom radiosignaler, laserstrålar eller liknande. Systemet kan även använda flera typer av ljus som har olika våglängder. Markören kan bestå av en elektrisk lampa eller lilmande. Både kanieran och ljuskällan kan kommunicera med en styrenhet, som fjärrstyr funktionen hos sagda delar.

Dessutom kan formen av markören variera beroende av applikationsområde, till exempel kan den utformas som en trapetsoid, kub, cirkulär eller liknande.

Markörenheten kan även innefatta alla delar, d.v.s. krafikälla och den styrenheten. I fall av radiosignaler kan en passiv signaleringsarrangemang användas, vilket omvandlar den elektromagnetiska signalen till elektrisk spänning. Dessutom kan formen av markören ändras for att anpassa applikationen. 510 810 11 Identiteten av markören kan ändras genom att modulera identitetskod i blíxtsalvan.

Systemet kan även användas i flera andra applikationer än rörelsanalys av en kropp, såsom en spårningsanordning, robotsystem osv., välkända för en fackman. 10 510 810 HÄNVISNINGSBETECKNINGAR Kameraenhet Markör Föremål Dator Lj uskälla Markör Bäxande substrat Hölj e Lysdiod Detektorenhet Styrenhet Kabel Logikenhet Drivníngskrets Lång salva Kort salva

Claims (16)

10 15 20 30 510 810 13 PATENTKRAV

1. Rörelseanalys- och/eller spåmingssystem omfattande åtminstone en karneraenhet (10) och åtminstone en spårbar markör (l 1), vilken irmefattar organ för generering av en svarssignal med avseende på en utlösningssignal (25), karneraenheten innefattar en utstrålningsdetekteringsenhet (19) och är anordnad att generera en sekvens av bilder huvudsakligen vid varje svarssignal, varje bild registrerande närvaro eller frånvaro av en svarssignal, kännetecknar av, att varje svarssignal har åtminstone ett första och ett andra tillstånd, och att systemet dessutom innefattar medel fór att detektera positionen för svarssignaler i varje bild av bildsekvenser, vilka svarssignaler registrerade i ett antal bilder utgör tillsammans en sekvenskod för identifiering av markören.

2. System enligt patentkrav 1, kännetecknar av, att markörerna (1 1) är anordnade att triggas samtidigt..

3. System enligt patentkrav l, kännetecknar av, att varje markör genererar ett unikt mönster av svarssignaler.

4. System enligt patentkrav 3, kännetecknar av, att generering av svarssignaler upprepas efier en synkroniseringssignal (24).

5. System enligt något av patentkraven 1-4, kännetecknar av, att utlösningssignalen (24) är en ljusblixt alstrad av åtminstone en ljuskälla (14) i enlighet med en signal från en styrenhet.

6. System enligt något av patentkraven 1-5, 10 20 25 30 510 810 14 kännetecknar av, att detekteringsorganet ( 19) består av en ljusdetektor.

7. System enligt något av patentlcraven 1-6, kännetecknar av, att sagda organ (18) för utstrålande av svarssignalen består av en lysdiod.

8. System enligt något av patentkraven 1 - 7, kännetecknar av, att sagda system opererar inom en infraröd region.

9. System enligt något av patentkraven 1 - 4, kännetecknar av, att utlösningssignalen och svarssignalen är elektromagnetiska vågor.

10. Spårbar markörenhet (1 1) avsedd for ett rörelseanalys- och/eller spåmingssystem omfattande åtminstone en karneraenhet (10), kännetecknad av, att markörenheten (1 1) innefattar detektororgan (19) for att detektera en utlösningssignal, styrenhet (20) for att generera en svarssignal for utlösningssignalen och organ (18) for att utstråla svarssignalen.

11. Spårbar markörenhet (1 1) enligt patentkrav 10, kännerecknad av, att markören är väsentligen sfarisk eller halvsfarisk.

12. En metod for att spåra en markörenhet (1 1) med en unik identitet, i ett rörelseanalys- och/eller sp årningssystem omfattande åtminstone en karneraenhet (10), medel for att generera synkronisering och/eller utlösningssiganler och organ for bearbetande av svarssiganler, kännetecknad av, att metoden innefattar stegen: 10 15 20 25 510 810 15 - att generera en eller flera utlösningssignaler, - att detektera utlösningssignalen medelst en eller flera markörer, - att generera en svarssignal medelst markörer, enligt instruktioner lagrade i varje markör, - att detektera svarssignalen medelst karneraenheten, - att generera en sekvens av bilder innefattande svarssignaler från varje markör, varvid svarssignalema utgör en sekvensiell kod, och - att använda den sekventiella koden för att identifiera varje markör.

13. Metod enligt patentkrav 12, kännetecknad av, att spårningsdatan for varje markör anger en koordinat för markören.

14. Metod enligt patentkrav 13, lcännetecknad av, att varje koordinat motsvaras av en etta alternativt en nolla i en sekvenskod.

15. , Metod enligt patentkrav 14, kännetecknad av, att sekvenskoden prövas enligt följande princip, tillämpad på sekvenskoden: - endast en nolla (0) eller etta (1) i serie, - udda antal nollor eller ettor, och - val av kod för en viss grad av dataiörlust (procenttal av antal nollor eller ettor).

16. Metod enligt något av patentkraven 13 till 15, kännetecknad av, att alla markörer reagera väsentligen samtidigt.