TEMA Automotive TM – narzędzie analizy kinematyki

4.4.2.4. TEMA Automotive^TM – narzędzie analizy kinematyki

Na początku warto omówić ogólną zasadę działania programu. Pokazano to na rys.4.21. Na pojeździe umieszczone są charakterystyczne biało czarne znaczniki. Specjalne algorytmy detekcji analizują obraz w ich poszukiwaniu. Następnie określane jest dokładne położenie centrum znacznika (widoczne na rysunku jako czerwony krzyżyk). Ponieważ aparat fotograficzny (bądź kamera) jest umieszczony nieruchomo na statywie, dlatego kadr pozostaje niezmienny. Można więc odnieść ruch przedmiotów w nieruchomym kadrze względem któregoś z jego wierzchołków. Program domyślnie przyjmuje za początek układu współrzędnych lewy dolny róg kadru. Jest to skrajny piksel względem, którego określane jest położenie (w pikselach) centrum znacznika. Oczywiście na potrzeby analizy kinematyki, należy przeskalować wartości współrzędnych na wielkości metryczne. Sposób w jaki trzeba tego dokonać przedstawiono w toku tego podrozdziału. Dla zadanej sekwencji zdjęć (bądź klatek filmu) znajdywane są kolejne zestawy współrzędnych. Dodatkowo znając odstęp czasowy pomiędzy zdjęciami (bądź szybkość fps dla filmu) można otrzymać takie parametry kinematyczne jak prędkość i przyspieszenie zarówno liniowe jak i kątowe.

Rys.4.21. Współrzędne markera w kolejnych klatkach

Dzięki znacznemu zautomatyzowaniu procesu analitycznego obsługa programu TEMA^TM jest prosta i intuicyjna. Z punktu widzenia opisanego w niniejszej pracy eksperymentu sprowadza się ona w zasadzie do wskazania źródła obrazu (w postaci sekwencji zdjęć bądź animacji) oraz wstępnego wskazania znaczników, których położenie w kolejnych chwilach (kolejnych zdjęciach bądź klatkach) jest już automatycznie wyszukiwane przez program. Dostępny jest szeroki wachlarz prezentacji wyników: np. w postaci grafów, tablic, wykresów. Dzięki tym niewątpliwym zaletom narzędzie to jest

48 wykorzystywane w przemyśle samochodowym do m.in. pomiarów podczas crash-testów (rys.4.22). Badane są deformacje pojazdów, sposób działania, rozmiar, pozycja i objętość poduszki powietrznej podczas napełniania, prędkości i przyspieszenia elementów manekina itp. Śledzenie znaczników może się odbywać w trybie ręcznym, półautomatycznym i automatycznym. Powołując się na producenta [69] TEMA^TM wyposażona jest w zestaw mocnych algorytmów śledzenia, m.in. Correlation, Quad, MXT, Circular, COG.

Rys.4.22. Przykłady zastosowań programu TEMA^TM [69]

Po otwarciu programu pojawia się okienko „Select Template”, z którego trzeba wybrać opcję „Single Cam with XTXY” ponieważ analizowany będzie obraz z jednej kamery (w przypadku doświadczenia – aparatu fotograficznego). Kolejne położenia znaczników będą prezentowane jako składowe na osiach x i y w zależności od czasu XT/YT oraz na wykresie XY jako trajektoria.

49 Na pasku głównym trzeba wybrać kolejno File> Open> Image Sequence aby podać źródło obrazu (sekwencję zdjęć). Po wybraniu sekwencji zdjęć ukazuje się okno tak jak na rys.4.23. Po kliknięciu prawym przyciskiem myszy we wskazane miejsce i wyborze opcji „ViewProperties” pojawia się okno „CameraViewProperties”. Właśnie tutaj należy podać parametry optyczne aparatu fotograficznego takie jak: FocalLength – ogniskowa otrzymana ze wzoru (4.34), PixelSize – wielkość piksela odczytana w specyfikacjach z [71]. Dla korekcji dystorsji trzeba uaktywnić opcję „CorrectDistortion” i wybrać metodę Bouguet, o której wspomniano w poprzednim podrozdziale. Korzystając z parametrów wygenerowanych przez program GML należy wypełnić pola x0(cc1), y0(cc2), kc1,kc2,kc3 oraz kc4. Kolejnym istotnym krokiem jest wskazanie znaczników, których położenie ma być śledzone. Dokonuje się tego w oknie (Locked) widocznym na rys.4.24 i rys.4.25. Klikając w obrębie danego znacznika utworzony zostaje czerwony krzyżyk o nazwie „Point#”. W dokumentacji producenta programu jest on określony mianem tracker. Śledzi on położenie znacznika w kolejnych odstępach czasu.

