A Generalized Architecture for Hybrid Tracking Including Inertial Sensor Technology

Daniela Lauer, Leibniz Universität Hannover, Masterarbeit
07/2008

Tracking, als eines der wichtigsten Bestandteile der Realisierung von Augmented-Reality-Anwendungen, sorgt für die ortsspezifische Verknüpfung der Realität und der virtuellen Darstellung. Die anwendungsabhängigen Anforderungen an das Tracking können meist nicht durch bereits vorhandene Systeme oder Prototypen abgedeckt werden. Um positive Eigenschaften zu kombinieren und Mängel auszugleichen empfiehlt sich der Einsatz eines hybriden Trackingsystems, also die Fusion von Sensordaten. Um diese auf einfachem Wege zu ermöglichen werden im Rahmen dieser Arbeit Konzepte für flexible und sensorunabhängige Datenfusion aus anderen Fachgebieten auf die Anforderungen von Augmented-Reality-Anwendungen übertragen, um eine von der mathematischen Methode unabhängige Architektur und eine Kalman-Filter-Fusionsanwendung für den Augmented-Reality-Kontext zu gewinnen.

In die Struktur der vorgestellten Schnittstelle fließen außerdem Konzepte aus der Theorie der Datenfusion und verallgemeinerter Software im Tracking-Bereich ein. Zur Realisierung von Sensorvariabilität und einer schnellen Einbindung in Augmented-Reality-Anwendungen wurde eine Integration der Architektur in die Software OpenTracker bereits konzeptionell vorgesehen und im Rahmen der Kalman-Filter-Implementierung umgesetzt.

Die vorgestellte Software ermöglicht die Fusion von Positions-, Geschwindigkeits- beziehungweise Beschleunigungsdaten im Rahmen verschiedener Kalman-Filter-Architekturen als Knoten. Dieser kann flexibel in den OpenTracker-Flussgraphen eingebunden und so zu beliebigen Fusionsnetzwerken zusammengesetzt werden. Die Konfiguration erfolgt anhand einer XML-Spezifikation, die auch die Integration eigener Anwendungen und die Möglichkeit des verteilten Trackings einbezieht.

Anhand synthetischer Daten wird die Verbesserung durch die Fusion der Messdaten verschiedener Quellen mit der Umsetzung demonstriert und der Erfolg des Einsatzes von Inertialsensoren in Kombination mit markerbasierten beziehungsweise markerlosem Tracking gezeigt. Außerdem werden die verschiedenen Systemmodelle für die Kalman-Filterung erläutert, anhand derer eine anwendungsabhängige Konfiguration der Datenfusion möglich ist.

Die vorgelegte Arbeit enthält außerdem eine umfangreiche theoretische Betrachtung der Kalman-Filterung, insbesondere auch eine Einführung in die verschiedenen Möglichkeiten der Sensordatenfusion mit dem Filter. Weiterhin werden andere mathematische Verfahren zur Fusion von Daten für das Single-Target-Tracking vorgestellt.

Für eine zukünftige Erweiterung der Implementation eröffnet das vorgeschlagene Konzept eine Vielzahl zusätzlicher Umsetzungsmöglichkeiten. Die vorgestellte Architektur bietet eine gute Grundlage für die Umsetzung beliebiger Sensordatenfusionssysteme im Augmented-Reality-Bereich. Die implementierte Kalman-Filter-Fusions-Anwendung ermöglicht eine Verbesserung von Trackingverfahren durch Sensordatenfusion und kann als Basis für zahlreiche Erweiterungen im Hinblick auf die unterschiedlichsten Anwendungen dienen.

Kontakt: Dennis Allerkamp