Der EYECATCHER - M-Tech

Der EYECATCHER:
> Ein Maturaprojekt mit Blick für das Wesentliche
> Unter der Leitung von Joachim Beck beschäftigten sich Stefan Treffer und
Siegfried Napetschnig in ihrem Projekt Eyecatcher-Blickfang mit der Erkennung der Blickrichtung eines Menschen.
Bei dem Projekt Eyecatcher-Blickfang wird die Ausrichtung des Augapfels anhand der Position der Iris optisch
erfasst, wodurch die Blickrichtung des Probanden berechnet werden kann. Der Blickpunkt wird graphisch dargestellt. Hierfür sind zwei Kameras vorgesehen, die an einem brillenähnlichen Gestell montiert werden. Eine dieser
Kameras beobachtet die Position der Iris, die andere hat das gesamte Blickfeld des Probanden im Visier.
Nach einer Kalibrierungsphase, während der der praktisch erreichbare Bewegungsbereich des Auges ermittelt
und auf das Blickfeld umgerechnet wird, erscheint auf einem Bildschirm jener Punkt des Blickfeldes, auf den der
Proband gerade seinen Blick richtet. Dies soll - nach Maßgabe der zur Verfügung stehenden Hardwarekapazitäten, sowie der Leistungsfähigkeit der zu entwickelnden Software - möglichst in Echtzeit erfolgen.
> Funktionale Anforderungen
Mittels einer Kamera, die auf das Auge gerichtet ist, wird unter Verwendung der grafischen Entwicklungsumgebung NI Vision die Pupille eines Auges erkannt und erfasst. NI Vision ist ein Teil der National Instruments Software
Labview, die quasi einen Industriestandard darstellt und eine große Funktionsvielfalt aufweist. Mit Hilfe dieser
Entwicklungsumgebung lassen sich Stand Alone Applikationen rasch und mittels einer beinahe unüberschaubaren Vielfalt an vorgefertigten Funktionen und Algorithmen sehr effizient realisieren.
Auch die Unterstützung von Hardwareressourcen – im vorliegenden Anwendungsfall vor allem Webcams – ist
ausgezeichnet, wodurch sich die Entwicklungszeit stark minimieren lässt. Zusätzlich gestalten sich Fehlersuche
bzw. Korrekturen und Laufzeitoptimierungen dank der sehr benutzerfreundlichen und weitestgehend selbsterklärenden graphischen Darstellung von Funktionen und Abläufen rasch und unkompliziert.
Aufgrund der ständig verschiedenen Lichtverhältnisse muss die Konfigurierbarkeit des zu entwickelnden Systems insoweit gewährleistet werden, dass eine Kalibrierung auf ein spezielles Auge oder ungewöhnliche Umgebungssituationen vom Benutzer einfach bewerkstelligt werden kann. Eine zweite Kamera erfasst das Blickfeld
des Probanden. In diesem wird dann mit einem roten Punkt jener Blickpunkt markiert, auf den das Auge gerichtet
ist.
> Herausforderungen
Die größten Probleme, die auch am meisten Zeit in Anspruch nahmen, entstanden bei den Bildaufnahmen und der
weiteren Verarbeitung. Schon durch kleinste Reflektionen im Auge war es nicht mehr möglich, eine einigermaßen
zuverlässige Mustererkennung durchzuführen. Reflektionen entstanden hierbei durch verschiedenste Faktoren
wie zum Beispiel Sonnenlicht von außen oder Infrarot Leds im Inneren.
Als weiteres Problem entpuppte sich der drahtlose Übertragungsweg bei den Funkkameras. Bei zu hoher EMV Belastung durch Computer, Mobiltelefone oder ähnlichen, kommt es zu vermehrten Bildstörungen, die die Funktion
des Systems stark beeinträchtigen.
> Projektergebnis
Im Laufe der Projektarbeit wurden mehrere Prototypen angefertigt. Der erste war eine Skibrille, in welcher eine
Webcam angebracht wurde. Diese Brille hatte ein relativ dunkles Glas, um so die Einflüsse des Umgebungslichts
zu minimieren. Um dennoch ausreichend Licht für die Kamera zur Verfügung zu haben, wurden im Inneren der Skibrille IR-Dioden angebracht. Diese Konstellation führte einerseits zu Quereinstreuungen von Licht in die Kamera,
wodurch die Bildqualität stark beeinträchtigt wurde, andererseits empfanden die Probanden die Infrarotbeleuchtung als unangenehm. Aufgrund dieser Komplikationen entschied man sich, einen neuen Prototyp anzufertigen.
Ein ursprünglich für Testvorgänge genützter Karton bot perfekte Lichtverhältnisse für die Messungen. Daher wurde die Webcam im Karton befestigt und zusätzlich wurden noch LEDs im sichtbaren Lichtbereich für die indirekte
Belichtung angebracht. Dieser Prototyp ermöglichte im Gegensatz zum ersten, bessere und erfolgreiche Fortschritte. Aus Designgründen wurde der Karton durch eine selbst angefertigte Kunststoffbox mit einem gefrästem
Logo und dem Projektnamen auf der Seitenwand ersetzt.
Für die finale Ausführung wurden Funkkameras in kleiner Bauform gekauft. Diese Funkkameras wurden an eine
Skibrillenschale angebracht und eigneten sich, aufgrund der Ausstattung mit Infrarot Leds und Makrofunktion für
die Darstellung des Auges, bestens zur weiteren Verwendung. Für die Auswertung der Bildaufnahmen wurde bei
den Prototypen in erster Linie das Programm „NI Visio“ verwendet. Abschließend erfolgte die Programmierung
über Labview.
> Erfahrungen der Maturanten
Wir konnten viel Erfahrung in den Bereichen Time-Management, selbstständiges Arbeiten und Projektplanung
sammeln. Für ein strukturierteres Arbeiten hätte der Projektplanung mehr Aufmerksamkeit und Zeit zukommen
müssen. Dies hätte größeren Zeitverlusten vorgebeugt und wir hätten mehr Zeit für Feinheiten gehabt.
Bei der Bildauswertung wurde zuerst nicht erwartet, dass so viele verschiedene Störeinflüsse einwirken und die
Auswertung behindern können. Dies führte zu einer nicht geplanten Zeitverschiebung. Beim Bildabgleich hatten
wir wiederum mehr Zeit als nötig eingeplant, da das Programm noch relativ unbekannt war und man sich zuerst
einmal damit vertraut machen musste. Es wurde versucht, alle möglichen Komplikationen die eventuell auftreten
könnten, zu berücksichtigen und so schnell wie möglich zu lösen.
Großer Dank gilt unseren Betreuern der Firma M-Tech für die Unterstützung bei unserer Diplomarbeit!
Text, Fotos:
Siegfried Napetschnig
Stefan Treffer
Die F
irma
Ma
u
f dies Tech grat
Diplo
uliert
e
m We
mand
g
e
e
n
d
en
Stef
zu
Proje ihrem aus an und Sie
kte
gez
gfr
Gute rfolg und eichneten ied
für di
wün
e ber
uflich scht alle
s
e Zuk
unft!!