Vom Film zu 3D: Die Entwicklung der Bewegungsanalyse in der Hochgeschwindigkeitsbildgebung

Mit der Erfindung von Hochgeschwindigkeitskameras stieg der Bedarf schnell – nicht nur für qualitative Beobachtungen, sondern auch für quantitative Analysen. In den Anfängen der Hochgeschwindigkeitsbildgebung mit 16-mm-Filmkameras wurde jedes Bild manuell auf weißes Papier oder auf eine Projektionsfläche mit einem leeren Blatt projiziert. Die Bediener markierten bestimmte Punkte von Hand – ein äußerst zeitaufwändiger Prozess, der über längere Zeit volle Konzentration erforderte.

Darüber hinaus war damals nur eine 2D-Analyse praktikabel, da eine 3D-Analyse viel zu komplex und zeitintensiv gewesen wäre.

Mit der Weiterentwicklung von PC-Leistung und Programmiertechniken entstand Bewegungsanalyse-Software, die den direkten Import digitaler Hochgeschwindigkeitskameradaten zur Bewegungsanalyse ermöglichte. Dies markierte den Beginn der sogenannten Datenreduktion, einem hochrelevanten Konzept in der Hochgeschwindigkeitsbildgebung. In den meisten Sequenzen enthält nur ein kleiner Bildbereich relevante Bewegung, während der Rest statisch und uninformativ bleibt. Durch die Konzentration auf die Objektbewegung reduziert die Bewegungsanalyse die zu speichernde und zu verarbeitende Datenmenge im Vergleich zum Speichern vollständiger Videodateien erheblich.

Dank ausgefeilter Tracking-Algorithmen wurde die automatische Verfolgung schnell äußerst zuverlässig. Heute erreicht selbst das 3D-Tracking mit sechs Freiheitsgraden (6DOF) zwar immer noch eine Herausforderung, hat aber eine beeindruckende Genauigkeit erreicht.

Von Anfang an arbeitete AOS mit führenden Entwicklern von Bewegungsanalyse-Software zusammen, um die Kompatibilität zwischen Kameradatenformaten und den von Branchenexperten verwendeten Tools sicherzustellen. Dieses Engagement besteht bis heute, und AOS ist stolz darauf, weiterhin ein fester Bestandteil der Bewegungsanalyse-Community zu sein.

Generell gilt für alle Messanwendungen das gleiche Prinzip für die Hochgeschwindigkeitsbildanalyse:
Je besser die Qualität der Hochgeschwindigkeitsvideodaten und je klarer die Bewegung, desto zuverlässiger sind die Tracking-Ergebnisse.

Für die Analyse von Bewegungsvideos sind klare und präzise Daten erforderlich, um präzise Ergebnisse zu erzielen. Zwei wichtige Faktoren müssen dabei berücksichtigt werden:

1. Abtastfrequenz:
   Die Bildrate (Abtastfrequenz) der Aufnahme sollte mindestens doppelt so hoch sein wie die Frequenz der Objektbewegung. Grundlage hierfür ist das Abtasttheorem, ein in der Messtechnik etabliertes mathematisches Prinzip, das auch für die Datenerfassung mit Hochgeschwindigkeitskameras zur Bewegungsanalyse gilt.

2. Bildschärfe (Reduzierung von Bewegungsunschärfe):
   Präzises Tracking ist auf scharfe Bilder angewiesen. Eine häufig verwendete Faustregel lautet:

   „Die Verschlusszeit sollte kürzer sein als die Zeit, die das Objekt benötigt, um sich über einen Pixel zu bewegen.“

Es gibt zwei Möglichkeiten, dies zu erreichen:

• Reduzieren Sie die Verschlusszeit der Hochgeschwindigkeitskamera
• Verwenden Sie während der Aufnahme eine Stroboskopbeleuchtung

In der nebenstehenden Bildserie wurde eine Mausefalle mit langer Verschlusszeit gefilmt. Das Ergebnis: Die Bewegung ist unscharf und schwer zu interpretieren. Dies mag zwar einen gewissen künstlerischen Wert haben, eignet sich aber nicht für die Bewegungsanalyse.

Im Gegensatz dazu zeigt das Bild unten dieselbe Szene, aufgenommen mit einer deutlich kürzeren Verschlusszeit. Die Bilder sind scharf, sodass die Bewegung visuell besser verfolgt werden kann. Diese hochwertige Eingabe ist für präzise Ergebnisse mit jeder Bewegungsanalyse-Software unerlässlich.

 

Es ist eine allgemeine Annahme, dass Bewegungsanalyse kombiniert mit Hochgeschwindigkeitskameras wird hauptsächlich verwendet in Crashtests im Automobilbereich or Verteidigungsanwendungen– insbesondere dort, wo eine präzise Flugbahnanalyse erforderlich ist. Obwohl dies sicherlich prominente Anwendungsfälle sind, stellen sie nur die Spitze des Eisbergs.

Bewegungsanalysen auf Basis von Hochgeschwindigkeitsvideodaten liefern wertvolle Erkenntnisse in zahlreichen wissenschaftlichen und industriellen Bereichen. Hier sind nur einige Beispiele:

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Analyse des menschlichen Gangs

In medizinischen Anwendungen werden Patienten bei der Genesung von Verletzungen mit Kameras aufgezeichnet. Bewegungsanalyse-Software extrahiert Bewegungsdaten, die es Ärzten und Therapeuten ermöglichen, Verfolgen Sie den Genesungsfortschritt im Laufe der Zeit. Quantitative Daten liefern objektive Maßstäbe zur Unterstützung klinischer Entscheidungen und zur Anpassung von Rehabilitationsprogrammen.

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Sportliche Leistungsoptimierung

In der Sportwissenschaft wird die Bewegungsanalyse verwendet, um die Wechselwirkung zwischen Fuß und Schuh, unter anderem biomechanische Faktoren. Diese präzisen Messungen können helfen Ausrüstung optimieren– wie das Anpassen von Schuhen an den Körper eines Sportlers – um kleine, aber entscheidende Leistungsvorteile zu erzielen. Manchmal Dieser Zentimeter Verbesserung macht den Unterschied zwischen Sieg und Niederlage.

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Industrielle Anwendungen

In der Industrie, präzise Zeit- und Bewegungsdaten sind oft entscheidend. Im gezeigten Bild analysierten Ingenieure beispielsweise die Leistung eines Relaisschalter um sicherzustellen, dass die erforderlichen Mindestschaltzeiten zur Unterbrechung einer Stromquelle eingehalten werden. Überraschenderweise entdeckten sie eine unerwartete Schwingung Dies könnte zu einem gefährlichen „Beinahe-Kontakt“-Zustand führen. Basierend auf dieser Erkenntnis konnten sie das mechanische Design überarbeiten und die Sicherheit und Zuverlässigkeit verbessern.

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Einblicke in jedes Bild

Bei der Bewegungsanalyse geht es um Hochgeschwindigkeitsvideos in Fakten und Zahlen übersetzen. AOS Technologies AG unterstützt verschiedene Bewegungsanalysepakete von Drittanbietern und bietet auch eine integriertes Point-and-Click-Messwerkzeug in Imaging Studio V4, sodass Benutzer schnell umsetzbare Ergebnisse direkt aus Videomaterial erhalten können.

Ob in Wissenschaft, Medizin, Sport oder Industrie, Bewegungsanalyse bringt Klarheit, Präzision und messbare Erkenntnisse auf dynamische Prozesse.