Fragen und Antworten

Was ist Bewegungsanalyse?
Was ist WINanalyze?
Was ist der WINanalyze Player?
Was ist Subpixelgenauigkeit?
Wie funktioniert 3D Bewegungsanalyse?
Welche Tracking Methoden verwendet WINanalyze?
Was ist automatische Objektverfolgung?
Was ist ein Objekt- oder Körpermodell?


Bewegungsanalyse

Die Bewegungsanalyse beschreibt Bewegungen von Körpern (z. B. Mensch oder Maschine)anhand von kinematischen Parametern wie Weg/Zeit-Verlauf, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen.

Die Körperbewegung wird dabei nicht ganzheitlich erfasst, sondern nur die Bewegung von einzelnen ausgewählten Teilbereichen der Körper. So werden in der Biomechanik Gelenkbewegungen beschrieben, während bei Maschinen die Bewegung einzelner Maschinenteile erfasst wird.

Grundsätzlich lassen sich zwei unterschiedliche Methoden unterscheiden:

  • Online Systeme
  • Offline oder videobasierende Systeme

Online Systeme

Hier werden aktive oder passive Marker am Körper angebracht und die jeweilige Position der Marker wird gespeichert. Die passiven Marker werden von Strahlungsquellen (Infrarot, Ultraschall) aktiviert und die Strahlen werden auf einen Detektor zurückgeworfen. Die aktiven Marker strahlen den Detektor selbständig an.

Der Detektor (Kamera) registriert nur die Position (durch den Strahl) jedes einzelnen Markers und speichert die x,y-Koordinate ab; es werden keine Bilder abgespeichert. Daraus lassen sich durch mathematische Weiterbearbeitung alle kinematischen Parameter der Bewegung errechnen und darstellen.

Die Beschreibung der Bewegung am PC erfolgt quasi sofort nach der realen Bewegung (online).

Offline oder videobasierende Systeme

Alle Systeme arbeiten mit Videobildern (Standard- oder Hochgeschwindigkeitskameras), die von der Bewegung aufgenommen werden. Diese Sequenzen werden digitalisiert und im PC gespeichert. Danach (offline) erfolgt die Auswertung anhand von Bildverarbeitungsverfahren. Meistens werden auch hier vor der Aufnahme Marker (an den Gelenkpunkten oder Maschinenteilen) angebracht, deren Bewegungen dann mit der Auswertesoftware berechnet werden.

WINanalyze gehört zu den offline Systemen. Es zeichnet sich vor allem durch hochentwickelte Bildverarbeitungsverfahren aus, die eine hohe Präzision und Flexibilität bei der Objektverfolgung ermöglichen.

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WINanalyze Vollversion

WINanalyze ist eine Video Bewegungsanalyse Software zur Analyse beliebiger Bewegungen in Videofilmen und gehört damit zu den Offline oder videobasierten Systemen. Es können markerbasiert oder auch markerlos aufgenommene Videos analysiert werden. WINanalyze kann unbegrenzt viele Objekte in Videos automatisch verfolgen, und die analysierten Ergebnisse in nahezu jeder gewünschten Art darstellen (x-y Graphen, Geschwindigkeiten, Beschleunigung, etc). Selbstverständlich wird der Import und Export zu und von den meistverbreitetsten Applikationen unterstützt (durch die Möglichkeit, ASCII Dateien im Comma Separated Value CSV Format zu erzeugen).

Die WINanalyze Tracking Software gibt es als:

  • WINanalyze2D-Lizenz zur Auswertung der „X“- und „Y“-Koordinaten in einem Video

oder

  • WINanalyze3D-Lizenz zur Auswertung der „X“-, „Y“- und „Z“-Koordinaten in bildsynchron aufgezeichneten Videos. Es können zwei bis max. 10 framesynchrone Videos verarbeitet werden.

WINanalyze ist als eine zeitlich begrenzte bzw. unlimitierte Single-User-License erhältlich. Sie kann jedoch auf jedem PC/Laptop im Institut/Abteilung installiert sein. Jedoch nur die Person, die den USB-Lizenz-Dongle hat, kann WINanalyze nutzen. Zur zeitgleichen Nutzung ist der Erwerb von Sublizenzen möglich.

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WINanalyze Player

Mit dem WINanalyze-Player kann man Video Dateien und vorher getrackte Objekte laden, so dass man sie darstellen und untersuchen kann. Alle Bewegungsanalyse Objektberechnungen, wie Geschwindigkeit und Beschleunigung, sind möglich. Das Setzen oder Tracken von Objekten ist natürlich nicht möglich (dazu braucht man schon eine Vollversion von WINanalyze).
Der WINanalyze Player ist sehr nützlich für Kunden, die ihre Analyseergebnisse an ihre Klienten weitergeben möchten – mit der Möglichkeit, die Daten selbst genau zu untersuchen.

