Optimale Brennweitenwahl Fur Die Multiokulare Objektverfolgung

Die Bereitstellung der bestmoglichen Eingabedaten (im Allgemeinen sind dies Bilder) fur Bildverarbeitungsverfahren im Rechnersehen ist die Motivation fur die Entwicklung so genannter aktiver Strategien. Durch den gezielten Eingriff in die Sensorkonfiguration nehmen aktive Strategien Einfluss auf die Qualitat und damit auch auf den Nutzen der erhaltenen Sensordaten. Diese Arbeit prasentiert einen Ansatz fur die aktive Wahl der Brennweite bei der dreidimensionalen Objektverfolgung mit mehreren Kameras. Das Ziel hierbei ist es, die Brennweiten der an der Objektverfolgung beteiligten Kameras dynamisch so einzustellen, dass das Objekt moglichst optimal verfolgt wird. Die Schwierigkeit dieser Aufgabe steckt im so genannten Brennweitendilemma der Objektverfolgung: Auf der einen Seite ware es gut, wenn die Brennweite gross ist, also an das Objekt nahe herangezoomt wird, da dadurch die Fahigkeit zur Objektlokalisierung zunimmt. Allerdings birgt dies den Nachteil, dass man auf Grund unvorhergesehener Bewegungen des Objekts dieses aus dem Blickfeld verliert und damit die Objektverfolgung scheitert. Auf der anderen Seite reduziert man, wegen des grosser werdenen Blickfelds, mit einer kleinen Brennweite die Gefahr eines Objektverlusts. Allerdings verliert man damit auch an Genauigkeit in der Lokalisierung, da das Objekt nicht mehr so gross und detailliert auf die Bildebene projiziert wird. Diese Arbeit zeigt einen Weg, wie dieses Dilemma aufgelost werden kann, und sie demonstriert in Experimenten wie sich die Qualitat der 3-D-Objektverfolgung durch die optimale, dynamische Wahl der Brennweiten gegenuber einer statischen Konfiguration erhoht. Im Mittelpunkt der Arbeit steht die Entwicklung eines allgemeinen Ansatzes, der es erlaubt, in einem Objektverfolgungssystem durch die Wahl und Durchfuhrung von Aktionen dahingehend Einfluss auf den Aufnahmeprozess zu nehmen, dass das System moglichst gut funktioniert. Die durchgangige statistische Formulierung des prasentierten Ansatzes und der darin auftretenden Grossen garantiert dabei die Abstraktion von den tatsachlich zum Einsatz kommenden Systemkomponenten. Der Optimalitatsbegriff der Objektverfolgung ist dabei der Schlusselaspekt in diesem Ansatz. Es wird gezeigt, wie sich das in der Informationstheorie bekannte Sender-Empfanger-Modell auf den Fall der sequenziellen Zustandsschatzung eines dynamischen Systems ubertragen lasst. Die Umsetzung des Ansatzes in die Praxis wird sowohl fur Kalman-Filter als auch fur Partikelfilter demonstriert. In dieser Arbeit werden drei verschiedene Ansatze zur Objektverfolgung vorgestellt, die sich ganz unterschiedlicher Objektmodelle bedienen. Das erste Objektmodell, die gekoppelten Strukturen, ist ein statistisches Modell, das neben den Objektmerkmalen auch deren raumliche Beziehung zueinander berucksichtigt. Mit dem zweiten Objektmodell wird eine bestimmte Ansicht des zu verfolgenden Objekts in Form einer Objektregion reprasentiert. Das dritte Verfahren arbeitet mit einem Objektmodell, das auf dem aus der Computergrafik bekannten Lichtfeld basiert und hier erstmals fur die 3-D-Objektverfolgung eingesetzt wurde. Die Funktionstuchtigkeit des Ansatzes zur optimalen Brennweitenwahl wird zunachst in einer Reihe von Verfolgungssimulationen demonstriert. Dabei ergibt sich im Vergleich mit einer Verfolgung mit festen Brennweiten im Mittel eine beachtliche Reduktion des Zustandsschatzfehlers. Uber die Simulationen hinaus wird die Leistungsfahigkeit eines realisierten Objektverfolgungssystems in Bezug auf die Schatzgenauigkeit in zahlreichen Experimenten untersucht und ausgewertet. Auch in diesen Experimenten kann eine starke Reduktion des Schatzfehlers durch die hier vorgestellte optimale Brennweitenwahl bei der multiokularen Objektverfolgung im Vergleich zu einer statischen Brennweite verzeichnet werden. Als zusatzliches Evaluierungsszenario dient in dieser Arbeit eine typische Aufgabe aus dem Bereich der Dienstleistungsrobotik: Visuell gesteuertes Greifen eines Objekts. Die Objektverfolgung ist in diesem Fall in ein komplexes Gesamtsystem integriert. Grundlegend fur das Szenario ist, dass eine mobile Plattform, die uber einen einfachen Greifmechanismus verfugt, auf Grund einer fortwahrenden 3-D-Positions- und Lageschatzung des Objekts ruckgekoppelt gesteuert wird.