Rys.4.24. Markery z przyporządkowanymi im trackerami

Aby ułatwić zadanie algorytmom detekcji, wprowadza się pewne ustawienia dla każdego trackera. Należy kliknąć prawym przyciskiem myszy na tracker z listy pokazanej na rys.4.25 a następnie wybrać opcję „Point Setup”. Otwiera się okno o tej samej nazwie, w którym pierwszą czynnością jest wybór właściwego kształtu znacznika.

50 Rys.4.25. Okno właściwości trackera

Znacznikom zastosowanym w doświadczeniu odpowiada opcja „QuadrantSymmetry”. Poniżej w tym samym oknie znajduje się pole „SearchArea”. Określa się w nim wielkość (w pikselach) obszaru poszukiwań. Ważne by tak dobrać wielkość obszaru, aby w kolejnym kroku położenie znacznika nie znalazło się poza nim. W przeciwnym razie należy zwiększyć obszar poszukiwań. W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono, że powyżej wartości 100px x 100px program ma pewne trudności z wytropieniem znacznika, dlatego istnieje jeszcze możliwość manualnej korekcji położenia trackera. Klikając na tracker należy przeciągnąć go do obszaru poszukiwań. W takiej sytuacji program automatycznie umieści go w centrum znacznika. Automatyczny proces śledzenia uruchamia się klikając na przycisk „Track forward” (rys.4.26) z paska Time Panel Toolbar.

51 W efekcie powstają trzy wykresy: trajektoria pojazdu na płaszczyźnie XY oraz składowe położenia x

[px] i y [px] w zależności od czasu. . Na wstępie podrozdziału zaznaczono, że należy przeskalować wartości współrzędnych

na wielkości metryczne. Dokonuje się tego poprzez wykonanie zdjęcia pojazdu z przyłożonym doń wzorcem długości. Zdjęcie wykonuje się zwykle tuż przed albo chwilę po ostatecznym zakończeniu serii zdjęć ruchu pojazdu. Umiejscowienie aparatu fotograficznego na statywie oraz powiększenie obrazu muszą być identyczne zarówno na zdjęciu z miarką jak i przez cały czas wykonywania serii zdjęć. Ma to bardzo istotny wpływ na wartość skali.

Rys.4.27. Okno Image Tool

Przy użyciu zdjęcia z wzorcem trzeba zmierzyć odległość pomiędzy charakterystycznymi punktami np. znacznikami. Rys.4.27 przedstawia istotę przeskalowania. Zdjęcie z wzorcem długości zostało wczytane w programie Image Tool wchodzącego w skład programu MATLAB^TM. Wykorzystując narzędzie „Measure distance” została zmierzona odległość w pikselach pomiędzy centrami znaczników. Znając tą samą odległość zmierzoną za pomocą wzorca można łatwo obliczyć stosunek [mm]/[px] tzw. rozdzielczość przestrzenną. W wyniku przeprowadzonych pomiarów okazuje się, że

skala ta wynosi 0,23[mm/px]. Ponieważ program TEMA^TM dokonuje pomiaru położenia z dokładnością do 0,1 piksela, więc wynika z tego, że po przeskalowaniu na wielkości metryczne

ta dokładność wynosi właśnie 0,023[mm]. Jest to wartość na tyle niewielka by stwierdzić, że program precyzyjnie określa położenie. Jest więc narzędziem wiarygodnym i z powodzeniem można go zastosować w analizie kinematyki.

52