Entwicklung eines kamerabasierten Inside-Out Objekt-Tracking-Systems auf basis reflektiver Marker für VR-Brillen

Abstract

In dieser Arbeit wird untersucht, inwiefern es möglich ist, ein auf einer externen Stereokamera sowie reflektierenden Markersphären basierendes Inside-Out Objekt-Tracking mit sechs Freiheitsgraden auf Basis eines Unscented Kalman Filters zu entwickeln. Dieses soll es ermöglichen, reale Objekte in einer Virtual Reality-Anwendung zu verwenden. Das Tracking-System wird auf der Virtual Reality Brille montiert und ist somit mobil. Das System wird mithilfe realer Bewegungsdaten und simulierter Messdaten getestet und mit den Ergebnissen eines Systems verglichen, das die Pose eines Objektes aus den Messdaten deterministisch berechnet. Es kann nicht nachgewiesen werden, dass das auf dem Unscented Kalman Filter basierende System eine Verbesserung gegenüber dem deterministsichen System darstellt. Hinsichtlich der Bestimmung der Orientierung ist es sogar signifikant ungenauer. Zudem werden die Grenzen des Tracking-Systems bestimmt. So funktioniert es bei zunehmend ausladenden Bewegungen immer schlechter. Für minimale und statische Bewegungen, bei denen sich die Virtual Reality Brille kaum bewegt, ist das Verfahren hinsichtlich der Positionsschätzung ausreichend genau. Für komplexere Bewegungen wird die Abweichung zu groß und ist damit für die Praxis nicht einsetzbar. Die Orientierungsschätzung ist in beiden Fällen zu groß, um das System in der Praxis zu verwenden. Es kann gezeigt werden, dass die geringe Genauigkeit dem Versuch geschuldet ist, einen universellen Unscented Kalman Filter zu entwickeln, der manövrierende Objekte tracken kann, die sich durch eine Kombination verschiedener dynamischer Systeme auszeichnen. Es wird vorgeschlagen, diese Komplexität und Vielfältigkeit des zu trackenden Systems in Zukunft zu berücksichtigen, um die Genauigkeit zu verbessern.

In this thesis, I investigate the feasibility of developing an inside-out object tracking system with six degrees of freedom based on an external stereo camera and reflective marker spheres using an Unscented Kalman filter. This will enable real objects to be used in a virtual reality application. The tracking system is mounted on the virtual reality headset and is therefore mobile. The system is tested using real motion data and simulated measurement data and compared to the results of a system that deterministically calculates the pose of an object from the measurement data. It can not be shown that the system based on the Unscented Kalman Filter is an improvement over the deterministic system. With respect to the determination of the orientation, it is even significantly less accurate. In addition, the limitations of the tracking system are determined. Thus, it works worse for increasingly sweeping motions. For minimal and static movements, where the virtual reality headset hardly moves, the method is sufficiently accurate in terms of position estimation. For more complex movements, the deviation becomes too large and is thus not applicable for practical use. In both cases, the orientation estimation is too large to use the system in practice. It is shown that the low accuracy is due to the attempt to develop a universal Unscented Kalman Filter that can track maneuvering objects characterized by a combination of di erent dynamical systems. It is suggested that this complexity and diversity of the system being tracked be taken into account in the future to improve accuracy.