Ziel

Ziel ist die Entwicklung eines Systems für eine simultane Erfassung von Scheibe und Flinte im Raum während der Schußausführung beim olympischen Flintenschießen. Das projektierte System soll es insbesondere ermöglichen, die Position und Orientierung (Pose) der Flinte zusammen mit der Position der Scheibe gleichzeitig in einem gemeinsamen Koordinatensystem zu erfassen. Die daraus resultierende leistungsdiagnostische Hardware-Komponente und eine passende Softwareapplikation sollen sowohl dem Sportler als auch dem Trainer eine exakte und zeitnahe Auswertung und Interpretation der Daten ermöglichen. Eine anschließende Systemevaluation wird die Praxiseinführung begleiten. Innerhalb des geplanten Softwaremoduls wird zusätzlich eine Schnittstelle zur Einbindung einer Eye-Tracking Brille geschaffen werden. Dies würde nicht nur die jeweilige Positions- und Lagebestimmung im dreidimensionalen Raum ermöglichen, sondern auch diese auch mit der Wahrnehmung des Athleten abgleichen, beziehungsweise seine Handlungsüberprüfung im leistungsdiagnostischen Sinne sinnvoll ergänzen.

Planung

Das angestrebte System besteht technisch gesehen im wesentlichen aus zwei Hauptkomponenten: Dem externen Marken-basierten Tracking-System zur Bestimmung der Pose der Waffe und der Laufkamera zur Lokalisierung der Wurftaube. Das Tracking-System besteht wiederum aus einer Kamera, die 1 - 2 Meter neben dem Athleten positioniert ist, und einer Infrarot-LED-Marke, die an der Waffe angebracht wird. Um die Messgenauigkeit des optischen Systems weiter zu verbessern, soll es im Rahmen dieses Projekts mit den Messdaten einer sogenannten inertialen Messeinheit (IMU, engl. inertial measurement unit) fusioniert werden. Diese misst ihre eigene räumliche Beschleunigung und Orientierung mit hoher Genauigkeit und zeitlicher Auflösung. Nachteil ist jedoch, dass die Orientierungsmessung Drift-behaftet ist, was bedeutet, dass die Messung mit der Zeit ungenauer wird, sofern keine Korrektur vorgenommen wird. Auf kurze Zeit betrachtet, ist jedoch davon auszugehen, dass die Orientierungsmessung der IMU stabiler ist und vor allem weniger Messrauschen aufweist, als die des optischen Systems. Zur Fusion beider Systeme bietet es sich daher an, die Orientierungsmessung des Marken-basierten Tracking mit der der IMU zu Glätten bzw. zu verfeinern und gleichzeitig die Drift der IMU mit der optischen Messung zu korrigieren. Dabei handelt es sich um ein modernes Prinzip im Bereich der Sensorfusion welches in der Literatur unter dem Begriff des Visual-Inertial-Trackings bekannt ist und hochpräzise Messergebnisse liefert. Die IMU muss demnach ebenfalls an der Waffe bzw. der Marke angebracht werden, damit beide Systeme die Orientierung der selbigen messen und fusioniert werden können. Ebenfalls an der Waffe angebracht wird die Laufkamera. Sie wird mit Blickrichtung parallel zur Schussrichtung am Lauf der Waffe befestigt, um die Wurftaube im Sichtfeld zu haben. In den Bildern der Laufkamera sollen die Wurftauben automatisch zunächst in 2D lokalisiert und bis zum Schuss verfolgt werden können. Hierbei wird die Projektion der Wurftaube als Ellipse modelliert, deren Schwerpunkt und Hauptachsen bestimmt werden. Da die Größe der Wurftaube im Voraus bekannt ist, lässt der Durchmesser ihrer Ellipsen-Projektion Rückschlüsse auf ihre Entfernung relativ zur Laufkamera zu. Unter Kenntnis der intrinsischen Kameraeigenschaften, kann somit die 3D Position der Wurftaube bestimmt werden. Um beide Messungen (Pose der Waffe und Position der Wurftaube) in ein gemeinsames Koordinatensystem zu bringen, muss die relative Lage der Marke zur Laufkamera vermessen werden. Das zu entwickelnde Verfahren, das ermöglicht diese Registrierung durchführen zu können, muss dabei möglichst einfach und dynamisch sein, da im Voraus nicht sichergestellt werden kann, dass Marke und Laufkamera einen starren Verbund bilden. Das bedeutet, dass die Registrierung vor Ort jederzeit kurzfristig vorgenommen werden können muss, sollte die relative Lage der Marke zur Laufkamera von der Anbringung an der jeweiligen Waffe abhängen.

Ergebnisse

Das entwickelte System soll Trainer bei der Analyse des Schußverlaufs unterstützen und später an möglichst vielen Trainingsstätten installiert werden.

(Zwischen)Ergebnisse

Es wurden Videoaufnahmen erstellt, auf deren Basis geeignete Hardwarekomponenten ausgewählt wurden.