Als kostenfreier Download steht der WINanalyze Player hier zur Verfügung. Der Player beinhaltet einige vorbereitete Beispiele einschließlich der verfolgten Objekte, damit man das Potential der WINanalyze Tracking Software erahnen kann:

  • Beispiel eines Videos zur Fußverfolgung
  • Beispiel einer Stereo 3D Sequenz mit voller Kalibrierung
  • Beispiel einer Genauigkeits-Testsequenz zum Testen und Vergleichen der Subpixel-Genauigkeit

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Subpixelgenauigkeit

Es besteht die Möglichkeit eine Objektbewegung in einer Videosequenz mit Subpixelgenauigkeit zu verfolgen. Das heißt die Bewegung kann auf Bruchteile eines Pixels genau (bis zu 0,01 Pixel) bestimmt werden, woraus genauere Analyseergebnisse resultieren. Subpixelberechnungen sind in diesem Sinne gleichbedeutend mit einer Erhöhung der Bildauflösung.

Wissenschaftlich fundierte Methoden der Bildverarbeitung werden eingesetzt um diese Subpixelgenauigkeit zu erreichen.

Die Bewegungsanalyse-Software WINanalyze bedient sich dabei einer kombinierten Methode, die sich aus Interpolation, Oversampling (Überabtastung) und einem Korrekturverfahren zusammensetzt und beim Prozess des Template-Matching (das Suchen eines übereinstimmenden Bildausschnitts) angewendet wird. Voraussetzung für diese Methode der Objektverfolgung ist, dass bei der Aufnahme der Videosequenz das Abtasttheorem eingehalten wurde.

Wissenschaftliche Veröffentlichungen zu diesem Thema finden Sie unter WINanalyze Publikationen.

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3D Bewegungsanalyse

Die Kenntnis der Koordinaten eines Objekts in mindestens zwei verschiedenen Bildsequenzen und Angaben über Position und innere Parameter aller verwendeten Kameras ermöglichen die Berechnung der realen Koordinaten der Objektbewegung.

Ziel der für diese Berechnung notwendigen Kalibrierung ist also die Herstellung einer Beziehung zwischen Kamerakoordinaten (2D in Pixel) und Weltkoordinaten (3D in mm). In WINanalyze wird die Kalibrierung mit Hilfe eines mathematischen Kameramodells und eines physikalischen Kalibriermodells (mit bekannten Werten der Weltkoordinaten) verwirklicht. Die in das Programm implementierte Kalibriermethode nach Tsai (1986) zeichnet sich durch eine hohe Genauigkeit der Kamerakalibrierung aus.

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Tracking Algorithmus

In WINanalyze kann man zum automatischen Tracken zwischen vier verschiedenen Algorithmen wählen:

  • SSD-Correlation (Sequential Similarity Detection)

Die SSD-Correlation ist der am meisten genutzte und schnellste Algorithmus. Er ist für jede Art von Objekt nutzbar.

  • Cross-Correlation

Die Cross-Correlation ist recht hilfreich bei Videoaufnahmen mit schwankenden Lichtverhältnissen.

  • Texture tracking

Das Texture Tracking ist praktisch bei der Verwendung von Tracking Markern.

  • Manual tracking

Beim Manual Tracking muss man in jedem einzelnen Bild des Videos mit der Maus auf jedes Objekt klicken, um so die Position zu speichern.
Dieser Algorithmus wird auch verwendet, um einen Referenzpunkt zu setzen. Man erhält damit einen absolut fixen Punkt ohne Pixel-Jitter.

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Automatische Objektverfolgung/Auswertung

Bei videobasierenden Systemen kann die Auswertung automatisch und manuell erfolgen.

Beim manuellen Auswerten muss der Anwender jeden einzelnen Marker/Objekte Bild für Bild mittels Mausklick auswerten (Position abspeichern).

Beim automatischen Auswerten muss der Anwender nur im ersten Bild die Objekte/Marker auswählen und danach detektiert die Software automatisch alle Positionen aller Marker/Objekte in der Sequenz. Der Anwender kann diesen Vorgang am Bildschirm beobachten und jederzeit interaktiv eingreifen.

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Objekt- oder auch Körpermodell

Nicht nur für das Gebiet der Biomechanik wurde die Bewegungsanalyse-Software um das Objekt-Modell – ein Körpermodell-Modul – erweitert.
Die Objektpunkte in WINanalyze werden dem Objektmodell zugeordnet. Dadurch werden recht schnell ganze Gruppen von Objektpunkten gesetzt. So können Kräfte, Momente und Körperschwerpunkte, die bei biomechanischen Bewegungen auftreten, berechnet werden.
So werden unter anderem z.Bsp. bei menschlichen Bewegungen vordefinierte Modelle nach Hanavan und Zatsiorsky verwendet. Außerdem können Körpermodelle auch vom Anwender definiert werden.

WINanalyze - Körpermodell

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